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Haben andere Universen im Multiversum Werte der dunklen Energie, die für die Bildung von Sternen und Leben optimaler sind?(Bildnachweis: Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images)

Irgendwo im Multiversum könnte es Universen geben, die für die Entstehung von Sternen und möglicherweise von Leben prädestinierter sind als unser eigenes Universum – und eine neue Studie hat gezeigt, dass dies alles dem unwahrscheinlichsten aller Verdächtigen zu verdanken ist: der dunklen Energie.

Ein Team von Wissenschaftlern hat untersucht, wie sich die Stärke der dunklen Energie direkt darauf auswirkt, wie leicht Sterne entstehen, und es stellte sich heraus, dass die Stärke der dunklen Energie in unserem Universum nicht zu den effizientesten Sternfabriken führt. Wenn man einen zufälligen Beobachter irgendwo im Multiversum auswählt, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass er aus einem Universum stammt, in dem die dunkle Energie viel stärker ist als in unserem Universum.

„Das war für mich ziemlich überraschend!“ sagte Daniele Sorini von der Durham University, der die Studie leitete, gegenüber kosmischeweiten.de.

Die dunkle Energie ist die geheimnisvolle Kraft, die die Expansion des Kosmos beschleunigt. Das populärste Modell für dunkle Energie geht davon aus, dass es sich um die kosmologische Konstante handelt, die die dem leeren Raum innewohnende Energie beschreibt, die die Beschleunigung des expandierenden Universums antreibt. Wir sagen, dass sie „konstant“ ist, weil wir glauben, dass die Stärke der dunklen Energie im Laufe der Geschichte gleich geblieben ist.

Angenommen, die dunkle Energie hätte eine andere Stärke, so dass sich die Expansion des Universums entweder schneller oder langsamer beschleunigt. Sorini hat zusammen mit John Peacock von der Universität Edinburgh und Lucas Lombriser von der Universität Genf modelliert, wie sich eine solche Änderung der dunklen Energie auf die Sternentstehung auswirken würde, und da Sterne für das Leben unerlässlich sind, wie sie die Bewohnbarkeit des Universums beeinflussen würde.

Zum Multiversum!

Die Besatzung wandte sich dem Multiversum zu.

Das Multiversumskonzept geht davon aus, dass unser Universum als Teil eines Ensembles von vielleicht unendlich vielen Universen existiert, von denen jedes seine eigenen Merkmale hat, darunter möglicherweise unterschiedliche Stärken der dunklen Energie.

Damit in einem Universum Leben existieren kann – zumindest das Leben, wie wir es kennen -, braucht dieses Universum Sterne, die Wärme und Energie an die Planeten liefern, die es umkreisen, damit dieses Leben leben kann. Sorini, Peacock und Lombriser fanden in ihren Berechnungen heraus, dass die Universen, die bei der Bildung von Sternen am effizientesten sind, eine Stärke der dunklen Energie aufweisen, die ein Zehntel des Wertes der dunklen Energie in unserem Universum ausmacht – die so genannte Dichte der dunklen Energie, d. h. wie viel Energie jedes kleine Stückchen Raum enthält.

Das bedeutet, dass sich die Expansion des Raums in diesen effizienteren Universen zwar immer noch beschleunigt, aber nur noch ein Zehntel so schnell. Die gesamte Materie in diesen Universen läge also viel näher beieinander als in unserem Universum.

Ein solches Universum, so das Team, würde im Laufe der kosmischen Geschichte 27 % seines Gases in Sterne verwandeln. In unserem Universum hingegen werden voraussichtlich etwa 23 % des Gases in Sterne umgewandelt.

Aber es gibt eine Wendung in der Geschichte: Nehmen wir an, man wählt einen zufälligen Beobachter von irgendwo im Multiversum aus. Ein Beobachter (oder zumindest Leben, wie wir es kennen) kann nur in einem Universum existieren, das Sterne bildet. Wenn Sie diesen zufälligen Beobachter bitten, die Stärke der dunklen Energie in seiner Ecke des Multiversums zu beschreiben, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass er in einem Universum lebt, in dem die dunkle Energie stärker ist als in unserem Universum.

Warten Sie, was?

Das klingt wie ein Widerspruch. Wenn Universen mit schwacher dunkler Energie am geschicktesten darin sind, Sterne zu bilden – man bedenke, dass die effizientesten Universen ein Zehntel der Stärke der dunklen Energie wie unsere hätten – wie können wir dann erwarten, dass wir die meisten Beobachter in Universen mit stärkerer dunkler Energie finden?

Es ist alles eine Frage der Statistik, aber Sorini hat eine Analogie, die helfen kann.

„Nehmen wir an, Sie haben viele Kisten, die von 1 bis 100 markiert sind, und Sie legen Murmeln in diese Kisten“, sagte er.

