Simulation der heutigen Struktur des Universums. Die Verteilung der Dunklen Materie ist blau dargestellt.
Illustration: AP/Illustris Collaboration

Albert Einstein konnte 1915 nach jahrelanger Arbeit zwar endlich seine allgemeine Relativitätstheorie fertigstellen – aber etwas missfiel ihm noch an seinem Meisterwerk, mit dem er einen Zusammenhang zwischen Raum, Zeit, Materie und Gravitation herstellte: Es gab einen Widerspruch zwischen der Vorhersage seiner Theorie und den beobachteten Daten.

Wir schreiben das Jahr 1917, und die anerkannte Fachmeinung über die Beschaffenheit des Universums lautet: Das Universum hat keinen Anfang und kein Ende. Die Beobachtungen weisen darauf hin, dass der Kosmos statisch ist. Auch Einstein war Anhänger dieser sogenannten Steady-State-Theorie. Doch dummerweise beschrieben die Feldgleichungen seiner allgemeinen Relativitätstheorie ein Universum, das sich entweder ausdehnt oder schrumpft.

Um diese Diskrepanz aus dem Weg zu schaffen, machte sich Einstein daran, seine Gleichungen entsprechend zu adaptieren. Im Aufsatz "Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie" führte er einen zusätzlichen Term mit einer Größe ein, die er kosmologische Konstante nannte. Das war mathematisch möglich, ohne die bisherigen Voraussagen, die seine Theorie gemacht hatte, zu verändern.

Einsteins "größte Eselei"

Mit und ohne kosmologische Konstante konnte mit Einsteins Theorie etwa die Bewegung des Planeten Merkur korrekt berechnet werden. Mit den Bewegungsgleichungen von Isaac Newton war das nicht möglich gewesen. Zugleich konnte Einstein durch die kosmologische Konstante ein statisches Universum beschreiben.

Einsteins Freude über die Einführung der kosmologischen Konstante war jedoch nur von kurzer Dauer. Denn wenige Jahre später machten Beobachtungen des Astronomen Edwin Hubble klar, dass das Universum nicht statisch sein kann – sondern expandiert. In allen Himmelsrichtungen bewegen sich die Galaxien von uns weg. Und je entfernter sie sind, umso schneller fliegen sie davon. Laut seinem Kollegen George Gamow bezeichnete Einstein die Einführung der kosmologischen Konstante später daher als seine "größte Eselei" ("greatest blunder"). Wie wir heute wissen, ist die Frage nach der kosmologischen Konstante um einiges komplexer, als Einstein annahm. Mehr als hundert Jahre nach ihrer Einführung zählt sie immer noch zu den großen Rätseln der Kosmologie.

Albert Einstein im Jahr 1954.
Foto: AP

Rätselhafte 95 Prozent

Worum geht es also? Die Geschichte der Erkundung des Kosmos ist in gewisser Weise die Geschichte einer fortwährenden narzisstischen Kränkung. Zunächst mussten wir uns mit dem Gedanken anfreunden, dass die Welt keine Scheibe ist. Dann galt es zu verdauen, dass die Erde nicht im Zentrum des Universums steht. Hatten wir erst einmal die Sonne als unseren kosmischen Mittelpunkt akzeptiert, mussten wir uns von dieser Vorstellung bereits wieder verabschieden. Weder unsere Sonne noch unsere Galaxie sind einzigartig. Und damit nicht genug: Wie wir inzwischen wissen, macht die herkömmliche Materie, die wir mit unseren Teleskopen sehen – also alle Sterne und Galaxien-, gerade einmal fünf Prozent des gesamten Energiegehalts des Universums aus.

Energie und Masse sind nach Einsteins Theorie bekanntermaßen äquivalente Größen: Energie kann in Masse übergeführt werden und umgekehrt. Doch was ist mit den restlichen 95 Prozent der Energie und Masse im Universum?

Hartnäckige Verlegenheitslösung

Bei der Beobachtung von Galaxienhaufen stellte der Schweizer Astronom Fritz Zwicky 1933 fest, dass die Schwerkraft der sichtbaren Masse nicht ausreicht, um die rotierenden Galaxienhaufen beisammenzuhalten. Für die fehlende Masse prägte er den Begriff Dunkle Materie. Zu dieser Zeit war das eine wirklich verrückte Idee, und selbst heute mag es immer noch ein wenig wie eine Verlegenheitslösung erscheinen: Man macht eine Beobachtung, die man nicht erklären kann. Um das Rätsel zu lösen, postuliert man ein unsichtbares Etwas. Nichtsdestotrotz ist Zwickys Konzept der Dunklen Materie inzwischen fixer Bestandteil der Kosmologie. Physiker gehen davon aus, dass sie 25 Prozent der Gesamtenergiedichte im Universum ausmacht.

