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(Bildnachweis: Hannah Rose Brayshaw-Williams)

Wenn Sie sich auf unserer Website umgesehen haben, haben Sie wahrscheinlich schon bemerkt, dass kosmischeweiten.de im Juli dieses Jahres 25 Jahre alt wird. Passenderweise haben wir diese Zeit gefeiert, indem wir die unglaublichen Entdeckungen und Durchbrüche in der Weltraumwissenschaft des letzten Vierteljahrhunderts hervorgehoben haben. Allerdings gibt es eine dunkle Wolke am Horizont dieser Feierlichkeiten.

Zwei ungebetene Gäste sind auf der Party aufgetaucht, um uns daran zu erinnern, dass die letzten zweieinhalb Jahrzehnte nicht nur von wissenschaftlichen Erfolgen geprägt waren. Nein, zwei konstante und immerwährende Rätsel haben sich hartnäckig geweigert, gelöst zu werden. Tatsächlich haben viele der Fortschritte, die in den letzten 25 Jahren in Bezug auf diese Elemente des Universums gemacht wurden, nur dazu gedient, das Leichentuch der Verwirrung zu vertiefen, das ihre wahre Natur verschleiert.

Wir beziehen uns natürlich auf die dunkle Energie und die dunkle Materie, die manchmal auch als „dunkles Universum“ bezeichnet werden. Aber die Beziehung zwischen dem dunklen Universum und kosmischeweiten.de geht tiefer als unsere Berichterstattung über die Erforschung des Stoffes. Die dunkle Energie wurde 1998 entdeckt, nur ein Jahr vor unserer Gründung. Da fangen wir an.

„1999 war in der Tat sehr wichtig für die astronomische Gemeinschaft und auch für kosmischeweiten.de, weil es das erste volle Jahr war, in dem wir wussten, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt, sondern das auch noch mit einer beschleunigten Geschwindigkeit“, sagte die Kosmologin Luz Ángela García Peñaloza von der Universidad ECCI gegenüber kosmischeweiten.de. „Das Jahr 1999 markiert daher einen Paradigmenwechsel im kosmologischen Standardmodell. Wir begannen, die Existenz einer zusätzlichen Komponente im Materie-Energie-Gehalt des Kosmos zu postulieren: die dunkle Energie.“

Man könnte also sagen, dass kosmischeweiten.de und die dunkle Energie zusammen aufgewachsen sind – und während dieses Wachstums haben wir auch die Entwicklung ihres älteren dunklen Universumsgeschwisters, der dunklen Materie, verfolgt, deren Geburt (zumindest theoretisch) auf das Jahr 1933 zurückgeht.

„Die Vorstellung von dunkler Materie hat sich zu der Idee eines dunklen Sektors entwickelt, wobei sowohl dunkle Materie als auch dunkle Energie eine konkrete und durch Beobachtungen belegte kosmologische Rolle spielen“, erklärt Susan Gardner, theoretische Teilchenphysikerin an der Universität von Kentucky, gegenüber kosmischeweiten.de.

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Um zu verstehen, warum das dunkle Universum für die Forscher so problematisch ist, ist es angebracht, zu erörtern, was wir über diese Aspekte des Universums wissen. Einer der wichtigsten Faktoren, die es zu berücksichtigen gilt, ist die völlige Dominanz des dunklen Universums.

Ein zusammengesetztes Bild des Bullet Cluster, eines viel untersuchten Paares von Galaxienhaufen, die frontal zusammengestoßen sind. Der eine Galaxienhaufen ist durch den anderen hindurchgegangen, wie eine Kugel durch einen Apfel, und man nimmt an, dass er deutliche Anzeichen von dunkler Materie (blau) aufweist, die von heißen Gasen (rosa) getrennt ist. (Bildnachweis: Röntgenbild: NASA/ CXC/ CfA/ M.Markevitch, Optische Karte und Lensing-Karte: NASA/STScI, Magellan/ U.Arizona/ D.Clowe, Linsenkarte: ESO/WFI)

Dunkle Materie und dunkle Energie sind große Probleme

Wir leben in einer Epoche des Universums, die sich durch die Herrschaft der dunklen Energie auszeichnet, der Kraft, die, wie Garcia Peñaloza erklärt, die beschleunigte Expansion des Universums antreibt. Es wird geschätzt, dass die dunkle Energie zwischen 68 % und 72 % des gesamten Energie- und Materieinhalts oder „Budgets“ des Universums ausmacht und damit sowohl die dunkle als auch die gewöhnliche Materie stark dominiert.

