Astronomie Universum auf Achterbahnfahrt

Seit längerem haben die Astronomen Hinweise darauf, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt, angetrieben von einer mysteriösen dunklen Energie. Unklar war allerdings bislang, ob das schon zu allen Zeiten so war. Jetzt hat eine internationale Forschergruppe unter Leitung von Nicolás Busca von der Université Paris-Diderot erstmals die Expansionsrate im frühen Universum bestimmen können. Ihr Ergebnis bestätigt die Vermutung, dass sich das Weltall in einer weit zurückliegenden Epoche anders ausdehnte als heute.

Im Grunde wäre zu erwarten, dass die Expansion des Kosmos, die mit dem Urknall als ursprünglichem Ereignis ihren Anfang nahm, im Laufe der Zeit immer langsamer würde. Denn wie ein senkrecht nach oben geworfener Stein im Schwerefeld der Erde abgebremst wird und wieder zur Oberfläche fällt, so sollten sich die Galaxien unter der Schwerkraft des Universums allmählich zumindest langsamer voneinander entfernen. Ob es bei diesem Szenario irgendwann auch zu einer Umkehr dieser Expansion und schließlich gar zu einem finalen Kollaps kommen würde, wurde von den Kosmologen noch vor einigen Jahrzehnten heftig diskutiert.

Sterne explodieren allzu hell 

Doch spätestens seit Mitte der neunziger Jahre haben die Wissenschaftler solche Überlegungen zu den Akten gelegt. Damals sind ferne Supernova-Ereignisse als erkennbar zu hell entlarvt worden. Die explodierenden Sterne konnten nicht so weit entfernt sein, wie man aus den Rotverschiebungswerten ableitete. Offenbar galt der von dem amerikanischen Astronomen Edwin Hubble vor mehr als achtzig Jahren erkannte Zusammenhang zwischen der Rotverschiebung von Galaxien und deren Entfernung nur in der „näheren“ räumlichen und zeitlichen Umgebung des Betrachters.

Die kosmische Zeitverschiebung

Die Messungen an fernen Supernovae zeigten indes klar, dass sich die Expansion des Universums irgendwann in der Vergangenheit beschleunigt hatte. Offenkundig hatte man mit den gemessenen, „lokalen“ Rotverschiebungswerten die Abstände weit entfernter Objekte überschätzt. Ob sich auch ferne Bereiche des Universums inzwischen schneller ausdehnen, ist dagegen bislang offen - auch wenn der überwiegende Teil der Wissenschaftler davon überzeugt ist. Denn es gibt eine Schwierigkeit: Regionen im Universum, die zum Beispiel acht Milliarden Lichtjahre von uns entfernt sind, sehen wir heute wegen der entsprechend langen Laufzeit des Lichtes so, wie sie vor acht Milliarden Jahren ausgesehen haben. Was dort vor sechs Milliarden Jahren geschah, wird hier erst in zwei Milliarden Jahren zu beobachten sein.

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Doch auch die Messung der anfänglichen Expansionsgeschwindigkeit im frühen Universum - also in Entfernungen von acht oder zehn Milliarden Lichtjahren - ist nicht trivial. Denn Galaxien, die weiter als fünf Milliarden Lichtjahre entfernt sind, sind für viele Teleskope zu lichtschwach, um genügend spektroskopische Daten in überschaubarer Zeit zusammentragen zu können. Deshalb haben die Forscher um Nicolás Busca zur Vermessung des frühen Universums ein anderes Verfahren angewandt. Sie suchten in den Spektren weit entfernter Quasare nach den Spuren von Gaswolken, die ihnen Aufschluss über die Verteilung und Konzentration der Materie im frühen Universum geben sollten.