Die Spiralgalaxie Messier 101 wurde 1781 entdeckt.
Foto: NASA/JPL-Caltech/Detlef Hartmann

Einen wesentlichen Beitrag dazu, Licht in die Geheimnisse der Dunklen Materie zu bringen, leisteten die Astrophysiker Vera Rubin und Kent Ford. Es war eine heiße, klare und trockene Sommernacht im Kitt-Peak-Observatorium in den Bergen von Südarizona im Jahr 1968, als die beiden Physikgeschichte schrieben. Die Bedingungen für die Beobachtungen waren perfekt, gegen die Hitze schufen sich die Astronomen mit Eisessen zumindest ein wenig Abhilfe. Rubin und Ford waren ein langjähriges Forschungsduo – er war vor allem für die Instrumente zuständig, sie für die Interpretation der Daten.

Verblüffende Entdeckung

In jener Nacht beobachteten die beiden wieder einmal die Sterne der Andromedagalaxie, um deren Geschwindigkeit zu bestimmen. Zum ersten Mal sollte ihnen das auch gelingen. Sie konnten endlich die Rotationsgeschwindigkeit der Sterne im Zentrum der Galaxie bestimmen – im Fachjargon spricht man dabei von der Rotationskurve. Doch das Ergebnis verblüffte die Astronomen. "Am Ende dieser Nacht waren wir verwundert über die Form der Rotationskurve", erinnerte sich Rubin später.

SciShow Space

Bei sogenannten Spiralgalaxien, zu denen auch unsere Milchstraße zählt, gibt es eine große, helle Anhäufung von Sternen in der Mitte, doch es wird immer leerer, je weiter man sich nach außen bewegt. Die uns vertraute Masse ist also im Zentrum konzentriert, daher würde man erwarten, dass die äußeren Regionen der Galaxie weniger stark rotieren als die zentraleren.

Unsichtbarer Zusammenhalt

Entgegen der Annahme entdeckten Rubin und Ford jedoch, dass die Rotationskurve der Andromedagalaxie flach war, was bedeutete, dass die Sterne im Außenbereich der Galaxie mit derselben Geschwindigkeit rotierten wie die Sterne in der Nähe des Galaxienzentrums. Noch beunruhigender war, dass die äußeren Sterne so schnell rotierten, dass sie eigentlich hätten davonfliegen müssen: Die sichtbaren Sterne hatten einfach nicht genug Masse, um die Galaxie zusammenzuhalten. Gab es also eine weitere unsichtbare Masse? Zwickys Konzept der Dunklen Materie kam erneut zum Einsatz – wenn man das Phänomen schon nicht erklären konnte, so hatte man wenigstens einen Namen dafür.

Die Andromedagalaxie war die erste, bei der die fehlende Masse entdeckt wurde. Es folgten viele weitere Beobachtungen von Rubin und Ford in zahlreichen Galaxien. So trugen die beiden wesentlich zu unserem heutigen Wissen bei, dass da draußen viel mehr ist, als unsere Augen und unsere Teleskope wahrnehmen. Von einer kühnen Hypothese wurde die Dunkle Materie durch die Beobachtungen von Rubin und Ford zur anerkannten Fachmeinung. Wie wir heute wissen, brauchen wir die Dunkle Materie, um zu erklären, wie Galaxien entstanden sind, wie sie sich verhalten und auch warum sie nicht auseinanderfliegen.

Unser galaktischer Nachbar, die Andromedagalaxie.
Foto: Nasa / Lorenzo Comolli

Schwierige Spurensuche

Doch was Dunkle Materie genau ist, das ist bis heute unklar. Zumindest aber lassen sich teilweise Aussagen darüber treffen, was sie nicht ist: Sie besteht nicht aus gewöhnlichen Materieteilchen wie Protonen, Neutronen oder Elektronen. Ebenso wenig aus den Atomen, die wir kennen, geschweige denn aus den Elementen im Periodensystem. Die Dunkle Materie hat letztlich also nicht viel mit der uns vertrauten Materie zu tun, mit einer Ausnahme: Sowohl Dunkle als auch "normale" Materie üben eine Gravitationskraft aus.