Die dunkle Materie hat den Kosmos weniger fest im Griff und macht etwa 26 % des gesamten Energie- und Materiebudgets des Universums aus. Das reicht jedoch aus, um sicherzustellen, dass die dunkle Materie die Materie überwiegt, aus der jeder Stern, jeder Planet, jeder Mond, jede Staub- und Gaswolke, jeder Mensch, jedes Handy, jeder Drucker, jeder Notizzettel und jede Katze im Kosmos besteht – und zwar in einem erstaunlichen Verhältnis von 5 zu 1.

Die Dominanz des dunklen Universums verdeutlicht natürlich nur das Ausmaß dieses Problems, ist aber nicht der springende Punkt. Das eigentliche Problem ist, dass die dunkle Materie und die dunkle Energie trotz ihrer Allgegenwärtigkeit schwer fassbar bleiben. Sie scheinen Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik zu sein, das das detaillierteste Modell ist, das wir darüber haben, wie alle Teilchen in unserem Universum miteinander wechselwirken. Jede Erweiterung dieses Modells bedroht seine Stabilität und damit unser Wissen über die Physik des gesamten Universums.

Die dunkle Materie, zum Beispiel.

Dieses Bild des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops zeigt den Galaxienhaufen MACS J0416. Die Wissenschaftler nutzten das Licht innerhalb des Haufens (sichtbar in blau), um die Verteilung der dunklen Materie innerhalb des Haufens zu untersuchen. (Bildnachweis: NASA, ESA, und M. Montes (Universität von New South Wales))Das Konzept wurde erstmals 1933 von dem schweizerisch-amerikanischen Astronomen Fritz Zwicky theoretisiert, als er feststellte, dass die Masse aller Sterne im Coma-Galaxienhaufen nur 1 % des Gravitationseinflusses ausmacht, der erforderlich ist, um diese Galaxien daran zu hindern, der Anziehungskraft des Haufens zu entkommen. Dies wurde 1978 bestätigt, als die Astronomin Vera Rubin die Rotation von Galaxien untersuchte und feststellte, dass ihre Rotationsgeschwindigkeit bedeutet, dass der Gravitationseinfluss der sichtbaren Materie in den Galaxien nicht ausreichen würde, um sie zusammenzuhalten. Mit anderen Worten: Die dunkle Materie wurde als der Klebstoff postuliert, der die Galaxien zusammenhält und einen unsichtbaren Gravitationseinfluss ausübt, um das zu verstärken, was der gewöhnliche Inhalt der Galaxien bieten kann.

Dieser Einfluss ermöglicht es zwar, die Anwesenheit dunkler Materie durch ihre Wirkung auf normale Materie und auf Licht nachzuvollziehen, doch ist die dunkle Materie für uns praktisch unsichtbar. Das liegt daran, dass sie nicht direkt mit Licht oder normaler Materie interagiert. Diese fehlende Wechselwirkung (oder das Vorhandensein einer extrem schwachen Wechselwirkung, die mit unserer heutigen Technologie nicht nachweisbar ist) zeigt den Wissenschaftlern, dass die dunkle Materie nicht aus Atomen bestehen kann, die sich aus Protonen, Neutronen und Elektronen zusammensetzen – allesamt Teil der „Baryonen“-Familie der Standardmaterie, da diese Teilchen mit Licht und untereinander wechselwirken. Dies hat die Suche nach Teilchen jenseits des Standardmodells ausgelöst, aus denen die dunkle Materie bestehen könnte; eine Suche, die die Wissenschaftler in den letzten 25 Jahren beschäftigt hat.

„Ich würde sagen, die führenden Kandidaten für dunkle Materie waren 1999 die schwach wechselwirkenden massiven Teilchen der dunklen Materie (WIMPs) und die Axionen, die erstmals als mögliche Erklärung für das starke CP-Problem [die Tatsache, dass die Gesetze des Universums Materie und Antimaterie unterschiedlich zu behandeln scheinen] vorgestellt wurden“, so Gardner. „Beide Kandidaten sind sehr präsent, aber die Art und Weise, wie sie aus den theoretischen Modellen hervorgehen, hat sich mit der Zeit definitiv verändert.“

Sie fügte hinzu, dass einige Kandidaten für Teilchen der dunklen Materie in den letzten 25 Jahren gestorben zu sein scheinen, aber selbst diese werden gelegentlich wieder aufgegriffen, was bedeutet, dass eine Wiederauferstehung nicht völlig ausgeschlossen werden kann.

