Dunkle Energie

Als dunkle Energie wird in der Kosmologie eine besondere Form der Energie bezeichnet, die lange Zeit als hypothetisch galt. Diese Energie wird für eine beobachtete zunehmende Expansion des Universums verantwortlich gemacht. „Dunkel“ bezieht sich darauf, dass die Träger dieser Energie keine elektromagnetische Wellen abstrahlen, also nicht leuchten und somit dunkel sind. Diese Eigenschaft teilt die dunkle Energie mit der dunklen Materie. Es ist auch denkbar, dass die dunkle Energie und dunkle Materie verschiedene Erscheinungsformen des gleichen zugrundeliegenden Phänomens sind.

Im Jahr 1997 gelang es erstmals, mit Hilfe des Sachs-Wolfe-Effekts, dunkle Energie direkt nachzuweisen.

Beobachtung

Nachdem die Expansion des Weltalls durch die Beobachtung der Rotverschiebung der Galaxien als etabliert gilt, wurden detailliertere Messungen durchgeführt, um die Geschwindigkeit der Expansion und ihre Veränderung über die Lebenszeit des Universums zu bestimmen. Traditionelle Modelle besagten, dass die Expansion aufgrund der Materie und der durch sie wirkenden Gravitationsanziehung verlangsamt wird; Messungen sollten diese Verlangsamung quantifizieren.

Die Messungen, die im wesentlichen auf Entfernungsbestimmungen weit entfernter Supernovae vom Typ Ia basierten, ergaben entgegen der Lehrmeinung eine Zunahme der Expansionsgeschwindigkeit, keine Abnahme. Diese unerwartete Beobachtung wird seitdem auf eine unbestimmte „dunkle Energie“ zurückgeführt. Quantitativ sollte diese dunkle Energie 74 % der im Universum enthaltenen Energie darstellen; die restlichen 26 % sind demnach normale (das heißt Baryonische) und dunkle Materie.

Ein anderer Erfolg dunkler Materie könnte eine Erklärung für die „Flachheit“ des Universums sein. Es ist bekannt, dass die normale Materie nicht ausreicht, um dem Universum eine flache (das heißt im wesentlichen euklidische) Geometrie zu geben; sie stellt nur 2–5 % der notwendigen Masse. Aus Beobachtungen zur gravitationellen Anziehung zwischen den Galaxien ergibt sich aber, dass dunkle Materie maximal 25% der erforderlichen Materie sein kann. Dunkle Energie (aufgrund der einsteinschen Formel E = mc² hat sie ein Masseäquivalent) würde die fehlende Masse gerade liefern.

Dunkle Energie ist ebenfalls ein wichtiger Parameter in Modellen zur Strukturbildung im Universum.

Theoretischer Hintergrund

Die heute akzeptierte Theorie zur großräumigen Entwicklung des Kosmos ist die Allgemeine Relativitätstheorie Albert Einsteins. In der Diskussion um die Expansion oder Kontraktion des Universums bewirkt die Materie durch ihre Gravitationswirkung eine Kontraktion; die kosmologische Konstante beschreibt eine Expansion.

Die beobachtete Beschleunigung der Expansionsbewegung bedeutet, dass eine Beschreibung durch die kosmologische Konstante sinnvoll ist. Allerdings ist die Konstante ein ‚ad hoc‘ Konstrukt, das keine tiefere Begründung für die zugrundeliegende Ursache liefert.

Erklärungsversuche

Über die genaue Natur der dunklen Energie kann derzeit nur spekuliert werden. Die einfachste Lösung ist, einen geeigneten Wert einer kosmologischen Konstanten zu postulieren und als gegebene und grundlegende Eigenschaft des Universums hinzunehmen.

Ein Vorschlag ist, die dunkle Energie als Vakuumenergie, die in der Quantenfeldtheorie auftritt, zu verstehen. Allerdings gibt es bislang keine überzeugenden quantitativen Herleitungen.

Alternativ wird dunkle Energie als die Wirkung eines Skalarfeldes, Quintessenz genannt, angesehen. Die Fluktuationen eines solchen Feldes breiten sich typischerweise mit fast Lichtgeschwindigkeit aus. Aus diesem Grund neigt ein solches Feld auch nicht zu gravitativem Klumpen: die Fluktuationen in überdichten Regionen strömen sehr schnell in unterdichte Regionen und führen so zu einer praktisch homogenen Verteilung. Die Elementarteilchen, welche man einem solchen Skalarfeld zuschreibt, wären überaus leicht (ungefähr 10^-82-stel der Masse eines Elektrons) und dürften – von der Gravitation abgesehen – praktisch nicht mit normaler (baryonischer) Materie wechselwirken.

Inflation und Big Rip

Dunkle Energie ist ebenfalls eine denkbare Ursache des inflationären Universums in der Frühzeit des Kosmos. Allerdings ist unklar, ob zwischen einer derartigen dunklen Energie und derjenigen, die für die derzeitig beobachtete Expansion vorgeschlagen wird, ein Zusammenhang besteht.

Für die Spätzeit des Kosmos wird ein ähnliches Szenario unter dem Namen Big Rip diskutiert.

Alternative Erklärungsversuche

Eine gänzlich andere Auflösung der Beobachtungen wird im Rahmen von Stringtheorien versucht. Hier ist die Welt aus mehr als drei Raumdimensionen und einer Zeitdimension aufgebaut. Dann ist es denkbar, dass auf großen Entfernungen die Gravitationswechselwirkung schwächer ist als nach den bestehenden Theorien. In dem Falle wäre die gesamte Gravitationsanziehung schwächer, so dass der Raum stärker als erwartet expandieren würde. (Vergleiche auch: MOND-Hypothese zur Erklärung dunkler Materie.)

Literatur

• Gerhard Börner, Matthias Bartelmann: Astronomen entziffern das Buch der Schöpfung. Physik in unserer Zeit 33(3), S. 114–120 (2002), ISSN 0031-9252