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Geheimnisvolle Signale aus einer fernen quantenkosmologischen Vergangenheit

Was passierte bei der Geburt des Weltalls? Wie konnten sich Sterne, Planeten und ganze Galaxien überhaupt bilden? Das sind die Fragen, die Viatcheslav Mukhanov mit seinen Berechnungen zu beantworten versucht. Mukhanov ist Physik-Ordinarius an der LMU und Experte für Theoretische Quantenkosmologie. Und es ist seine Idee der Quantenfluktuationen, die ein entscheidendes Moment in der Startphase des Universums beschreibt: Ohne die Dichteschwankungen, die aus den minimalen Fluktuationen entstehen, lässt sich die spätere Verteilung der Materie und die Bildung von Sternen, Planeten und Galaxien schwerlich erklären.

Jetzt hat das Planck-Konsortium neue Auswertungen von Messergebnissen veröffentlicht. Das Weltraumteleskop hat die kosmische Hintergrundstrahlung vermessen und damit ein Abbild des frühen Universums geliefert. Diese neuen Planck-Daten decken sich exakt mit den Berechnungen des LMU-Kosmologen, etwa für die entscheidende Größe des sogenannten Spektralindexes. „Die Planck-Daten haben die grundlegende Voraussage bestätigt, dass Quantenfluktuationen am Anfang aller Strukturen im Universum stehen“, bekräftigt Jean-Loup Puget, der leitende Wissenschaftler des HFI-Instruments der Planck-Mission. „Besser könnte meine Theorie nicht bestätigt werden“, sagt Mukhanov. Schon 1981 hatte der Wissenschaftler, seit 1997 an der LMU, seinen Ansatz erstmals publiziert.

Spuren aus ferner Vergangenheit

Dass auch die Quanten im frühen Universum gewissen Fluktuationen unterlegen haben müssen, ergibt sich für Mukhanov aus der Heisenbergschen Unschärferelation. Sie besagt, dass sich Ort und Impuls eines Teilchens nicht exakt angeben lassen. Aus den submikroskopisch winzigen Fluktuationen entstanden makroskopische Dichteschwankungen. Ohne diesen Mechanismus, dessen genaue Ausprägung und Größenordnung Mukhanov berechnet, ließe sich die Verteilung von Materie im heutigen Universum nicht vorhersagen.

Die neuen Planck-Datensätze sind noch detaillierter und aussagekräftiger als die ersten Auswertungen, die vor knapp zwei Jahren veröffentlicht wurden. Mit niemals zuvor erreichter Präzision zeigen sie die Muster, mit denen sich die Fluktuationen in die Strahlung des jungen Universums eingebrannt haben. Als eine Botschaft aus ferner Vergangenheit können Teleskope wie Planck sie heute – 13,8 Milliarden Jahre später – als Mikrowellenstrahlung einfangen. So geben die Planck-Messungen Aufschluss über die Geburt des Weltalls.

Gravitationswellen nicht beglaubigt

Die Existenz von sogenannten primordialen Gravitationswellen konnten die Planck-Daten indes nicht zeigen. Diese weiteren lange gesuchten Signale des fernen Urknalls meinte das BICEP2-Team aus seinen Daten herauslesen zu können, das Teleskop vermisst von der Antarktis aus die kosmische Hintergrundstrahlung. Im März 2014 meldete das Team seine sensationelle Entdeckung – vorschnell, wie sich bald herausstellte. Und soeben veröffentlichten Planck- und BICEP2-Forscher gemeinsam einen Abgleich ihrer Daten, der keinen Nachweis der Gravitationswellen erbrachte. LMU-Forscher Mukhanov hatte schon im Frühjahr 2014 erklärt, dass die Ergebnisse von BICEP2 und Planck nicht gleichzeitig stimmen können. „Gravitationswellen mag es trotzdem geben“, sagt der LMU-Wissenschaftler. „Aber unsere Messgeräte sind offenbar noch nicht genau genug.“ Doch unabhängig davon, ob ein tatsächlicher Nachweis der Gravitationswellen gelingt: Ohne den Mechanismus der Quantenfluktuation, ergänzt Mukhanov, kommt kein Modell aus, das erklären soll, was unmittelbar nach dem Urknall geschah. (Quelle: idw)

Buchtipp:
Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Geistermaterie lauert in der Milchstraße

Eine mysteriöse Form von Materie durchzieht unser Universum. Sie ist etwa fünf Mal häufiger als die sichtbare Materie, jedoch von nach wie vor unbekannter, „dunkler“ Natur. Dass diese mysteriöse Entität, der man den Namen “Dunkle Materie” oder Geistermaterie gab, existieren muss, belegten Forschungsarbeiten bereits in den 1970er Jahren. Erstmals ist es nun einem internationalen Wissenschaftlerteam gelungen, Dunkle Materie auch im Inneren unserer Galaxie zu belegen. Woraus Dunkle Materie  besteht, konnte allerdings nicht herausgefunden werden.

