Das seltsame Universum

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Meine Meinung am 24.10.2003	Über beschleunigte Expansion, dunkle Energie, Quintessenz und was wirklich dahinter steckt.	Kosmologie
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Vor ein paar Tagen habe ich ein Bisschen in der monatlichen Ausgabe von Spektrum der Wissenschaft geschmökert und bin zum wiederholten Mal auf eine Theorie gestossen, die sich in den letzten Jahren bei Kosmologen und Astronomen immer grösserer Beliebtheit erfreut: die beschleunigte Ausdehnung des Universums. Da mir diese etwas gewagte Auslegung von eigentlich recht bescheidenen Messergebnissen schon seit einiger Zeit suspekt ist, will ich in diesem Artikel kurz die Hintergründe beleuchten. Es handelt sich dabei aber teilweise um meine eigene, rein subjektive Meinung und deshalb präsentiere ich diese Unterseite auch nicht in der Kategorie "Astronomie".

Die Messergebnisse


Rotverschiebung ferner Supernova-Ausbrüche	Im Diagramm links ist die Rotverschiebung von Supernova-Explosionen gegen ihre relative Helligkeit aufgetragen. Wir erinnern uns: Aus der spektralen Rotverschiebung eines kosmischen Objekts kann nach dem Doppler-Gesetz dessen Fluchtgeschwindigkeit abgeleitet werden. Aus der Fluchtgeschwindigkeit ergibt sich nach dem Hubble-Gesetz wiederum die Entfernung. Da Supernova-Ausbrüche kosmische Standard-Kerzen sind, kann aus ihrem Verlauf die absolute Helligkeit bestimmt und durch einen Vergleich mit der relativen Helligkeit ebenfalls die Entfernung ermittelt werden. Das Diagramm vergleicht also letztlich Entfernungen, die nach 2 unabhängigen Messmethoden ermittelt wurden und die in einer linearen Beziehung zueinander stehen sollten. Tatsächlich jedoch scheinen die Supernovae mit einer hohen Rotverschiebung (0,5 bis 1,0) etwas zu dunkel zu sein, so dass sich die anfänglich geradlinige Beziehung in eine leicht nach oben tendierende Kurve verwandelt. Mit anderen Worten: ferne Supernovae sind weiter entfernt, als sie es nach dem linearen Hubble-Gesetz sein sollten, also sogar noch weiter, als sie mit der beobachteten Fluchtgeschwindigkeit seit dem Urknall hätten kommen dürfen.

Die Theorie


Abgebremste oder beschleunigte Expansion?	Der aus den Messungen abgeleitete Befund klingt schon für sich allein spektakulär. Die Konsequenzen aus den angeblich zu weit entfernten Supernovae sind jedoch - zumindest aus kosmologischer Sicht - noch dramatischer: Offenbar ist die lineare Hubble-Beziehung nicht korrekt und die seit dem Urknall fortschreitende Expansion des Universums wird nicht langsamer, sondern sogar immer schneller. Das steht jedoch in krassem Widerspruch zu den Einstein'schen Gravitations-Gleichungen, nach denen die Schwerkraft der im Universum enthaltenen Masse für eine Abbremsung der Ausdehnung sorgen sollte. Nun, der Widerspruch ist nicht ganz so drastisch, denn Einstein hatte in den ersten Versionen seiner Formeln eine kosmologische Konstante vorgesehen, die auf wundersame Weise ein abstossendes Gegenstück zur anziehend wirkenden Schwerkraft bilden sollte. Obwohl das Konzept der kosmologischen Konstante von Einstein selbst revidiert wurde, wird es nach den neusten Entdeckungen wieder ernsthaft diskutiert und soll die abstossende Kraft repräsentieren, die die Ausdehnung des Universums scheinbar beschleunigt.