Die Dunkle Materie wird trotz der zahlreichen offenen Fragen längst von der Mehrheit der Physiker akzeptiert, aber nicht alle stimmen dem Konzept zu. "Es könnte sein, dass es sich wie mit der Steady-State-Theorie verhält", so der Physik-Nobelpreisträger George Smoot. "Die Dunkle Materie wird sich dann restlos durchgesetzt haben, wenn ihre Gegner ausgestorben sind", lautet Smoots etwas makabre Prognose zum Ende der Kritik.

Die Anhänger der Dunklen Materie verfolgen einstweilen das Ziel, Dunkle Materie direkt aufzuspüren oder im Labor herzustellen und ihre Eigenschaften zu messen. Wie aussichtsreich dieses Unterfangen ist, daran scheiden sich die Geister. Einer der Optimisten in Sachen Dunkle Materie ist der theoretische Physiker und Nobelpreisträger David Gross. "Ich bin mir sicher, dass es in den nächsten zehn Jahren einen Nobelpreis für Dunkle Materie geben wird", sagte er kürzlich bei einer Diskussion zum dunklen Universum bei der Nobelpreisträgertagung in Lindau am Bodensee.

Enigmatische Energie

Das dunkle Universum? Das Phänomen der Dunklen Materie ist zwar schon ziemlich rätselhaft, noch weitaus mysteriöser ist allerdings ein anderer Bestandteil des Universums – die sogenannte Dunkle Energie. Sie macht mit 70 Prozent den Hauptteil der Energie im Universum aus. Doch während wir die Dunkle Materie wenigstens indirekt über vielfältige Methoden beobachten können, fehlen uns für die Dunkle Energie so gut wie alle Anhaltspunkte.

Aber warum wissen wir dann überhaupt, dass sie da ist? Ziemlich genau 30 Jahre nach den Entdeckungen von Rubin und Ford machten sich US-Astronomen daran, etwas zu messen, von dem sich niemand eine Überraschung erwartete. Es ging um die Expansionsrate des Universums, und darum, wie sie sich im Laufe der Zeit verändert – und man nahm an zu wissen, was dabei herauskommen würde.

Angst vor peinlichem Fehler

Denn die Fachmeinung lautete, dass sich das Universum mit der Zeit immer langsamer ausdehnen müsste, denn schließlich wirkt die Gravitationskraft der Expansion entgegen. Doch als die Astronomen Adam Riess, Brian Schmidt und Saul Perlmutter mit neuen Messmethoden bestimmen wollten, was die aktuelle Expansionsrate des Universums ist und mit welcher Rate es sich früher ausdehnte, zeigten ihre Resultate genau das gegenteilige Ergebnis: Die Expansion des Universums nahm mit der Zeit nicht ab, sondern zu. Anders gesagt: Das Universum dehnt sich mit zunehmender Geschwindigkeit aus!

Zunächst gingen die Astronomen davon aus, dass ihnen ein peinlicher Messfehler passiert sein musste. "Adam und ich diskutierten darüber, wie vertrottelt wir waren und wo wir uns geirrt hatten", berichtete Schmidt bei der Lindauer Nobelpreisträgertagung. Nach einigen Monaten, Anfang 1998, sei aber klar gewesen, dass das Universum tatsächlich beschleunigt expandiert. "Wir hatten unser Ergebnis gründlich und systematisch geprüft. Wenn man in seiner Arbeit an einen Punkt gelangt, wo man trotz peniblen Vorgehens ein Resultat erzielt, das gegen die besten Annahmen geht, muss man mit seinem Ergebnis hinausgehen und hoffen, dass man nicht zu sehr ausgelacht wird und keinen dummen Fehler gemacht hat", blickt Riess auf die Veröffentlichung zurück.

Interesse statt Hohn

Im Gegensatz zu früheren Experimenten, um die Expansionsrate des Universums zu bestimmen, hatten Riess, Schmidt und Perlmutter Ende der 1990er-Jahre neue technische Methoden zur Verfügung, um die Distanz von weit entfernten Supernovae zu bestimmen. Es handelt sich dabei um das helle Aufleuchten von massereichen Sternen am Ende ihrer Lebenszeit. Zum ersten Mal konnten die Physiker digitale Detektoren mit zwei und später vier Megapixel verwenden. Diese Technik war rund hundertmal effizienter als der Analogfilm, der zuvor für derartige Beobachtungen verwendet worden war, wie Schmidt berichtet.

