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Dunkle Energie

hypothetische Form der Energie in der Kosmologie

Als Dunkle Energie wird in der Kosmologie eine hypothetische Form der Energie bezeichnet. Die Dunkle Energie wurde als eine Verallgemeinerung der kosmologischen Konstanten eingeführt, um die beobachtete beschleunigte Expansion des Universums zu erklären. Der Begriff wurde 1998 von Michael S. Turner geprägt.

Die physikalische Interpretation der Dunklen Energie ist weitgehend ungeklärt und ihre Existenz ist experimentell nicht direkt nachgewiesen. Die gängigsten Modelle bringen sie mit Vakuumfluktuationen in Verbindung. Die physikalischen Eigenschaften der Dunklen Energie lassen sich durch großräumige Kartierung der Strukturen im Universum untersuchen, beispielsweise durch die Verteilung von Galaxien und Galaxienhaufen. Entsprechende astronomische Großprojekte befinden sich in Vorbereitung.

BeobachtungBearbeiten

 
Materie- und Energie-Anteil des Universums zum jetzigen Zeitpunkt (oben) und zur Entkopplungszeit (unten), 380.000 Jahre nach dem Urknall. (Beobachtungen der WMAP-Mission u. a.).[1] Die Bezeichnung „Atome“ steht für „normale Materie“.

Nachdem die Expansion des Universums durch die Beobachtung der Rotverschiebung der Galaxien als etabliert galt, 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 Gravitation verlangsamt wird; Messungen sollten diese Verlangsamung quantifizieren.

Die Messungen, die im Wesentlichen auf Entfernungsbestimmungen weit entfernter Supernovae vom Typ Ia basierten, ergaben entgegen den Voraussagen, die sich aus den bis dahin gültigen Annahmen ableiten ließen, eine Zunahme der Expansionsgeschwindigkeit. Diese unerwartete Beobachtung wird seither auf eine unbestimmte Dunkle Energie zurückgeführt. In den Modellen besteht das Universum zum gegenwärtigen Zeitpunkt, ca. 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall, zu 68,3 % aus Dunkler Energie, 26,8 % aus Dunkler Materie und zu 4,9 % aus der sichtbaren, baryonischen Materie.[2] In der Frühzeit des Universums, zum Zeitpunkt der Entkopplung der Materie von der Hintergrundstrahlung, war die Zusammensetzung noch wesentlich anders (siehe Diagramm rechts).[3]

Die Existenz einer Dunklen Energie könnte auch 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 der gravitativen Anziehung zwischen den Galaxien ergibt sich aber, dass Dunkle Materie maximal 30 % der erforderlichen Materie sein kann.

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

Theoretischer HintergrundBearbeiten

Die akzeptierte Theorie zur großräumigen Entwicklung des Kosmos ist die allgemeine Relativitätstheorie (ART). In der Diskussion um die Expansion oder Kontraktion des Universums bewirkt die Materie durch ihre Gravitationswirkung eine Verlangsamung der Expansion; die kosmologische Konstante (sofern sie positiv ist) beschreibt dagegen eine beschleunigte Expansion und, sofern sie auf großen Skalen gegenüber der Krümmung dominiert, ein flaches Universum.

Die beobachtete Beschleunigung der Expansionsbewegung bedeutet, dass eine Beschreibung durch die kosmologische Konstante sinnvoll ist. Zuvor war sie nur eine Ad-hoc-Konstruktion, die bei der heuristischen Ableitung der einsteinschen Feldgleichungen nicht ausgeschlossen werden konnte.

Eines der ersten kosmologischen Modelle, das auf Albert Einstein zurückgeht, beschreibt ein statisches, nicht expandierendes Universum. Im Rahmen dieses Modells besitzt die kosmologische Konstante einen Wert ungleich null. Die kosmologische Konstante entspricht einer Energie des Vakuums, die der Gravitation der im Universum enthaltenen Materie entgegenwirkt. Nachdem entdeckt wurde, dass das Universum nicht statisch ist, sondern expandiert, ging auch Einstein dazu über, die kosmologische Konstante gleich null zu setzen. Dennoch wurden in der Literatur auch weiterhin Modelle diskutiert, in denen die kosmologische Konstante einen von null verschiedenen Wert besitzt, beispielsweise im Lemaître-Universum (Inflexionsmodell).

Ein weiteres Problem war, dass die Annahme einer Vakuumenergie in der Quantenfeldtheorie Beiträge zum Energie-Impuls-Tensor lieferte, die einem außerordentlich hohen Wert der kosmologischen Konstante entsprachen, was nicht beobachtet wurde (Problem der kosmologischen Konstante).