Die allgegenwärtige Präsenz der Dunklen Materie im Universum ist heute ein zentraler Grundsatz der modernen Kosmologie und Astrophysik. In verschiedenen Galaxien wurde ihre Existenz seit den 1970er Jahren mit einer Reihe von Methoden belegt. Eine dieser Methoden ist die Messung der Drehgeschwindigkeit von Gas und Sternen. Wissenschaftler können so eine Galaxie „wiegen“ und ihre Gesamtmasse bestimmen. Dabei zeigt sich, dass die gewöhnliche Materie nur einen Bruchteil des Gesamtgewichts ausmacht, den überwiegenden Teil trägt die Dunkle Materie bei.

Auch in den äußeren Bereichen unserer eigenen Galaxie, die wir bei klarem Nachthimmel als „Milchstraße“ sehen können, wurden die Astronomen mit diese Methodik fündig. Doch im inneren Bereich unserer Galaxie war es bisher unmöglich, die Anwesenheit Dunkler Materie sicher zu belegen.

Der Durchmesser unserer Galaxie beträgt etwa 100.000 Lichtjahre. Unser Sonnensystem ist etwa 26.000 Lichtjahre vom Zentrum der Milchstraße entfernt. Je näher man der Mitte kommt, desto schwieriger wird es, die Rotation des Gases und der Sterne mit der benötigten Genauigkeit zu messen.

Auf Basis der Messung von Sternenbewegungen haben nun Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM), der Universität Stockholm, der Freien Universität Madrid, des Internationalen Zentrums für Theoretische Physik des Südamerikanischen Instituts für Grundlagenforschung (ICTP-SAIFR) in São Paulo und der Universität Amsterdam erstmalig einen Beweis für die Anwesenheit Dunkler Materie im Inneren der Milchstraße vorgelegt. Dunkle Materie existiert danach auch im Bereich unseres Sonnensystems und in unserer direkten „kosmischen Nachbarschaft“.

In einem ersten Schritt erstellten die Forscher die umfassendste Sammlung veröffentlichter Messungen der Bewegung von Gas und Sternen in der Milchstraße. Dann berechneten sie auf Basis aktuellster Forschungsergebnisse die Rotationsgeschwindigkeit, die die Milchstraße haben müsste, wenn sie nur aus sichtbarer Materie bestünde. Der Vergleich der gemessenen und der berechneten Geschwindigkeit zeigte eindeutig, dass hier die Dunkle Materie einen entscheidenden Beitrag leistet.

„Wir konnten mit unserer Arbeit belegen, dass sich das Gas und die Sterne in unserer Galaxie ohne den Beitrag von Dunkler Materie nicht mit den beobachteten Geschwindigkeiten drehen könnten“, sagt Dr. Miguel Pato, der die Analyse an der TU München durchführte. „Allerdings wissen wir immer noch nicht, aus was die Dunkle Materie besteht. Dies ist eine der wichtigsten Wissenschaftsfragen unserer Zeit“.

Auch für geringe Entfernung vom Zentrum der Milchstraße besitzen die Daten der Forschungsarbeit eine hohe Evidenz. Sie erschließen damit neue Wege zur Bestimmung der Verteilung Dunkler Materie in unserer Galaxie. Zukünftige astronomische Beobachtungen könnten damit die Verteilung der Dunklen Materie in unserer Galaxie mit bisher unerreichter Genauigkeit bestimmen.