Der massereiche Doppelstern Eta Carinae steuert auf sein gewaltiges Ende zu. In wenigen Millionen Jahren wird er in einer Supernova explodieren.
Foto: ESA/NASA

Die Fachwelt nahm das überraschende Ergebnis mit viel Interesse und ohne Hohn auf. "Die theoretischen Physiker waren sehr begeistert davon, die Experimentalphysiker waren etwas skeptischer, aber auch sie lachten uns nicht aus", sagt Schmidt. Der theoretische Astrophysiker Michael Turner prägte bald einen neuen Begriff, um das mysteriöse Phänomen zu beschreiben: In Anlehnung an Fritz Zwickys Vorschlag nannte Turner die unbekannte Kraft, die das Universum immer schneller auseinandertreibt, Dunkle Energie.

Nach heutigen Schätzungen macht die Dunkle Energie rund 70 Prozent des Gesamtenergiegehalt des Universums aus – sie ist daher der wichtigste und größte Bestandteil des Kosmos. Umso unerfreulicher ist es für Physiker, dass wir bisher noch kaum etwas Konkretes darüber wissen.

Monster in der Dunkelheit

Selbst für eminente Astrophysiker wie Adam Riess, der sich seit Jahrzehnten mit der Dunklen Energie befasst und am Anfang ihrer Entdeckungsgeschichte stand, ist das dunkle Universum wie "Monster in einem dunklen Raum, in die wir hineinlaufen", wie er im Interview mit dem STANDARD erzählt.

STANDARD: Was wissen wir bisher über das Dunkle Universum?

Riess: Das dunkle Universum bedeutet für mich, das Universum durch Gravitation zu sehen und nicht durch Licht. Wenn man eine Kreatur ist, die das Universum verstehen will und die sich ihre Augen aussuchen kann, sollte man möglicherweise lieber Gravitationsaugen wählen als Lichtaugen. Das meiste, was wir im Universum sehen, sehen wir durch die Gravitation. Dunkle Materie sehen wir, weil sie die Rotation von Galaxien beschleunigt. Und weil Cluster von Galaxien mehr zusammenhalten, als sie das ohne Dunkle Materie sollten. Dunkle Energie sehen wir durch die beschleunigte Ausdehnung des Universums. Das dunkle Universum ist wie Monster in einem dunklen Raum, die nicht gesehen werden können, man hört nur ihre Laute, und manchmal läuft man in sie hinein. Es ist jedenfalls sehr wichtig, dass wir unser Wissen über das dunkle Universum testen. Überraschungen sind sehr wahrscheinlich. Wir leben in einer besonderen Zeit!

STANDARD: Sie haben den Nobelpreis für Ihre Beiträge bekommen, dass das Universum beschleunigt expandiert. Wie sind Sie darauf gestoßen?

Riess: Wir haben die frühere Expansionsrate des Universums mit der heutigen verglichen. Jeder dachte, dass die Expansion zurückgehen würde wegen der Gravitation, aber wir haben gesehen, dass sie sich beschleunigt. Das war ein großer Schock. Es deutet darauf hin, dass etwas existiert, das sehr anders agiert als Materie. Anstatt der Gravitation, die Materie hat, wirkt es wie eine abstoßende Gravitation. Dieses Etwas wurde Dunkle Energie genannt. Es könnte etwas sehr Ähnliches sein wie das, das Einstein die kosmologische Konstante genannt hat.

World Science U

Doch keine Eselei?

Eine Stoßrichtung der Überlegungen lautet, dass die Dunkle Energie mit Einsteins Überlegungen zu seiner "größten Eselei" zu tun hat. Möglicherweise ist sie dasselbe Phänomen, das Einstein mit der kosmologischen Konstante beschrieben hatte. Denn wie sich zeigte, ist die Theorie der kosmologischen Konstante gut kompatibel mit den Daten, die zur beschleunigte Expansion des Universums erzielt worden sind. Physiker haben daraus bereits ein eigenes kosmisches Modell entwickelt, das sogenannte Lambda-CDM-Modell. Dieses erlaubt, die Entwicklung des Universums seit dem Urknall mit sechs Parametern zu beschreiben. Das macht es zum einfachsten kosmologischen Modell, das auch mit den Messresultaten in Übereinstimmung ist. Das Lambda-CDM-Modell wird daher als Standardmodell der Kosmologie bezeichnet.