Bei der kosmologischen Konstante handelt es sich um einen rein formalen, mathematischen "Trick", aber welche reale Kraft könnte tatsächlich den Antrieb für eine beschleunigte Expansion des Weltalls liefern? Dazu existieren zwei Erklärungs-Ansätze:

Dunkle Energie Eine geheimnisvolle, nicht weiter spezifizierte und bisher nicht nachweisbare Energieform soll eine abstossende Wirkung oder Anti-Gravitation entfalten und im Gegensatz zur Schwerkraft den Raum immer weiter aufblähen. Aus physikalischer Sicht ist dunkle Energie eher in den Bereich der exotischen Phänomene einzuordnen, die sich nur schwer mit den konventionellen Theorien in Einklang bringen lassen. Dunkle Energie ist nicht mit dunkler Materie zu verwechseln, die eine normale Schwerkraft besitzt und nur deshalb unsichtbar bleibt, weil sie weder von selbst leuchtet noch angestrahlt wird. Es ist durchaus sinnvoll, in manchen Galaxien grössere Mengen an dunkler Materie zu vermuten, da sie über eine grössere Massenanziehung verfügen, als durch sichtbare Sterne und Gasnebel zu erklären wäre. Quintessenz Die Quintessenz ist eigentlich nur ein verfeinertes Modell der dunklen Energie, in der die kosmologische Konstante zu einer zeitabhängigen Funktion wird. Dabei soll ein extrem schwaches, aber über das gesamte Universum ausgedehntes Quantenfeld eine von Null verschiedene Vakuum-Energie hervor rufen. Eine ähnliche Mechanik wird auch als Ursache für die Inflationsphase kurz nach dem Urknall postuliert und erscheint daher zumindest entfernt plausibel.

Gegenargumente


Meine Vorbehalte gegen die Theorie von der beschleunigten Expansion des Universums haben mehrere Gründe:

Zuverlässigkeit der Messergebnisse Die Fehlerbalken im Diagramm (siehe oben) sprechen für sich selbst. Je grösser die kosmischen Entfernungen, desto ungenauer wird deren Bestimmung. Wir reden hier immerhin von mehreren Milliarden Lichtjahren, die auf eine Genauigkeit von wenigen Prozent vermessen werden müssen, um einen signifikanten Effekt erkennen zu können. Schon die Eichmessungen an relativ nahen Supernova-Ausbrüchen sind mit Fehlern behaftet, die sich bei weiter entfernten Objekten potenzieren. Ausserdem wird stillschweigend voraus gesetzt, dass eine ferne Supernova die gleiche absolute Helligkeit besitzt, wie eine nahe. Das ist jedoch nicht unbedingt selbstverständlich, da nahe Sterne einer jüngeren Generation angehören und z.B. mehr schwere Elemente enthalten. Ausserdem erhöht sich bei fernen Objekten die Wahrscheinlichkeit, dass das abgestrahlte Licht durch in der Sichtlinie liegende Staubwolken abgeschwächt wird. Auswertung der Messergebnisse Die Verteilung der Messpunkte im Diagramm (siehe oben) muss nicht zwingend als ansteigende Kurve interpretiert werden. Ausgerechnet im interessanten Bereich bei hohen Rotverschiebungen ist nur noch ein einziges Knäuel aus Messpunkten erkennbar, durch das eigentlich jede beliebige Verbindungslinie gelegt werden könnte. Tatsächlich scheint der Schwerpunkt der fernen Supernovae ein wenig über der von den nahen vorgegebenen Geraden zu liegen. Aber ist das in Anbetracht der Messfehler signifikant genug? Unabhängige Untersuchungen Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung durch den Wilkinson Mikrowellen Anisotropie Satelliten (WMAP) weisen ebenfalls auf die Existenz von dunkler Energie hin, die sogar 73% der Gesamtmasse im Universum ausmachen soll. Die Grundlage für dieses Resultat ist der sogenannte Integrated-Sachs-Wolfe-Effekt, der die Energie der Hintergrundstrahlung in der Nähe von grossen Massenansammlungen erhöht. Dabei nehmen die Photonen beim Eintritt in das Gravitationsfeld von z.B. Galaxienhaufen zunächst Energie auf, die sie dank der zwischenzeitlich erfolgten Ausdünnung des Schwerefelds beim Verlassen aber nicht wieder vollständig verlieren. Trotz der erstaunlich genauen Angaben* handelt es sich jedoch um eine äusserst subtile, indirekte Methode und der Effekt muss nicht zwangsläufig auf dunkle Energie zurück zu führen sein. So wäre eine erhöhte Energiekonzentration um Galaxienhaufen durchaus zu erwarten, die deren Formation im Frühstadium des Universums begünstigte. Der beobachtete Effekt könnte also ebenso gut die Ursache der Galaxienbildung sein und nicht das Ergebnis. Ausserdem sollte der Sachs-Wolfe-Effekt auch bei einer normalen, nicht beschleunigten Expansion auftreten, dann allerdings etwas schwächer. Dennoch bleiben die WMAP-Ergebnisse, im Gegensatz zu den Supernova-Beobachtungen, das stärkste Argument für die Wirkung einer universellen, abstossenden Kraft. * Die WMAP-Ergebnisse sind so phantastisch präzise, wie die zu Grunde liegenden Berechnungen kompliziert sind. Ich müsste lügen, wenn ich behaupten würde, das alles verstanden zu haben, aber es ist einfach zu perfekt, um wahr zu sein. Trotz aller mathematischen Kunstgriffe bei der Auswertung darf man nicht vergessen, dass die Daten auf winzigsten, kaum messbaren Variationen der Hintergrundstrahlung basieren. Der Integrated-Sachs-Wolfe-Effekt ist dabei nur einer von mehreren Effekten, die sich überlagern und die Schwankungen der Hintergrundstrahlung hervor rufen. Schlussfolgerungen aus den Messergebnissen Die entwickelten Theorien der dunklen Energie und der Quintessenz leben von abenteuerlichen Postulaten, für die sonst keinerlei Notwendigkeit besteht und die teilweise sogar bewährten Theorien widersprechen. Der Rückgriff auf die bereits als falsch akzeptierte kosmologische Konstante ist dabei ebenso symptomatisch, wie die völlige Ratlosigkeit über das Wesen der dunklen Energie. Umso verwunderlicher ist es, dass die beschleunigte Expansion des Universums in vielen Publikationen mittlerweile als eindeutig bewiesene Tatsache dargestellt wird, und zwar immer wieder unter Bezugnahme auf die gleichen, keineswegs eindeutigen Messungen. Bei den WMAP-Ergebnissen drängt sich zudem der Verdacht auf, dass einfach so lange dunkle Energie zugegeben wurde, bis die Berechnungen mit den Beobachtungen übereinstimmten. An dieser Stelle muss ich natürlich einräumen, dass meine Argumentation teilweise mehr intuitiv als an harten Fakten orientiert ist, da diese Fakten meiner Meinung nach eben doch nicht ganz so hart sind. Offensichtliche Defizite im theoretischen Unterbau, kaum nachweisbare Effekte und ein gewisser Mangel an Eleganz sind jedoch einfach kein gutes Aushängeschild für ein neues Weltmodell.

Was soll man also davon halten? Die Beobachtungen - sollten sie tatsächlich korrekt sein - sprechen für ein im wahrsten Sinn des Wortes "seltsames" Universum, das sich im grossen Maßstab nicht mehr an die Regeln grundlegender physikalischer Theorien hält. Gleichzeitig herrscht allgemeine Verwirrung und es werden allerlei spekulative Lösungsansätze präsentiert, die uns aber auch nicht wirklich weiter bringen. Andererseits ist dieser Artikel jedoch nicht als verzweifelter Versuch gedacht, die etablierten Theorien mit aller Gewalt vor einer möglichen Widerlegung zu retten. Die Situation erinnert mich viel mehr an die Klimmzüge, die zu Beginn des 20. Jahrhunderts mit der Äther-Theorie unternommen wurden, um die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit mit den Mitteln der klassischen Newton'schen Mechanik zu erklären. Diese Bemühungen blieben völlig sinnlos bis die Einstein'sche Relativitäts-Theorie die beobachteten Effekte quasi nebenbei miterklärte. Die Anzeichen mehren sich, dass die Kosmologie in einer ernsthaften Krise steckt, aber ich bin überzeugt, dass die angeblich beschleunigte Expansion des Universums sich ganz selbstverständlich aus einer neuen, vereinigten Theorie der Quantengravitation ergeben wird. Davon sind wir aber leider noch ein gewaltiges Stück entfernt.

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