„Damit können wir das Verständnis der Struktur und der Entwicklung unserer Galaxie wesentlich verbessern. Und es wird präzisere Vorhersagen für die vielen Experimente ermöglichen, die weltweit nach Teilchen der Dunklen Materie suchen“, sagt Miguel Pato, der inzwischen zum Oskar Klein-Zentrum für Astroteilchen-Physik an der Universität Stockholm gewechselt ist. (Quelle: idw)

Publikation:
Evidence for dark matter in the inner Milky Way
Fabio Iocco, Miguel Pato, Gianfranco Bertone
Nature Physics, advanced online publication, 9 February 2015
DOI: 10.1038/nphys3237 – Link: https://nature.com/articles/doi:10.1038/nphys3237
Buchtipp:
Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Wie ein expandierendes Universum erzeugt werden kann

Wenn man Raum und Zeit erhitzt, kann ein expandierendes Universum entstehen – ganz ohne Urknall. Diesen Phasenübergang zwischen einem leeren Raum und einem expandierenden Universum, das Masse enthält, konnte ein Forschungsteam nun berechnen. Dahinter liegt ein bemerkenswerter Zusammenhang zwischen Quantenfeldtheorie und Einsteins Relativitätstheorie.

Kochen mit Raum und Zeit

Aus dem Alltag kennen wir Phasenübergänge nur von Stoffen, die zwischen festem, flüssigem und gasförmigem Zustand wechseln. Allerdings können auch Raum und Zeit selbst solche Übergänge durchmachen, wie die Physiker Steven Hawking und Don Page schon 1983 zeigten. Sie berechneten, dass aus leerem Raum bei einer bestimmten Temperatur plötzlich ein Schwarzes Loch werden kann.

Lässt sich bei einem ähnlichen Prozess aber auch ein ganzes Universum erzeugen, das sich kontinuierlich ausdehnt, so wie unseres? Diese Frage stellte sich Daniel Grumiller vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien gemeinsam mit Kollegen aus Harvard, dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Universität Edinburgh. Das Ergebnis: Tatsächlich scheint es eine kritische Temperatur zu geben, bei der aus einem völlig leeren, flachen Raum ein expandierendes Universum mit Masse wird. „Die leere Raumzeit beginnt gewissermaßen zu kochen, es bilden sich Blasen, eine von ihnen expandiert und nimmt schließlich die gesamte Raumzeit ein“, erklärt Daniel Grumiller.

 Daniel Grumiller erhitzt die Raumzeit - zumindest am Papier. Foto: TU Wien
Daniel Grumiller erhitzt die Raumzeit – zumindest am Papier. Foto: TU Wien

Das Universum muss dabei rotieren – das Kochrezept für ein expandierendes Universum lautet also: Erhitzen und umrühren. Diese Rotation kann allerdings beliebig gering sein. Bei den Berechnungen wurden vorerst nur zwei Raumdimensionen berücksichtigt. „Es gibt aber nichts, was dagegen spricht, dass es in drei Raumdimensionen genauso ist“, meint Grumiller.

Das Phasenübergangs-Modell ist nicht als Konkurrenz zur Urknalltheorie gedacht. „In der Kosmologie weiß man heute sehr viel über das frühe Universum – das zweifeln wir nicht an”, sagt Grumiller. “Aber für uns ist die Frage entscheidend, welche Phasenübergänge in Raum und Zeit möglich sind und wie die mathematische Struktur der Raumzeit beschrieben werden kann“.

Auf der Suche nach der Struktur des Universums

Die Theorie ist die logische Fortsetzung  einer 1997 aufgestellten Vermutung, der sogenannten „AdS-CFT-Korrespondenz“, die seither die Forschung an den fundamentalen Fragen der Physik stark beeinflusst hat: Sie beschreibt einen merkwürdigen Zusammenhang zwischen Gravitationstheorien und Quantenfeldthorien – zwei Bereiche, die auf den ersten Blick gar nichts miteinander zu tun haben. In bestimmten Grenzfällen lassen sich Aussagen der Quantenfeldtheorie in Aussagen von Gravitationstheorien überführen und umgekehrt.  Zwei ganz unterschiedliche physikalische Gebiete werden so in Verbindung gebracht, aber es mangelte bisher an konkreten Modellen, die diesen Zusammenhang belegten.

Letztes Jahr wurde von Daniel Grumiller und Kollegen erstmals so ein Modell aufgestellt (der Einfachheit halber in bloß zwei Raumdimensionen). Das führte schließlich zur aktuellen Fragestellung: Dass es in den Quantenfeldtheorien einen Phasenübergang gibt, wusste man. Doch das bedeutete, dass es aus Konsistenzgründen auch auf der Gravitatations-Seite einen Phasenübergang geben muss.