Wenn die kosmologische Konstante tatsächlich hinter der beschleunigten Expansion des Universums steht, zieht Einsteins Vorschlag einen weiteren Kreis: Ursprünglich hatte er sie eingeführt, um mit seiner Theorie ein statisches Universum zu beschreiben. Dann hatte er sie verworfen, um ein expandierendes Universum zu ermöglichen. Jahrzehnte später wurde sie wieder rehabilitiert, weil sie mit neuen Daten zur beschleunigten Expansion des Universums in Übereinstimmung stand.

Darstellung der Expansion des Universums.
Illustration: NASA/Goddard Space Flight Center

Wenn dem tatsächlich so ist, sollte es allerdings auch möglich sein, ihren exakten Wert zu bestimmen, was bisher allerdings noch nicht gelungen ist. "Es ist eine Zahl, die sehr nahe bei null ist, in der Größenordnung von 10^-120", sagt David Gross. "So eine Zahl kann man nur sehr schwer verstehen, und es ist eine unserer größten Herausforderungen, sie zu verstehen."

Da außer der beschleunigten Expansion des Universums keine weiteren direkten oder indirekten Beobachtungen bekannt sind, liegen die physikalischen Eigenschaften der Dunklen Energie bisher weitgehend buchstäblich im Dunkeln. Ihre wichtigste physikalische Eigenschaft ist, dass sie so etwas wie eine negative Gravitationskraft beziehungsweise eine Abstoßung ausübt – ein Effekt, der weder von der Dunklen noch von der "normalen" Materie bekannt ist.

Auch Planeten haben Haare, doch da sie aus Dunkler Materie sind, sehen wir sie nicht. Im Bild: die Frisur der Erde.
Illustration: NASA/JPL-Caltech

Immer Ärger mit Hubble

Es wird aber noch mysteriöser: Neue Hinweise sprechen immer stärker dafür, dass wir auf ein offenbar fundamentales Problem stoßen, wenn wir die aktuelle Expansionsrate des Universums bestimmen wollen. Diese wird im Fachjargon als Hubble-Konstante bezeichnet.

Bisher verfolgen Forscher zwei Strategien, um die Expansionsrate des Universums zu messen: Einerseits kann die Hubble-Konstante aus der Energie und Struktur der kosmischen Hintergrundstrahlung errechnet werden. Als das Universum expandierte, dehnte sich auch diese Urzeit-Strahlung aus, was sie zur Zeugin der Expansion macht. Der Satellit Planck der europäischen Raumfahrtorganisation Esa hat die kosmische Hintergrundstrahlung mit hoher Genauigkeit gemessen. Daraus lässt sich eine Hubble-Konstante von 67,4 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec ermitteln. Parsec ist eine astronomische Einheit, die etwa 3,26 Lichtjahren oder 30,9 mal 1015 Metern entspricht.

Der Supernovaüberrest G292.0+01.8 im Sternbild Zentaur.
Foto: REUTERS / Nasa

Andererseits kann die Hubble-Konstante durch die Messung von Supernovae bestimmt werden. Das ist jener Weg, den Adam Riess seit Jahren mit seiner Gruppe verfolgt. Bei der Bestimmung der Hubble-Konstante mithilfe von Supernovae kamen Physiker hingegen immer wieder auf einen Wert von 74,22 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec mit einem Fehlerbalken von nur 1,91 Prozent.

Dieser Wert ist also höher als jener, der mittels der kosmischen Hintergrundstrahlung bestimmt worden war. Immer und immer wieder wurden die Messungen wiederholt, doch die Diskrepanz konnte nicht ausgeräumt werden. Zuletzt wurde auch noch eine dritte Messmethode, basierend auf Roten Riesen, vorgestellt. Das Team um die Astrophysikerin Wendy Freedman gab kürzlich bekannt, dass sie mit ihrer Methode einen Wert für die Hubble-Konstante von 69,8 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec erzielte. Mittlerweile haben sich für das Problem die Bezeichnungen "Hubble Trouble", "Hubble Tension" oder "Hubble Constant Problem" eingebürgert.

Hinweise auf eine neue Physik

Zunächst dachten die Forscher noch, dass es an einem systematischen Messfehler der einen oder anderen Bestimmungsmethode liegen müsse. Doch die letzten Veröffentlichungen der Teams in diesem Sommer mit noch genaueren Messungen bestätigten die Diskrepanz erneut. "Ich denke, wir haben diesen Sommer den Punkt erreicht, wo die Diskrepanzen zu groß sind, um ignoriert werden zu können. Mein Gefühl ist, dass da definitiv etwas vor sich geht, was wir bisher übersehen haben", so Charles Bennett, Physiker an der Johns-Hopkins-Universität in Baltimore, der kürzlich bei einer Tagung zum Erbe von Kurt Gödel zu Gast an der Universität Wien gewesen ist.