Gardner sagte, ein Beispiel dafür seien ultraschwere Teilchen, sogenannte geladene massive Teilchen oder „CHAMPs“. Diese schienen vor etwa 30 Jahren in den 1990er Jahren in Ungnade gefallen zu sein, noch bevor die dunkle Energie entdeckt und kosmischeweiten.de gegründet wurde. Allerdings wurden die CHAMPs erst im Jahr 2020 von einem Autorenteam wieder aufgegriffen, so dass ihr Comeback als Verdächtige für dunkle Materie nicht ganz von der Hand zu weisen ist.

„Es scheint schwer zu sein, bestimmte Kandidaten für dunkle Materie gänzlich zu verwerfen“, fügte Gardner hinzu.

Eine Sache, die die Wissenschaftler allerdings liebend gerne abschaffen würden, ist der Begriff „dunkle Energie“. Während die Vorsilbe „dunkel“ sowohl in „dunkler Materie“ als auch in „dunkler Energie“ auf ihre mysteriöse und „unsichtbare“ Natur verweist, ist der erste Begriff eher ein Platzhalter für das, was diese beschleunigende Kraft ist. Während die dunkle Materie von einigen Wissenschaftlern seit den 1930er Jahren erwartet wurde, als Zwicky den Begriff prägte, kam die dunkle Energie, was auch immer sie ist, völlig überraschend.

Aus dem Nichts!

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts gelang es Edwin Hubble, entfernte Galaxien zu beobachten, die eine so genannte „Rotverschiebung“ erfahren. Auf dem Weg des Lichts durch das Universum bis zu unseren Detektoren auf der Erde dehnen sich seine Wellenlängen wie Gummibänder aus. Sie gehen von kürzeren, bläulichen Wellenlängen zu längeren, rötlichen über; je länger das Licht reist, desto röter erscheint es. Das heißt, wenn ein Astronom Lichtstrahlen entdeckt, die von einer Galaxie kommen, die sich immer mehr zum roten Ende des elektromagnetischen Spektrums hinbewegt, bewegt sich diese Galaxie wahrscheinlich von uns weg. Als Hubble diese Entdeckung machte, bedeutete dies, dass das Universum nicht statisch ist. Es dehnt sich tatsächlich aus.

Dies überraschte die Wissenschaftler jener Zeit, da man bis dahin davon ausgegangen war, dass das Universum statisch sei. Diese Vorstellung war so weit verbreitet, dass Albert Einstein, als er auf der Grundlage seiner allgemeinen Relativitätstheorie eine Gleichung für das Universum aufstellte, einen „Schummel-Faktor“ einführte, der „kosmologische Konstante“ genannt wurde und durch den griechischen Buchstaben Lambda dargestellt wird, der der Anziehungskraft der Schwerkraft entgegenwirkt und das Universum statisch hält.

Als Einstein jedoch fest davon überzeugt war, dass Hubble mit dem expandierenden Universum richtig lag, strich er die kosmologische Konstante und bezeichnete ihren Zusatz später als seinen „größten Fehler“. Doch noch vor Ende des 20. Jahrhunderts sollte das expandierende Universum den Wissenschaftlern einen weiteren Schock versetzen, der die Rettung der kosmologischen Konstante aus dem theoretischen Mülleimer erforderlich machen würde.

Das elektromagnetische Spektrum zeigt die Wellenlängen, für die sowohl das JWST als auch das Hubble-Weltraumteleskop optimiert sind. (Bildnachweis: NASA, J. Olmsted (STScI))

1998 haben zwei verschiedene Astronomenteams, die weit entfernte kosmische Explosionen, so genannte Supernovae vom Typ Ia, beobachtet haben – die als „Standardkerzen“ bezeichnet werden, weil ihr gleichmäßiger Lichtausstoß als Bojen im Ozean des Weltraums dienen und den Wissenschaftlern helfen kann, kosmische Entfernungen zu messen – festgestellt, dass sich Galaxien, die weiter von uns entfernt sind, schneller entfernen.

García Peñaloza erklärte, dass diese Entdeckung zeige, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt, sondern dass diese Ausdehnung beschleunigt wird. Die dunkle Energie wurde als Platzhalter für die Kraft eingeführt, die diese Beschleunigung antreibt.