„Das war zunächst ein Rätsel für uns“, sagt Daniel Grumiller. „Das würde einen Phasenübergang zwischen einer leeren Raumzeit und einem expandierenden Universum bedeuten, und das erschien uns zunächst äußerst unwahrscheinlich.“ Die Rechenergebnisse zeigten dann aber, dass genau diesen Übergang tatsächlich gibt. “Wir beginnen erst, diese Zusammenhänge zu verstehen“, meint Daniel Grumiller. Welche Erkenntnisse über unser eigenes Universum wir dadurch ableiten können, ist heute noch gar nicht absehbar. (Quelle: idw)

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Der Anfang allen Seins

Die moderne Kosmologie geht davon aus, dass unser Universum aus dem Nichts entstanden ist. Wenn man so eine Aussage liest oder hört, drängt sich sofort die Frage auf, wie denn aus nichts etwas entstehen kann. Nicht nur das physikalische Prinzip, dass es zu jedem physischen Ereignis eine physische Ursache geben muss, sondern auch der »gesunde Menschenverstand« lässt die Aussage eher als eine philosophische Idee erscheinen und weniger als eine wissenschaftlich fundierte Theorie. Eine wissenschaftliche Theorie muss empirisch überprüfbar sein. Wie kann aber der Anfang allen Seins durch ein Experiment überprüft werden? Welche Fakten sprechen für den Beginn von Raum, Zeit und Materie aus dem Nichts?
Trotz der Zweifel gibt es gute und rational nachvollziehbare Gründe, von einem Beginn des Universums aus dem Nichts auszugehen. Den Beginn, kurz Urknall, darf man sich nicht als eine riesige Explosion im Weltall vorstellen. Der Urknall ist ganz unspektakulär ein nicht näher bekannter physikalischer Zustand, bei dem Raum und Zeit sowie die beteiligten Energien in einem winzigen Bereich extrem hoher Dichte zusammenfallen (Singularität). Wenn die Theorie richtig ist, dann existierte das Weltall vor der Singularität genauso wenig, wie es davor Materie gab. Auch Zeit hätte ihren Ursprung erst im Urknall.
Der englische Astronom Fred Hoyle, der Anhänger eines ewigen, statischen Universums war, wollte durch die unwissenschaftliche Bezeichnung Urknall (engl. »Big Bang«) die Theorie der Urknall-Verfechter unglaubwürdig erscheinen zu lassen. Zu diesen Verfechtern gehörte sein belgischer Kollege, der Theologe und Astrophysiker, Georges Lemaître. Hoyle sprach sich dafür aus, dass sich das Universum in einem Zustand der Gleichförmigkeit (Steady-State-Theorie) ohne Anfang und ohne Ende befinde.
Wie begründete Lemaître die Idee vom Anfang allen Seins aus dem Nichts? Handelte es sich um seine theologische Vorstellung oder gab es harte Fakten?

Buchtipp:
Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

 

Was nützt uns die Kosmologie?