Für ihn verweist der langjährige Hubble Trouble auf eine neue, noch unbekannte Physik. "Es ist eine rätselhafte Situation, und die Leute wissen nicht wirklich, mit welcher Theorie wir hier weiterkommen könnten. Wenn uns die Daten zeigen, dass uns etwas fehlt, dann muss uns wirklich etwas fehlen", sagt Bennett.

Dass wir bisher nur so wenige Anhaltspunkte über die Dunkle Energie haben, ist insofern bedauerlich, weil sie die entscheidende Größe ist, wenn es um unser langfristiges Schicksal geht. Ob das Universum letztlich in sich zusammenfällt oder alles auseinanderfliegt, hängt entscheidend von den Eigenschaften der Dunklen Energie ab. Die bisherigen Beobachtungen lassen zumindest einige Spekulationen zu, wie Adam Riess ausführt:

Adam Riess, geboren 1969, ist Astrophysiker an der Johns Hopkins University in Baltimore. Für die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums erhielt er 2011 mit Brian Schmidt und Saul Perlmutter den Nobelpreis für Physik. Gemeinsam mit seinem Team konnte Riess die Ausdehnung des Universums mehr als zehn Milliarden Jahre zurückverfolgen.
Foto: Getty Images / Mark Wilson

STANDARD: Welche Folgen hat die Dunkle Energie auf die Zukunft unseres Universums?

Riess: Bevor wir die Dunkle Energie nicht verstehen, ist es schwer, sicher zu sein, wie die Zukunft unseres Universums aussieht. Durch die beschleunigte Ausdehnung wissen wir, dass es offenbar eine Energie im leeren Raum gibt, die wir noch nicht kennen. Wir wissen nicht einmal, ob sich diese Energie mit der Zeit verändert. Doch das müssten wir wissen, um eine gesicherte Aussage über die Zukunft des Universums machen zu können. Um Dunkle Energie wirklich verstehen zu können, brauchen wir womöglich eine Quantentheorie der Gravitation, nach der die theoretischen Physiker schon seit vielen Jahren suchen. Momentan scheint es am wahrscheinlichsten, dass die Expansion des Universums immer weitergeht.

STANDARD: Welche Szenarien könnten sich daraus für das Universum ergeben?

Riess: Es könnten sich zwei interessante Szenarien ergeben. Das erste wird Big Rip genannt, wo wir mehr Dunkle Energie pro Volumen bekommen als Bindungsenergie von irgendetwas sonst. Das könnte alles auseinanderreißen, wenn die Dunkle Energie stärker wird. Wenn sie aber schwächer wird oder sich sogar zu etwas Anziehendem verwandelt, könnte sie das Universum wieder zum Kollabieren bringen. Wir haben keine Evidenzen für eines dieser Szenarien, es sind nur theoretische Möglichkeiten.

STANDARD: Um die Expansion des Universums anschaulich zu machen, wird manchmal die Analogie eines Luftballons verwendet, der aufgeblasen wird. Was halten Sie von diesem Bild?

Riess: Es ist gut, aber ich bevorzuge momentan einen großen Laib Rosinenbrot.

STANDARD: Rosinenbrot?

Riess: Ich hoffe, ihr mögt Rosinenbrot. Denn wenn ich sage "groß", dann ist das möglicherweise ein unendlich großes Rosinenbrot, das immer weiter aufgeht. Die Galaxien sind wie die Rosinen – wenn der Teig zwischen ihnen aufgeht, driften sie immer weiter auseinander. Es ist außerdem egal, auf welcher Rosine man sich befindet: Alle anderen Rosinen bewegen sich von einem fort. Der Ballon war eine wirklich gute Analogie, solange wir dachten, dass das Universum gekrümmt ist. Die letzten Daten haben aber gezeigt, dass der Raum relativ flach ist. Ich mag daher inzwischen lieber das Rosinenbrot.

STANDARD: Was spricht dafür, dass der Raum unendlich ist, oder um in der Analogie zu bleiben, das Rosinenbrot unendlich groß?