Die von dunkler Energie angetriebene Epoche des Universums ist getrennt und unterscheidet sich von der anfänglichen Periode der schnellen kosmischen Inflation, die heute allgemein als „Urknall“ bezeichnet wird und bei der das Volumen unseres Universums um den Faktor 10^26 (10 gefolgt von 25 Nullen) zunahm. Diese durch den Urknall ausgelöste rasante Inflation verlangsamte sich jedoch fast bis zum Stillstand, als die Materie das Universum zu dominieren begann.

Als das Universum jedoch knapp 10 Milliarden Jahre alt war, geschah etwas sehr Merkwürdiges. Der Kosmos begann plötzlich, sich erneut schnell auszudehnen, wobei diese Ausdehnung immer schneller wurde und diese Beschleunigung bis heute anhält. Diese dritte bedeutende Periode des Universums wird als die von dunkler Energie dominierte Epoche bezeichnet. Das ist die Zeit, in der wir uns gegenwärtig befinden.

Um zu verstehen, wie seltsam dies für die Wissenschaftler war, vergleichen Sie es mit einer erdgebundenen Analogie: ein Kind auf einer Schaukel anschieben. Man gibt der Schaukel einen kräftigen Schubs und beobachtet, wie sie einen hohen Punkt erreicht, dann hin- und herschwingt, während sie mit jeder Schwingung einen niedrigeren und niedrigeren Punkt erreicht und gleichzeitig langsamer wird. Dann, gerade als die Schaukel fast zum Stillstand gekommen ist, stellen Sie sich vor, dass sie plötzlich und ohne erkennbaren Grund wieder zu schwingen beginnt. Und anstatt einen anfänglichen Höchststand zu erreichen und dann mit jeder Schwingung einen tieferen Punkt zu erreichen, wird die Schaukel mit der Zeit immer höher und bewegt sich immer schneller. Das entspricht dem, was das Universum in dieser von dunkler Energie dominierten Epoche tut, in der wir uns gerade befinden.

Die Expansion des Universums, dargestellt in einem 2D-Diagramm. (Bildnachweis: NASA)

Genauso wie man unbedingt wissen möchte, was der Schaukel den zweiten Schub gegeben hat und wie sie immer stärker wird, möchten Wissenschaftler unbedingt wissen, was dem Universum vor etwa 4 Milliarden Jahren einen „zweiten Schub“ gegeben hat. Und so wie die Kraft, die die Schaukel antreibt, über das Schicksal des Kindes entscheidet – fliegt es schließlich in die Büsche oder in die Stratosphäre? – wird die Natur der dunklen Energie das Schicksal des Universums bestimmen. Wird der Kosmos als gefrorener Rest mit Galaxien sterben, die zu weit voneinander entfernt sind, um noch gesehen werden zu können, wird das Gefüge von Raum und Zeit „zerreißen“, oder wird das Universum „auf sich selbst zurückschnappen“ und sich zusammenziehen?

„Obwohl es zahlreiche Bemühungen gegeben hat, die Natur der dunklen Energie, ihre Zusammensetzung und ihre Manifestation im Universum zu verstehen – sowohl aus theoretischer als auch aus beobachtender Sicht – wissen wir peinlich wenig darüber“, sagte García Peñaloza. „Der bei weitem führende Kandidat für dunkle Energie ist die wieder eingeführte kosmologische Konstante [noch immer mit dem griechischen Buchstaben Lambda dargestellt] , und sie wurde mit der Vakuumenergie von Quantenfluktuationen in Verbindung gebracht.“ Das bedeutet, dass virtuelle Teilchen buchstäblich im Vakuum des Raums auftauchen. Das klingt unmöglich, ist aber tatsächlich möglich, wenn zwei Teilchen mit gleicher und entgegengesetzter Energie auftauchen und sich dann schnell gegenseitig auslöschen. Es ist fast so, als ob das Universum einen Überziehungskredit für Energie hätte.

Dies erklärt die dunkle Energie in dem, was zum „Standardmodell der Kosmologie“ geworden ist, auch bekannt als das Modell der kalten dunklen Materie (LCDM), in dem sich „kalt“ auf dunkle Materieteilchen bezieht, die sich langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. García Peñaloza erklärte, dass eine Alternative zum LCDM-Modell das wCDM-Modell ist, in dem die dunkle Energie einen konstanten Wert hat, einen kosmologischen Zustandsgleichungsparameter namens „w“, der das Gleichgewicht zwischen dem Druck des Universums und seiner Energiedichte darstellt.

