Dunkle Energie

Als dunkle Energie wird in der Kosmologie eine bislang hypothetische Form der Energie bezeichnet. Diese Energie wird für eine beobachtete zunehmende Expansion des Universums verantwortlich gemacht. "Dunkel" bezieht sich darauf, dass die Träger dieser Energie nicht 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 einen Teil der dunklen Materie des Universums darstellt.

Beobachtung

Nachdem die Expansion des Weltalls durch die Beobachtung der Rotverschiebung der Galaxien als etabliert gilt, wurden detailiertere 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 Gravtationsanziehung 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 70% der im Universum enthaltenen Energie darstellen; die restlichen 30% sind demnach normale (d. h. 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 (d. h. im Wesentlichen euklidische) Geometrie zu geben; sie stellt nur 2-5% der notwendigen Masse. Aus Beobachtungen zur gravitationellen Anziehung zwischen den Galaxien ergilt 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.

Die dunkle Energie würde auch gut in Modelle zur Strukturbildung im Universum passen.

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 kontrahierende Wirkung; die kosmologische Konstante beschreibt eine Expansion.

Die beobachtete Beschleunigung der Expansionsbewegung bedeutet effektiv, 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 mal leichter als ein Elektron) und dürften - von der Gravitation abgesehen - praktisch nicht mit normaler (baryonischer) Materie wechselwirken.

Inflation

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.