ErklärungsversucheBearbeiten

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 fast mit 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, die man einem solchen Skalarfeld zuschreibt, wären überaus leicht (ungefähr 10−82 Elektronenmassen) und dürften, von der Gravitation abgesehen, praktisch nicht mit normaler (baryonischer) Materie wechselwirken.[4]

InflationBearbeiten

Dunkle Energie und die damit verbundenen Felder sind ebenfalls eine denkbare Ursache der Inflation in der Frühzeit des Kosmos. Allerdings ist unklar, ob zwischen einer derartigen Dunklen Energie und derjenigen, die für die derzeit beobachtete Expansion vorgeschlagen wird, ein Zusammenhang besteht.

Aktuelle ForschungsprojekteBearbeiten

Neuere Forschungsprogramme werden unter anderem mit der Hyper Suprime-Cam des Subaru-Teleskops und im Rahmen des Dark Energy Survey mit der DECam des Victor-M.-Blanco-Teleskops durchgeführt.[5][6][7][8] Der Start des Weltraumteleskops Euclid war für 2019 geplant,[9] wurde aber auf 2020 verschoben.[10][11] Das Hauptinstrument ist das vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik entwickelte eROSITA, das am 13. Juli 2019[12] im russischen Satelliten Spektr-RG mit einer Proton-Rakete gestartet ist. Mit den geplanten Experimenten hoffen die Forscher, der Natur der Dunklen Energie auf die Spur zu kommen.[13]

LiteraturBearbeiten

  • Gerhard Börner, Matthias Bartelmann: Astronomen entziffern das Buch der Schöpfung. In: Physik in unserer Zeit. Weinheim 33.2002,3, S. 114–120. ISSN 0031-9252.
  • Harald Lesch, Jörn Müller: Kosmologie für helle Köpfe – Die dunklen Seiten des Universums. Wilhelm Goldmann, München 2006. ISBN 3-442-15382-4.
  • Welt der Wunder. Stuttgart 2008, 2, S. 24.
  • Sidney C. Wolff, Tod R. Lauer: Observing dark energy. Astronomical Soc. of the Pacific conference series. Bd 339. San Francisco Calif. 2005. ISBN 1-58381-206-7.
  • Luca Amendola u. a.: Dark energy – theory and observations. Cambridge Univ. Pr., Cambridge 2010, ISBN 978-0-521-51600-6.
  • Helge Kragh, James M. Overduin: The weight of the vacuum – a scientific history of dark energy. Springer, Heidelberg 2014, ISBN 978-3-642-55089-8.

WeblinksBearbeiten

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Nach den Daten des PLANCK-Weltraumteleskops (ESA, 21. März 2013) ergeben sich im Vergleich zu WMAP leicht korrigierte Werte: Sichtbare Materie: 4,9 %, Dunkle Materie: 26,8 %, Dunkle Energie: 68,3 %, Alter des Weltalls: 13,82 Milliarden Jahre, Planck reveals an almost perfect Universe. Abgerufen am 9. Oktober 2013.
  2. Rüdiger Vaas: Das neue Bild des alten Universums, Bild der Wissenschaft Online, 21. März 2013. Nach den Daten der Planck-Mission.
  3. Zusammenfassung der WMAP-Daten der NASA zu den Energie-Anteilen im Universum in einem Diagramm (2008).
  4. Andreas Müller: Dunkle Energie. August 2007. Abgerufen im Januar 2017.
  5. New instrument increases Subaru Telescope’s field of view sevenfold. Bei: Phys.org. 13. September 2012 (englisch).
  6. Cameras to focus on dark energy. Bei: Nature.com. 12. September 2012 (englisch).
  7. The Dark Energy Survey. Englische Wikipedia, abgerufen am 14. September 2012.
  8. Additional Information about DECam. (Memento des Originals vom 24. September 2012 im Internet Archive)   Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.darkenergysurvey.org Bei: DarkEnergySurvey.org. 2012 (englisch).
  9. Auf der Suche nach Dunkler Energie: Das neue Weltraumteleskop Euclid. Bei: DLR.de. 20. Juni 2012.
  10. Späheinsatz im All: Esa genehmigt Weltraumteleskop Euclid. Bei: Handelsblatt.com. 20. Juni 2012.
  11. Franziska Konitzer: Dunkler Kosmos. Die anderen 96 Prozent. Bei: Spektrum.de. 9. Januar 2013.
  12. eROSITA - Die Jagd nach der Dunklen Energie
  13. Hochenergie-Astrophysik Gruppe am MPE: EROSITA. 2016. Abgerufen im Januar 2017.