Riess: Wenn wir in den Teig des Rosinenbrots hineinschauen, ergibt sich die maximale Ferne, in die wir sehen können, durch die Lichtgeschwindigkeit mal dem Alter des Universums. Weiter können wir nicht blicken, wir nennen das den Horizont. Was wir in dieser Entfernung sehen, ist immer noch Rosinenbrot. Es ist eine metaphysische Frage, wenn man wissen will, was hinter dem Horizont ist – denn hinter den Horizont können wir prinzipiell niemals blicken.

STANDARD: Wie kann man sich eine Unendlichkeit vorstellen, die immer weiter wächst? Wo sollte sie hinwachsen, wenn sie selbst schon unendlich ist?

Riess: Als ich ein Kind war, gab mir mein Vater folgendes Rätsel auf: Was ist größer als die Unendlichkeit? Ich hatte gerade die Definition von Unendlichkeit gelernt und sagte: "Nichts ist größer als die Unendlichkeit." Er sagte: "Doch. Die Unendlichkeit + 1." Das expandierende Universum ist die Unendlichkeit + 1. Es kommt etwas dazu zu etwas, das womöglich bereits unendlich ist.

STANDARD: Wenn sich die Galaxien immer weiter von uns entfernen, werden wir dann irgendwann weniger Sterne am Himmel sehen?

Riess: Wenn das Universum weiter so expandiert, wie wir momentan annehmen, dann dehnt es sich irgendwann schneller aus als Licht. Man müsste sich also schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, um eine Galaxie weiterhin zu sehen. Das bedeutet, dass der Horizont schrumpfen wird. Im beschleunigt expandierenden Universum fallen irgendwann Galaxien aus dem Horizont heraus. Letztlich werden wir nicht mehr in der Lage dazu sein, irgendetwas zu sehen außer eine Handvoll Galaxien, die durch die Gravitation an uns gebunden sind wie die Andromedagalaxie.

STANDARD: Das ist aber ein einsamer Ausblick.

Riess: Ja, es ist wirklich traurig!

STANDARD: Wann könnte es so weit sein?

Riess: In ungefähr 30 Milliarden Jahren. Wenn wir mehr über die Dunkle Energie herausgefunden haben, könnte es aber auch sein, dass wir draufkommen, dass sich alles doch anders entwickeln wird, als wir derzeit annehmen.

Mitte Juli 2019 startete das deutsche Röntgenteleskop Erosita ins All. Die Beobachtungsdaten sollen Licht ins Dunkle Universum bringen.
Illustration: Roscosmos/DLR/SRG/Lavochkin

Letzte Hoffnung

Anders könnte man auch sagen: Das weitgehende Unwissen über die Dunkle Energie ist bisher noch unsere größte Hoffnung, dass wir nicht in einem dunklen, einsamen Universum enden werden. Und natürlich die Tatsache, dass unserer Sonne ohnehin nur eine Lebenserwartung von weiteren sechs Milliarden Jahren vorhergesagt wird. Falls wir also bis dahin nicht schon eine multiplanetare Spezies sind, die auch in anderen Sonnensystemen siedelt, bekommen wir von der großen Dunkelheit ohnehin nichts mehr mit.

Die Tatsache, dass letztlich die Zukunft von allem davon abhängt, erklärt auch, warum Hubble Trouble und die Dunkle Energie aktuell zu den größten ungelösten Fragen der Physik zählen – freilich auch deswegen, weil Letztere den Großteil der Energie des Universums ausmacht. Doch wie können wir weitere Erkenntnisse darüber gewinnen?

Ein neuer kosmischer Sinn

Eine Möglichkeit, die sich erst in den vergangenen paar Jahren aufgetan hat, sind Gravitationswellen. Auch dabei handelt es um eine theoretische Vorhersage von Albert Einstein. Auch hier hat er seine eigene Idee mehrfach verworfen und dann wieder bejaht. Sein letztes Wort in Sachen Gravitationswellen lautete dann: Und sie existieren doch, aber wir werden sie nie beobachten können. Mit letzterer Einschätzung sollte er sich abermals irren.

Worum geht es? Als Folge seiner allgemeinen Relativitätstheorie leitete Einstein ab, dass beschleunigte Massen Störungen in der Struktur von Raum und Zeit verursachen könnten. Diese würden sich wellenförmig mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Bereits in den 1950er-Jahren versuchte der US-Physiker Joseph Weber, sie mithilfe von Aluminiumzylindern nachzuweisen. Seine vermeintlich erfolgreiche Detektion stellte sich aber später als Trugschluss heraus.