Stellen Sie sich vor, dass Sie die meisten Murmeln, sagen wir 100 Stück, in die Schachtel Nummer 2 legen. Weniger Murmeln, vielleicht 10 pro Stück, kommen in die anderen Kisten. In Sorinis Analogie entspricht Schachtel 2 mit den meisten Murmeln dem Höhepunkt der Effizienz der Sternentstehung mit einer Dichte der dunklen Energie von einem Zehntel der unseres Universums. Unser Universum könnte dann beispielsweise Kasten 4 oder 5 entsprechen, der weniger Murmeln enthält.

Aber auch wenn alle Kästchen mit den Nummern 3 bis 100 jeweils weniger Murmeln enthalten als Kästchen 2, gibt es in den Kästchen 3 bis 100 zusammen mehr Murmeln als in Kästchen 2 allein. Wenn man also eine Murmel zufällig auswählt, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass sie aus einer Kiste mit einer höheren Nummer als 2 stammt.

„Ähnlich verhält es sich mit dem Multiversum“, sagt Sorini. Mit anderen Worten: Die effizientesten sternbildenden Universen haben einen niedrigen Wert für die dunkle Energie, aber es gibt viele weitere Universen mit viel höheren Werten, die zwar nicht ganz so effizient sind, aber dennoch Sterne produzieren und zu einem bewohnbaren Universum führen.

Dies ist jedoch nur bis zu einem gewissen Punkt der Fall; die dunkle Energie kann theoretisch auch so stark werden, dass sie der Entstehung von Sternen keine Chance gibt oder das Universum kurz nach der Entstehung einiger Sterne auseinander reißt. Solche Universen könnten in Sorinis Analogie durch die Kästchen 101 und darüber dargestellt werden, die jeweils keine Murmeln enthalten.

Geringere Effizienz, höhere Qualität

Galaxien bilden sich in massiven Halos dieses sternbildenden Gases, und die Größe dieser Halos wird durch das Zusammenspiel zwischen der Physik der Sternbildung und dem Wachstum großräumiger Strukturen im Universum bestimmt. Großräumige Strukturen wachsen schneller, wenn die dunkle Energie schwächer ist, und langsamer, wenn die dunkle Energie stärker ist. Das liegt daran, dass es für starke dunkle Energie einfacher ist, alles schneller auseinander zu ziehen.

Das interessante Ergebnis ist jedoch, dass bei höheren Werten der dunklen Energie einzelne Halos Galaxien beherbergen können, die bei der Sternbildung effizienter sind“, so Sorini.

Der Grund dafür ist, dass mit zunehmender dunkler Energie der Radius eines bestimmten Halos kleiner und kompakter wird, da sein Radius sowohl der Masse des Halos als auch der Hubble-Konstante proportional ist, die die Expansionsrate des Universums quantitativ beschreibt. Da die Halos kompakter sind, ist die Dichte des sternbildenden Gases in ihnen größer – und je dichter das Gas ist, desto schneller kühlt es ab, so dass dieser Halo dann eine verstärkte Sternbildung begünstigt, die kalte Temperaturen (unter zehn Grad über dem absoluten Nullpunkt) erfordert, um den Gravitationskollaps des Gases zu Sternen zu ermöglichen. Da die dunkle Energie jedoch der Bildung großräumiger Strukturen entgegenwirkt, bilden sich in einem solchen Universum weniger Galaxien – daher gibt es dort auch insgesamt weniger Sterne.

Sterne bereichern die Chemie des Universums, wenn sie erlöschen und die schweren Elemente freisetzen, die durch Kernfusionsreaktionen in ihrem Inneren entstanden sind. Die Biochemie des Lebens auf der Erde basiert auf fünf Elementen – Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Phosphor – die die chemischen Bausteine bilden, aus denen sich die Nukleotide für die DNA zusammensetzen. Mit Ausnahme des Wasserstoffs, der im Urknall entstand, werden alle diese Elemente von Sternen erzeugt. Diese und andere, schwerere Elemente sind auch die Materialien, aus denen Planeten gebaut werden, die die Sterne umkreisen müssen, um das Licht und die Wärme zu erhalten, die für das Leben, wie wir es kennen, notwendig sind. Je mehr Sterne entstehen, desto mehr dieser Elemente gibt es und desto mehr Planeten, die Leben beherbergen könnten, gibt es.

Gegen das anthropische Prinzip?

Die Stärke der dunklen Energie in unserem Universum beunruhigt die Wissenschaftler seit der Entdeckung dieser mysteriösen Beschleunigungskraft im Jahr 1998. Die meisten Theorien sagen voraus, dass die kosmologische Konstante in unserem Universum einen großen Wert haben sollte, aber in Wirklichkeit ist die Stärke der dunklen Energie, die wir in unserem Universum beobachten, 10^120 Mal kleiner als vorhergesagt. Das ist ein großer Unterschied – liegen unsere besten Theorien wirklich so sehr daneben?

Wir sollten uns glücklich schätzen, dass die dunkle Energie in unserem Universum so schwach ist. Wäre sie so stark, wie sie nach unseren Theorien sein sollte, hätte sie zu einem außer Kontrolle geratenen Universum geführt, das möglicherweise schon vor langer Zeit das Gefüge der Raumzeit in einem „Big Rip“ zerrissen hätte, und es könnte kein Leben existieren. Wir wären in der Box 101.

