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Teilansicht des Sternennebels NGC 3603

Warum sich der Kosmos ausdehnt

Das Weltall dehnt sich immer schneller aus - schuld daran soll die Dunkle Energie sein, von der noch niemand weiß, woraus sie besteht. Ein neues Experiment von Wiener Physikern trennt nun die Spreu vom Weizen möglicher Erklärungen: Chancen auf Erfolg räumen die Forscher einer Theorie namens "Quintessenz" ein.

Astrophysik 17.04.2014

Die antike Hydra war ein widerspenstiges Tier. Schlug man ihr einen Kopf ab, wuchsen an selber Stelle zwei nach. Als widerspenstig in diesem Sinne hat sich auch ein wissenschaftliches Problem erwiesen, nämlich die Frage: Wie kam der Kosmos zu seiner gegenwärtigen Größe? Die ist nicht unbeträchtlich: 13,8 Milliarden Jahre ist das Universum alt, dementsprechend könnten die Messinstrumente der Physiker mindestens ebenso viele Lichtjahre in die Weiten des Alls blicken.

Doch jenseits dieses Beobachtungshorizonts ist der Kosmos nicht zu Ende. Er muss sich also dereinst mit Überlichtgeschwindigkeit ausgedehnt haben. Das ist nicht verboten, Einsteins Limit gilt nur für Bewegungen im Raum, nicht aber für die Expansion des Raumes selbst.

In den 1980ern haben der US-Physiker Alan Guth und sein russischer Kollege André Linde eine Theorie vorgelegt, die solch eine Expansion beschreibt. Die sogenannte Inflationstheorie geht davon aus, dass der Kosmos unmittelbar nach dem Urknall förmlich explodiert ist, um sich danach weiterhin, wenn auch relativ gemächlich auszudehnen.

Dieses Modell wurde kürzlich durch Messungen mit einem Teleskop in der Antarktis bestätigt. Die Freude in der Fachgemeinde war groß - leider sind der kosmologischen Hydra in den vergangenen Jahrzehnten zwei Köpfe nachgewachsen.

Probleme mit der Raumzeit

Denn die Raumzeit und die Galaxien in ihr verhalten sich nicht so, wie man es von ihnen erwarten würde. In den Galaxien muss es zusätzliche, bis dato nicht nachgewiesene Materie geben, ansonsten ließen sich ihre Bewegungen nicht mit Keplers Gesetzen erklären. Und die Expansion des Kosmos scheint sich ohne offensichtlichen Grund erneut zu beschleunigen.

Um die Phänomene zu retten, haben die Kosmologen zwei "Dunkle", also unsichtbare Formen von Materie und Energie erfunden. Die Dunkle Materie soll für den Rhythmus der galaktischen Tänze verantwortlich sein und die Dunkle Energie für das rasante Wachstum des Kosmos.

Die Studie

"Gravity resonance spectroscopy constrains dark energy and dark matter scenarios", Physical Review Letters (16.4.2014).

Das war bis vor kurzem mehr Metaphysik denn Physik, denn weder wusste man, woraus die beiden - Dunkle Materie und Energie - bestehen, noch wurde das Konzept einer strengen Prüfung durch Experimente unterzogen. Was nicht zuletzt daran lag, dass es die entsprechenden Messmethoden noch nicht gab. Forscher um Hartmut Abele von der TU Wien haben nun eine solche vorgestellt.

Sie funktioniert so ähnlich wie die Magnetresonanzspektroskopie (MRS), allerdings spricht sie nicht - wie die MRS - auf magnetische Felder an, sondern auf das Schwerefeld der Erde. Die Methode eignet sich für Präzisionsmessungen der Gravitation über kurze Distanzen - übrigens eine Weltpremiere: Eine "Gravitations-Resonanzspektroskopie" wurde bisher in keinem Labor dieser Welt durchgeführt.

Neutronen bestätigen Newton

"Wir haben für unser Experiment Neutronen verwendet, ein wichtiger Bestandteil der Materie. Wenn Sie sich auf die Waage stellen, geht die Hälfte der angezeigten Kilogramm auf das Konto der Neutronen", sagt Abele im Gespräch mit science.ORF.at. "Freie Neutronen sind allerdings sehr schnell, es sei denn, man kühlt sie extrem stark ab. Damit verhindert man, dass sie in Materie eindringen."

Mit diesen "beruhigten" Teilchen haben Abele und sein Team ein Quanten-Fallexperiment im Schwerefeld der Erde durchgeführt und auf diese Weise Newtons Gravitationsgesetz überprüft. Resultat: Auch die Neutronen halten sich an Newtons Vorgaben.

Abweichungen, die auf Dunkle Materie oder Energie hindeuten, wurden nicht entdeckt. Was allerdings nicht bedeutet, dass die beiden Konzepte damit widerlegt wären. Alternativen zu Newton haben es nun aber nicht mehr ganz so leicht, Abeles Messergebisse schränken die Möglichkeiten deutlich ein.

Comeback einer "Eselei"

Eine solche Alternative wurde bekanntlich von Einstein anno 1917 in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie angeboten. Einstein hat damals auch eine Stellgröße für die Gravitation - die sogenannte Kosmologische Konstante - eingeführt, um die Größe des Universums stabil zu halten. Als kurz darauf entdeckt wurde, dass das Universum gar nicht stabil ist, verwarf er sie wieder und bezeichnete sie als "größte Eselei meines Lebens".

Nun könnte die Kosmologische Konstante ein überraschendes Comeback feiern, denn sie würde die beschleunigte Ausdehnung des Kosmos gut beschreiben. Mehr allerdings auch nicht: Um zu wissen, wie bzw. wodurch die Kosmologische Konstante vulgo "Dunkle Energie" entsteht, bräuchte es Theorien, die Genaueres über ihren Aufbau sagen. Das tut beispielsweise die sogenannte Quintessenz-Theorie.

Hoffnungsträger Quintessenz

Sie sagt die Existenz eines neuen Teilchens bzw. Feldes voraus, das so ähnlich wirkt wie das 2012 nachgewiesene Higgs-Teilchen. Falls das so ist, muss sich das Quintessenz-Teilchen an die "normale" Materie koppeln. Wie stark solche Kopplungen sein können, weiß man durch Abeles Messungen nun 100.000-Mal genauer als zuvor.

"Wenn die Kopplung sehr klein ist, kann sie die Ausdehnung des Universums nicht erklären. Ist sie sehr groß, steht sie im Widerspruch zur restlichen Physik", erklärt der Physiker von der TU Wien. Die Wahrheit muss irgendwo dazwischen liegen. Sollten die Theoretiker in nächster Zeit keine Antwort finden, wird Abele das Feld der Möglichkeiten weiter einschränken. "Wir können unsere Messungen noch um einige Größenordnungen verbessern."

Robert Czepel, science.ORF.at

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