In diesem Dokument, das in seinem
Bulletin erschien,
äußert das CNRS seine Meinung zu den Arbeiten der Astrophysik und Kosmologie von Jean-Pierre Petit
- März 2005
Urknall Dunkle Energie
DIE GROßE UNBEKANNTE
Im Jahr 1998 kam der Schock, erzählt Pierre Astier vom Laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies: Die Expansion des Universums beschleunigt sich unter dem Einfluss einer mysteriösen
dunklen Energie.
Diese macht etwa 70 Prozent des Kosmos aus. Ihre Zusammensetzung ist völlig unbekannt. Bisher wusste man im Rahmen der Urknall-Theorie und unter Berücksichtigung der allgemeinen Relativitätstheorie Albert Einsteins, dass sich das Universum gleichmäßig ausdehnt, angetrieben durch eine ursprüngliche
„Explosion“. Die Forscher beschäftigten sich daher vor allem damit, den Inhalt des Kosmos zu erfassen, um ihn „abzuwiegen“ und zu bestimmen, ob die Expansion durch die Schwerkraft zum Stillstand kommen könnte. Doch vor sieben Jahren wurden die Gedanken völlig umgestürzt. Zwei unabhängige Teams traten in Erscheinung: Das Supernovae Cosmology Project und die High z Supernova Search Team. Sie beobachteten rund fünfzig Explosionen ferner Sterne (über einen Zeitraum von 1 bis 6 Milliarden Lichtjahren), die als Supernovae vom Typ Ia klassifiziert wurden, also als natürliche Kernexplosionen. Diese seltenen Phänomene werden als „Standardkerzen“ bezeichnet, da ihre absolute Helligkeit bekannt ist und ihre Entfernung auf zwei verschiedene Weisen bestimmt werden kann. Bei den Beobachtungen von 1998 zeigte sich jedoch, dass die entferntesten Supernovae eine geringere Helligkeit aufwiesen, als man in einem Universum erwartet hätte, dessen Expansion ausschließlich durch Materie verursacht wird. Daraus ergab sich zwangsläufig eine Schlussfolgerung: Die scheinbare Helligkeitsminderung erklärt sich durch die Entfernung des Sterns. Seine Heimatgalaxie befindet sich weiter entfernt, als man annahm. Das Universum muss sich daher schneller ausgedehnt haben, als erwartet. Um dieses Phänomen zu erklären, musste eine mysteriöse dunkle Energie erfunden werden, die die Expansion anfeuert. Würde diese Entdeckung die Urknall-Theorie erschüttern? „Auf keinen Fall. Sie weckt nur wieder Interesse und verleiht der Theorie neue Spannung“, beruhigt Pierre Astier.
Seit 1998 kamen sogar zwei weitere Bestätigungen der Beschleunigung hinzu, die die Hypothese weiter stärken. Und „die neuesten Ergebnisse deuten darauf hin, dass dieser Expansionszustand bereits etwa vier bis fünf Milliarden Jahre lang besteht, also etwa 35 Prozent der Geschichte des Universums“, erklärt der Physiker, der der Forschungsgruppe angehört, die von Reynald Pain gegründet wurde, dem einzigen Franzosen, der an der amerikanischen Supernova Cosmology Project beteiligt war. Die französischen Forscher nutzen mittlerweile mehrere Teleskope, darunter das Canada-France-Hawaii-Teleskop und das Very Large Telescope des Europäischen Südsternwarte in Chile. Die Suche nach fernen Supernovae ist zu einem zentralen Ziel dieser Beobachtungsinstrumente geworden. Ziel? „Hunderte zu entdecken“, freut sich Pierre Astier. Das ist unverzichtbar, um zu verstehen, wie sich die Beschleunigung der Expansion in der Vergangenheit entwickelt hat. Einige Physiker sehen in dieser abstoßenden Kraft die Spur dessen, was sie „Vakuumenergie“ nennen.
Diese spiegelt die unglaubliche quantenmechanische Aktivität des Kosmos auf kleiner Skala wider. Erklärung: Die Wissenschaftler sehen den leeren Raum – „das, was übrig bleibt, wenn man alles entfernt“ – als ein seltsames Medium. Der absolute Leerraum existiert nicht. Ununterbrochen entstehen und verschwinden dort virtuelle Teilchen und Antiteilchen. Diese Objekte entstehen und zerfallen sofort wieder. Ihnen ist eine unvermeidbare Energie zugeordnet, die man „Grundniveau“ oder etwas bescheidener „Vakuumenergie“ nennt. Und nach einer 1948 vom Holländer Hendrick Casimir vorgeschlagenen Erfahrung verhält sich die Vakuumenergie wie ein Druck – eine abstoßende Kraft. Daher kam die Idee, sie mit der dunklen Energie zu identifizieren, die das Universum scheinbar „zerreißen“ soll.