„Dynamische Modelle der dunklen Energie haben sich ebenfalls als überzeugende Konkurrenten von Lambda erwiesen, wie etwa die Quintessenz, ein skalares Feld, das sich in der Zeit entwickelt, eine lineare Entwicklung der Zustandsgleichung, die Chevalier-Polanski-Linder (CPL) genannt wird, und eine sehr umfangreiche Liste von Theorien, die mit unterschiedlichen physikalischen Motivationen vorgeschlagen und anhand der Beobachtungsdaten getestet wurden“, so García Peñaloza weiter. „Meine Kollegen und ich haben unser eigenes Modell der dunklen Energie, das sich im frühen Universum als Strahlung entwickelt und dann zu einem späteren Zeitpunkt in die Zustandsgleichung der kosmologischen Konstante übergeht. Aber ich denke, in diesem Fall kommt es darauf an, was die Beobachtungen zeigen, die mit neuen Teleskopen und Einrichtungen auf der ganzen Welt sowie mit immer ausgefeilteren Simulationen, die jetzt auch die von Ihnen bevorzugte ‚Variante‘ der dunklen Energie einbeziehen können, zunehmen.“

Ein Diagramm zeigt, wie die Natur der dunklen Energie das endgültige Schicksal des Kosmos beeinflussen könnte. (Bildnachweis: NASA Hubblesite)

Die Zukunft des dunklen Universums ist rosig

Die Tatsache, dass die dunkle Energie eine frustrierend unbekannte Größe im Universum bleibt, bedeutet jedoch nicht, dass in den letzten 25 Jahren keinerlei Fortschritte bei ihrer Entschlüsselung gemacht wurden. García Peñaloza ist der Meinung, dass eine Entwicklung, die in diesem Jahr stattgefunden hat, besonders wichtig für die weitere Entschlüsselung dieses Geheimnisses sein wird.

„Meiner Meinung nach sind die Ergebnisse des ersten Jahres, die von der DESI-Kollaboration (Dark Energy Spectroscopic Instrument) veröffentlicht wurden, besonders interessant, weil es das erste Mal ist, dass verblindete Beobachtungen die kosmologische Konstante widerlegen, aber stattdessen zeigen, dass die dunkle Energie mit der Zeit variieren könnte“, sagte sie. „Ein wichtiger Vorbehalt ist, dass es sich hier nur um das erste Jahr der Beobachtungen der Kollaboration handelt, so dass sich die Ergebnisse in Zukunft mit einem umfangreicheren Katalog von untersuchten Galaxien ändern könnten. García Peñaloza fügte hinzu, dass das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) auch zu Spannungen in unserem derzeitigen Verständnis der Eigenschaften früher Galaxien und theoretischer Modelle geführt hat, die die kosmologische Konstante als Rückgrat haben.

„All diese Beobachtungen geben uns Hinweise darauf, dass das Standardmodell wahrscheinlich einige Anpassungen benötigt“, fügte sie hinzu. „Es ist ein sehr aufregender Moment, an diesem Thema zu arbeiten.“

Außerdem werden das Nancy Grace Roman Weltraumteleskop der NASA und das Vera C. Rubin Observatorium auf der Erde bald mit der Erforschung des Universums beginnen, wobei beide Teleskope wichtige Erkenntnisse über dunkle Materie und dunkle Energie liefern sollen.

Denkt Gardner also, dass kosmischeweiten.de irgendwann in den nächsten 25 Jahren über die Lösung des Rätsels der dunklen Materie berichten wird?

„Ich würde gerne auf ‚Ja!‘ tippen“, antwortet sie. „Wir werden vielleicht schon in der Lage sein, schwere dunkle Materie in irdischen Labors über ihre Gravitationskopplungen nachzuweisen, und wir werden vielleicht in der Lage sein, Gravitationswellendetektoren zu nutzen, um schwere dunkle Materie im Sonnensystem zu entdecken oder einzugrenzen.“

Auf die gleiche Frage nach der dunklen Energie reagierte er weniger zuversichtlich.

„Schwierige Frage! Ich werde ‚Nein‘ sagen“, sagte sie. „Mit Sicherheit werden wir viel mehr über die Natur der dunklen Energie wissen, als wir jetzt wissen, oder wir werden sie vielleicht ganz aus der Landschaft ausschließen. Bleiben wir an den Entwicklungen dran, die die Astronomen in den nächsten Jahren machen, und vielleicht haben wir dann die Antwort auf diese Frage.“

Was auch immer sich in den nächsten 25 Jahren in Bezug auf dunkle Materie und dunkle Energie entwickelt, kosmischeweiten.de wird auf jeden Fall am dunklen Universum dranbleiben, und wir hoffen, dass Sie an uns dranbleiben!