Einer der beiden Standorte des Ligo-Gravitationswellenobservatoriums befindet sich in Hanford, Washington.
Foto: Caltech/MIT/LIGO Lab

Die erste tatsächliche Messung von Gravitationswellen wurde erst im Februar 2016 bekanntgegeben. Forscher des US-Gravitationswellenobservatoriums Ligo hatten 50 Jahre lang die entsprechenden Gerätschaften. Die ersten detektierten Gravitationswellen waren bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher vor 1,3 Milliarden Jahren entstanden. Insgesamt können solche Ereignisse im Schnitt alle eineinhalb Wochen gemessen werden.

Auch mittels Gravitationswellenmessungen lässt sich ein Wert für die Hubble-Konstante ermitteln. Momentan ist dieser noch zu ungenau, um ihn seriöserweise mit den anderen beiden Messungen vergleichen zu können. Es besteht aber die Hoffnung, dass Gravitationswellen in den nächsten Jahren ebenfalls einen präzisen Wert für die Hubble-Konstante liefern könnten. Sie könnten die eine oder andere Messung bestätigen oder überhaupt ganz neue Hinweise liefern. Obwohl Adam Riess nicht mit Gravitationswellen arbeitet, setzt er große Hoffnungen in dieses neue Fenster zum Kosmos.

STANDARD: Denken Sie, dass uns Gravitationswellen erlauben werden, noch mehr über das Dunkle Universum herauszufinden?

Riess: Ja, ich wäre überrascht, wenn es anders wäre. Denn es ist so eine wirkungsvolle Technik und ein neues Fenster in den Kosmos. Es ist fast wie ein sechster Sinn, der zu den fünf Sinnen, die wir haben, dazukommt. Wenn man sich fragt: Werde ich viel dadurch lernen, ist die Antwort: Natürlich, jeder unserer Sinne lehrt uns so viel über die Welt.

STANDARD: Woher kommen wir?

Riess: Die dunkle Seite des Universums erlaubt uns aber nicht nur, physikalisch informierte Spekulationen über die Zukunft des Universums anzustellen. Dunkle Energie und Dunkle Materie waren auch die treibenden Kräfte dafür, dass die Galaxien, wie wir sie heute kennen, entstanden sind, unser Sonnensystem, der Planet Erde und schließlich das Leben auf der Erde und wir. Darüber hat die Astronomie bereits erstaunlich vieles und Detailliertes herausgefunden, wie Riess zu berichten weiß.

STANDARD: Nachdem wir bereits viel über die Zukunft des Kosmos gesprochen haben: Können wir noch einen Blick in die Vergangenheit werfen, bis zum Ursprung des Universums?

Riess: Klar, ich muss aber sagen: Ich bin nicht dabei gewesen.

STANDARD: Möglicherweise wissen Sie trotzdem über unsere besten Theorien über die ersten Sekunden des Universums Bescheid?

Riess: Wir sind mit unserer Kosmologie sehr gut darin, in der Zeit zurückzublicken und zu beschreiben, was sich einmal ereignet hat, denn es folgt alles den normalen Regeln der Physik. Wenn man aber zurück bis 10-34 Sekunden nach dem Urknall schaut, sind die Energieskalen so groß, dass man eine Quantentheorie der Gravitation bräuchte, um die Vorgänge zu beschreiben. Was in den ersten 10-34 Sekunden nach dem Urknall passiert ist, wissen wir daher nicht genau. Das Universum muss in dieser Zeitspanne jedenfalls unvorstellbar heiß und unglaublich dicht gewesen sein, mit unvorstellbar hohen Energien. Die Dinge haben sich wahnsinnig schnell auseinanderbewegt. Das Universum hat sich in winzigen Bruchteilen einer Sekunde immer und immer wieder verdoppelt.

STANDARD: Wie konnten letztlich auch wir aus dieser heißen, dichten Brühe entstehen?

Riess: Das Universum war in diesem frühen Stadium ziemlich gleichförmig, aber es gab winzige Fluktuationen, wo es ein wenig dichter war. Dann hat sich ein Prozess ereignet, den man als Geschichte von Reichen, die immer reicher werden, und Armen, die immer ärmer werden, bezeichnen könnte: Regionen, die etwas dichter waren, waren erfolgreicher, noch mehr Materie anzuziehen. Den Regionen, die weniger dicht waren, ist dadurch Masse verlorengegangen. Durch diesen Prozess entstanden an manchen Orten Galaxien, an anderen Leere. (Tanja Traxler, David Rennert, 16.9.2019)