Für andere könnte die dunkle Energie, wenn sie sich mit der Zeit verändert, einem ganzen Zoo exotischer Objekte entsprechen, die man als „Quintessenz“ oder „fünfte Essenz“ bezeichnet, neben den vier fundamentalen Kräften (siehe Seite 28). Man versteht nun, dass das Schicksal des gesamten Kosmos auf dem Spiel steht. Es wird dringend notwendig, die Unklarheiten zu beseitigen. Mit den laufenden Projekten hofft das französische Team, innerhalb von fünf Jahren 600 neue Supernovae zu entdecken. Auf der anderen Seite hat das Weltraumteleskop Hubble bereits 2003 sechzehn Supernovae entdeckt. Es sei denn, der beste gewinnt bei der Suche nach der dunklen Energie!
Frédéric Guérin
KONTAKT
Pierre Astier, astier@in2p3.fr
DUNKLE MATERIE: DER UNSICHTBARE OZEAN
Es ist ein hartnäckiges Rätsel: Die gewöhnliche Materie macht weniger als fünf Prozent des Kosmos aus, und mehr als 95 Prozent des Gesamten fehlt völlig. Wenn die dunkle Energie 70 Prozent des Universums ausmacht, aus was besteht dann der Rest? Alles begann 1933, als der amerikanische Astrophysiker Fritz Zwicky den Haufen von Coma in der Konstellation der Berenike, 150 Millionen Lichtjahre entfernt, untersuchte. Dieses Objekt besteht aus Tausenden von Galaxien, vergleichbar unserer Milchstraße. Er stellte fest, dass ihre Bewegungsgeschwindigkeit innerhalb des Haufens darauf hindeutet, dass dort hundertmal mehr Materie vorhanden ist, als man sehen kann. Kurz gesagt, nur der sichtbare Teil des Eisbergs. Im Hintergrund zeichnete sich ab: Die leuchtenden Sterne, die Gas- und Staubwolken, die die Galaxien bevölkern, sind nur gewöhnliche Trümmer. Sie treiben auf einem gewaltigen, unsichtbaren und mächtigen Ozean, der sie hin und her wirbelt. Ebenso deuteten Untersuchungen der Sternbewegung im Zentrum von Galaxien in den 1960er und 1970er Jahren darauf hin, dass diese fünf bis zehnmal mehr unsichtbare Materie enthalten als sichtbare. Um die Erscheinungen zu retten, musste also eine neue, dunkle Materie erfunden werden, deren Natur sich von der uns bekannten unterscheidet. In den letzten zehn Jahren haben die Wissenschaftler eine rasant verbesserte Qualität und Menge an Daten beobachtet.
Zum einen bestätigte die Beobachtung der Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien die Existenz einer dunklen-Materie-Hülle, die zehnmal massereicher ist als die Sterne. Zum anderen enthalten Haufen einen heißen Gasnebel, der auf Millionen von Grad erhitzt ist. Die Messungen im Röntgenbereich durch die Satelliten Chandra (NASA) und XMM (Europa) deuten hier auf eine Menge dunkler Materie hin, die hundertmal größer ist als die sichtbare Materie. Schließlich hat kürzlich ein weiteres Instrument seine Wirksamkeit bewiesen: Die Gravitationslinsen, diese natürlichen Spiegelungen, die durch die Relativitätstheorie vorhergesagt wurden, bieten ein mächtiges Mittel, um die Geometrie des Universums zu untersuchen. Durch die Beobachtung von Mikrolinsen-Effekten konnte festgestellt werden, dass die galaktische dunkle Materie nicht aus Atomen im klassischen Sinne besteht, mit Kern (Protonen und Neutronen) und Elektronen! Diese rätselhaften Objekte wurden als MACHOs (Massive Halo Compact Objects) bezeichnet, und die Forscher schätzen, dass sie weniger als zehn Prozent der gesamten Materiemenge ausmachen, die unsere Galaxie bevölkert. Aus was besteht dann der Rest des Kosmos, der keiner Atomkernstruktur und keiner bekannten Teilchen entspricht? Niemand weiß es genau, aber es zeichnen sich bereits Ideen ab. Die Physiker haben bereits einen Kandidaten im...