Aber die dunkle Energie ist nicht der einzige Parameter im Universum, der für die Existenz von Leben geeignet erscheint. Die Lichtgeschwindigkeit, die Ladung eines Elektrons, die Masse eines Protons, die Stärke der Schwerkraft und der starken Kraft, um nur einige zu nennen, scheinen alle sehr ausgewogen zu sein. Wären die Werte auch nur geringfügig anders, wäre das Universum ein anderer und unwirtlicherer Ort, an dem Sterne und Leben nicht entstehen und sich entwickeln könnten. Außerdem wissen wir nicht, warum sie die Werte haben, die wir messen. Was wir wissen, ist, dass wir nicht hier wären, um sie zu messen, wenn sie diese Werte nicht hätten.

Dieses Paradoxon wird als anthropisches Prinzip bezeichnet, das einen Selektionseffekt beschreibt, bei dem wir diese Werte als so fein abgestimmt für das Leben messen, weil wir in einem Universum, in dem sie nicht fein abgestimmt sind, nicht existieren könnten – sie sind eine Notwendigkeit für unsere Existenz.

Ein Lösungsvorschlag lautet, dass unser Universum nur ein Universum in einem Multiversum ist, das aus einem möglicherweise unendlichen Ensemble von Paralleluniversen besteht, die jeweils Grundkonstanten mit unterschiedlichen Werten aufweisen. Wir wären gezwungen, eines dieser Universen zu bewohnen, das lebensfreundlich ist, und nicht eines, das es nicht ist.

Man war davon ausgegangen, dass die Stärke der dunklen Energie ein weiterer fein abgestimmter Parameter des anthropischen Prinzips ist, insbesondere angesichts der rätselhaften großen Diskrepanz zwischen Theorie und Beobachtung. Aber die Ergebnisse von Sorini, Peacock und Lombriser scheinen nicht ganz mit dem anthropischen Prinzip übereinzustimmen, denn sie haben gezeigt, dass andere Universen eine noch günstigere Stärke der dunklen Energie haben könnten.

„Ich denke, die wichtigste Botschaft, die man mitnehmen kann, ist, dass man vorsichtig sein muss, wenn man anthropische Überlegungen anstellt, denn die Frage ist tatsächlich subtiler, als sie auf den ersten Blick erscheinen mag“, sagte Sorini. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass man dieses Argument nicht als Freifahrtsschein benutzen sollte, ohne die zugrunde liegenden Annahmen genauer zu überdenken.“

Ihre Ergebnisse sind jedoch mit einigen Vorbehalten behaftet. Zum einen gehen sie davon aus, dass die dunkle Energie die kosmologische Konstante ist und nicht ein skalares Feld, das seine Stärke im Laufe der Zeit ändern kann. Außerdem gehen sie von einem bestimmten astrophysikalischen Modell der Sternentstehung aus; ein anderes Modell könnte zu anderen Ergebnissen führen. Oder, wenn das Multiversum real ist, könnten bestimmte Werte der dunklen Energie aus irgendeinem Grund stärker verbreitet sein als andere, was bedeutet, dass wir ein komplexeres Multiversum in Betracht ziehen müssten, in dem, in Sorinis Kisten-Analogie, eine größere Anzahl von Kisten 100 Murmeln statt 10 Murmeln enthalten könnte.

Isolierte Inseln in einem leeren Meer

Während andere mögliche Universen mehr Chancen für Leben bieten könnten, ist es unmöglich zu sagen, ob sie mehr bewohnt sind als unser eigenes. Schließlich spielen bei der Entstehung von Leben viel mehr Faktoren eine Rolle als nur die Effizienz, mit der ein Universum Sterne bildet. Nehmen wir jedoch an, in einem dieser Universen mit einer anderen Stärke der dunklen Energie als in unserem Universum gäbe es Leben – was würden seine Bewohner sehen? Da die dunkle Energie die Ausdehnung des Universums im Laufe der Zeit beschleunigt, würden in Universen mit schwächerer dunkler Energie die Galaxien und Galaxienhaufen näher beieinander liegen, und in Universen mit stärkerer dunkler Energie wäre die Ausdehnung viel stärker als in unserem Universum, wodurch die Galaxien viel weiter voneinander entfernt wären.

„Die Strukturen, die sich bilden, wären isolierte Inseln in einem leeren Meer“, so Sorini. „Es könnte sein, dass wir andere Galaxien gar nicht sehen würden, weil alles von uns getrennt wäre. Wir würden der Illusion unterliegen, dass unsere Galaxie die einzige Galaxie im gesamten Universum ist.“

Wir können also von Glück reden, dass wir in unserem weniger optimierten Universum leben, aber ein Himmel voller Galaxien scheint viel besser zu sein als eine Insel in einem Ozean des Nichts.

Die Forschungsergebnisse wurden am 13. November in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.