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Kosmologie : „Realität ist, was wir messen können“

Das Bild von Plancks erstem „All Sky Survey”: in der Mitte der weiße Streifen der Milchstraßenscheibe Bild: Esa

Die Kosmologie steht vor großen Fragen. Was etwa sind dunkle Materie und dunkle Energie? Auf der Suche nach Antworten sprechen wir mit Brian P. Schmidt.

          5 Min.

          Die bedeutendsten Entdeckungen und Erfindungen, die jährlich mit dem Nobelpreis geehrt werden, sind oftmals diejenigen, die mindestens so viele neue Fragen aufgeworfen wie alte beantwortet haben. Selten aber hat eine Entdeckung so viele Fragezeichen hinterlassen wie der im letzten Jahr mit dem Nobelpreis bedachte Nachweis der beschleunigten Ausdehnung des Universums durch Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt und Adam Riess. Die Royal Swedish Academy of Sciences schloss ihre wissenschaftliche Motivation der Preisvergabe mit der Bemerkung: „Die Beobachtungen stellen uns allerdings vor eine Herausforderung: Was ist die Quelle der dunklen Energie, durch welche die beschleunigte Expansion des Universums angetrieben wird? Ist unser Verständnis von Gravitation im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie unzureichend? Oder war Einsteins ,Fehler’ der Einführung einer kosmologischen Konstante ein weiterer Geniestreich?“

          Sibylle Anderl
          Redakteurin im Feuilleton, zuständig für das Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Die Bilanz des kosmologischen Standardmodells ist bekanntlich erschütternd: Von 95,5 Prozent dessen, was unser Universum enthält, fehlt uns ein umfassendes physikalisches Verständnis. Die Beobachtungen stimmen im Rahmen dieses Modells deutlich darin überein, dass es dunkle Materie und dunkle Energie geben muss. Was sich hinter diesen Namen aber physikalisch verbergen könnte, darüber gibt es bisher lediglich Spekulationen. Die Dominanz spekulativer Elemente innerhalb der Kosmologie ist historisch keine Neuheit. Kosmologisch Fragende seit den antiken Griechen, Denker und Forscher wie Descartes, Newton oder Kant waren lange darin geeint, dass das Universum sich ihrem empirischen Zugriff weitestgehend entzog. Erst Anfang des vergangenen Jahrhunderts begann die Kosmologie zu einer empirischen Wissenschaft zu reifen. Astronomen wie Vesto Slipher und Edwin Hubble trugen in den zwanziger Jahren dazu bei, dass sich unser Weltbild um die Existenz anderer Galaxien erweiterte. Albert Einstein legte mit der Entwicklung der Allgemeinen Gravitationstheorie den Grundstein für eine mathematische Beschreibung unseres Universums, die schließlich von Alexander Friedmann und anderen dazu genutzt wurde, die dynamische Entwicklung des Kosmos zu beschreiben.

          Physik-Nobelpreisträger von 2011: Brian P. Schmidt.
          Physik-Nobelpreisträger von 2011: Brian P. Schmidt. : Bild: Röth, Frank

          Ob das Universum sich für immer ausdehnt, die Ausdehnung irgendwann zum Stillstand kommt oder schließlich wieder im Kollaps endet, ist gemäß dieser Beschreibung dadurch bestimmt, wie viel Energie und Materie das Universum enthält. Während Strahlung für die Dynamik des Universums nur in der frühesten Phase nach dem Urknall dominant war, bewirkt die Materie eine Abbremsung der Ausdehnung. Allein unter dem Einfluss von Strahlung und Materie kann, rein mathematisch allerdings, kein statisches Universum existieren, das Einstein aus weltanschaulichen Gründen für erstrebenswert hielt. Um dies trotzdem zu ermöglichen, war die Einführung der kosmologischen Konstante vonnöten, die dem kontrahierenden Einfluss der Materie eine expansive Kraft entgegensetzt. Die hypothetische Energieform, die wir heute mit dieser Kraft verbinden, wird als dunkle Energie bezeichnet.

          Expansives Weltall

          Der von Hubble erbrachte Nachweis, dass fast alle Galaxien sich von uns entfernen, sowie die Interpretation dieses empirischen Befundes als Ausdehnung des Universums, schien die kosmologische Konstante zunächst überflüssig zu machen. Heute allerdings scheint sie aus verschiedenen Gründen wieder benötigt zu werden, beispielsweise um die anhand von Supernova-Explosionen beobachtete beschleunigte Ausdehnung des Alls zu erklären. Die heutige Kosmologie beinhaltet daher als Aufgabe die Bestimmung und Überprüfung einer ganzen Reihe kosmologischer Parameter wie zum Beispiel der Hubble-Konstanten, der Materiedichte oder der kosmologischen Konstante, deren Messung dasjenige Weltmodell festlegt, das unser Universum am besten beschreibt. Diese Aufgabe ist bisher überaus präzise erfüllt worden. Das resultierende Lambda-CDM-Modell lehrt uns, dass wir in einem Universum leben, das mit dem Urknall begann, momentan durch dunkle Energie dominiert ist und dessen Masse zum allergrößten Teil durch eine Materieform ausgemacht wird, die sich von derjenigen baryonischen Materie unterscheidet, die wir kennen. Es sagt aber nicht, was beides jeweils sein könnte.

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