Oszillierende Neutronen und Protonen

Bereits vor etlichen Jahren haben die kosmologischen Modelle für die Frühphase des Universums gezeigt, dass die Materieverteilung während der ersten 400 000 Jahre durch sogenannte baryonische akustische Oszillationen (BOAs) geprägt wurde. Damals gab es im noch heißen Kosmos in erster Linie Wasserstoff- und Heliumatomkerne aus Protonen und Neutronen (die zu den Baryonen gezählt werden) sowie freie Elektronen und Strahlungsteilchen (Photonen). Hinzu kam die bis heute rätselhafte dunkle Materie. Wo immer sich Letztere durch zufällige Dichteschwankungen häufte und dadurch normale, baryonische Materie an sich zog, entstand ein Überdruck, der das heiße Gemisch aus Materie und Photonen in der Umgebung radial nach außen trieb.

Ein drastischer Temperaturabfall

Da dieser Vorgang an vielen Orten im Universum stattfand, bildete sich ein komplexes Muster aus einander überlagernden, expandierenden Gasblasen, das erst „eingefroren“ wurde, als die Temperatur des Universums nach rund 400 000 Jahren auf etwa 3000 Kelvin sank. Unter diesen Bedingungen konnten sich Elektronen und Atomkerne zu neutralen Atomen verbinden, was zur „Entkoppelung“ von Materie und Strahlung führte. Entsprechend kann man aus der sogenannten kosmischen Hintergrundstrahlung, die bei dieser Gelegenheit „freigesetzt“ wurde, einen dominierenden mittleren Abstand der Materiekonzentrationen ableiten, der Rückschlüsse auf die Anfangsphase des Universums ermöglicht.

Die frühe Szenerie von hinten beleuchtet

Nach der Entkopplung von Materie und Strahlung wuchsen die Abstände zwischen den einzelnen Gasschalen nur noch aufgrund der anhaltenden Expansion, so dass das ursprüngliche Muster der Materieverteilung weitgehend unverändert erhalten blieb. Zwar entwickelten sich daraus an vielen Stellen mit der Zeit die unterschiedlichsten Galaxien, vor allem in der Frühphase prägten aber die einfachen Wasserstoffwolken die Struktur des Universums. Ihre Spuren findet man noch heute, wenn man tief genug in das Weltall blickt und die Szenerie gleichsam „von hinten“ durch extrem helle Quasare beleuchtet wird: Die Wasserstoffwolken verraten sich dann durch entsprechende Absorptionslinien in den Spektren der Quasare; deren Häufung im Spektrum wird von den Astronomen nach der stärksten auftretenden Spektrallinie als Lyman-Alpha-Wald bezeichnet.

Verräterische Abstände der Wasserstoffwolken

Die Forscher um Nicolás Busca haben nun ein Areal analysiert, das etwa ein Vierzehntel des gesamten Himmels umfasst und von rund 60 000 Quasaren in einer Entfernung von mehr als zehn Milliarden Lichtjahren durchleuchtet wird. Sie suchten nach einer charakteristischen Häufung der mittleren Abstände von Wasserstoffwolken. Ihre Hoffnung: An der Verteilung würde sich zeigen, wie sehr sich das ursprüngliche Muster - und damit das gesamte Universum - in den ersten Milliarden Jahren ausgedehnt hat.

Schwerkraft als Bremsschuh

Busca und seine Kollegen konnten eine derartige Häufung nun tatsächlich nachweisen, wie sie in einer der kommenden Ausgaben der Zeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ berichten. Aus ihren neu gewonnenen Daten konnten sie für die Zeit vor rund zehn Milliarden Jahren (einem „Weltalter“ von rund vier Milliarden Jahren) eine deutlich höhere Expansionsgeschwindigkeit ableiten als jenen Wert, der sich nach dem gleichen Verfahren für die Zeit vor rund fünf Milliarden Jahren (einem Weltalter von neun Milliarden Jahren) ergibt. Offenbar wurde die Expansion des Universums während der ersten 8,5 Milliarden Jahre tatsächlich zunächst durch die Schwerkraft gebremst, ehe die beschleunigende Wirkung der dunklen Energie einsetzte. Deren Natur bleibt für die Astronomen allerdings vorerst noch ein Rätsel.