Haben wir nicht schon genügend Probleme auf Erden? Aktuell bangen wir im Zusammenhang mit der Eurokrise, der Krise in der arabischen Welt und dem Konkurs einer großen Handelskette. Müssen wir uns dann noch um die Vorgänge am Himmel kümmern?
Nein, wir müssen nicht. Aber dennoch gibt es eine große Zahl an Menschen, die nach einer Antwort auf Fragen suchen, warum wir hier auf unserer Erde überhaupt existieren, wie alles anfing und ob sich in der Unendlichkeit des Alls ein Schöpfer manifestiert.
Was sind eigentlich die Motive der Menschen sich mit Fragen der Kosmologie zu befassen. Ist es ganz einfach Neugier, wollen sie sich um mit einem Bibelwort zu reden die Erde untertan machen, ist es die Gier nach Sensationen oder irgendein anderes verstecktes Motiv?
Der Autor Gerhard Josten, den die Unendlichkeit seit seiner Jugend fasziniert, hat sich die Aufgabe gestellt, die Beweggründe der Menschen zu erforschen und die Vielfalt ihrer Meinungen über den Kosmos in dem Buch mit dem Titel »Ein All ohne Knall« zu präsentieren. Eigentlich hätte man dem Buch noch einen Untertitel, etwa »Die Beweggründe von Menschen, sich mit der Kosmologie zu beschäftigen« geben müssen. Der Haupttitel mag sonst dazu verleiten, zu glauben der Urknall würde im Mittelpunkt des Werks stehen. Dem ist aber nicht so, vielmehr steht der Mensch mit seiner ungeheuren Vielfalt an Vorstellungen und seinen Motiven im Zentrum. Wie hat der Autor dieses mehr psychologische Thema angepackt?
Das Buch ist in drei Teile gegliedert. Im ersten Teil werden einige Auszüge aus dem Stand der Weltraumforschung gegeben. Dabei wird die Rotverschiebung als wichtigstes Argument für den Beginn des Universums in einer Singularität (Urknall) näher beleuchtet. Weiter werden die Folgen beschrieben, die auf dem dualen Charakter des Lichts basieren. Bekanntlich hat Licht je nach Art der Messung entweder Wellencharakter oder Teilchencharakter. Diese Eigenschaft ist für den Nichtphysiker äußerst verwirrend und führt deshalb häufig zu Missverständnissen. Ein drittes und letztes Thema im ersten Teil ist die Suche nach einem erdähnlichen Planeten irgendwo in den Fernen des Weltalls, die Unmengen an Forschungsmittel verschlingt.
Im zweiten Teil des Buchs sind Beiträge von Journalisten, Fachleuten und Wissenschaftlern veröffentlicht. Dabei handelt es sich entweder um fundierte Fachbeiträge oder um Meinungen und Bekenntnisse, die teilweise kontrovers gegenüber den angezweifelten Erkenntnissen der Mainstreamwissenschaft sind. Insbesondere wird angezweifelt, ob die Rotverschiebung des Lichts aus fernen Galaxien tatsächlich ein Argument für die permanente Ausdehnung des Universums ist.
Im dritten und letzten Teil hat sich der Autor mit dem Psychlogen Prof. Dr. Erich Kasten und dem Philosophen Dietmar Odilo Paul zu einer Gesprächsrunde getroffen, um das Thema anzugehen, das ihm besonders am Herzen liegt, nämlich die Beweggründe der Menschen aufzudecken, sich mit dem Kosmos und dem Beginn von allem zu beschäftigen. Zu welchen Ergebnissen die Runde kommt, sei hier nicht verraten.
Um ein Resumee zu ziehen, kann ich sagen, dass dieses Werk zunächst einmal der Meinungsvielfalt über das Urknall-Thema ein Forum bietet. Abweichende Meinungen werden nicht ausgegrenzt, sondern genauso dargestellt, wie die Meinungen, die mit der Mainstreamwissenschaft konformgehen. Schließlich wird auch Licht in die verborgenen Beweggründe gebracht, warum sich Menschen überhaupt mit Dingen beschäftigen, die sie nicht beeinflussen können.
Für alle, die an solchen Fragestellungen interessiert sind, ist Jostens »Ein All ohne Knall« eine Perle gegenüber den Büchern, die abweichende Meinungen ausgrenzen und mehr Fragen aufwerfen als beantworten. Hier bekommt man wenigstens Antworten auf die Beweggründe der Menschen.

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Schwarze Löcher im All: Reise mit Wiederkehr?

Video: Schwarze Löcher – Materiefresser im All

Nackt trotz kosmischer Zensur? Wenn ein Schwarzes Loch die Hüllen fallen lässt

Ein Schwarzes Loch – singulärer Endpunkt eines massereichen Sterns – wird nach gängiger Meinung umhüllt vom Ereignishorizont, der die Grenze herkömmlicher Physik markiert. Aber muss das so sein?

Die moderne Naturwissenschaft hat viele höchst ungewohnte Ideen hervorgebracht, aber kaum eine ist so seltsam wie das Schicksal eines großen Sterns. Nachdem er im Lauf von Millionen Jahren seinen Brennstoff verbraucht hat, kann er seiner eigenen Schwere nicht mehr widerstehen und beginnt zu kollabieren. Bei einem genügend massereichen Himmelskörper überwindet seine Gravitation letztlich alle Kräfte, die den Kollaps aufhalten könnten, und ein Millionen Kilometer großes Objekt schrumpft praktisch auf einen Punkt zusammen.

Die meisten Physiker und Astronomen glauben, das Resultat sei ein Schwarzes Loch – ein Körper, dessen ungeheure Schwerkraft alles in seiner unmittelbaren Nachbarschaft verschlingt. Dieses Monstrum besteht aus zwei Teilen. In seinem Zentrum liegt eine Singularität – der unendlich kleine Punkt, in dem sich die gesamte Materie des Sterns zusammenballt. Rundherum liegt ein Gebiet, dessen Rand Ereignishorizont heißt und aus dem es kein Entkommen gibt. Sobald etwas in diese Zone eindringt, verschwindet es auf Nimmerwiedersehen. Falls das hineinstürzende Objekt Licht aussendet, wird auch dies von der Singularität eingefangen; ein äußerer Beobachter sieht es niemals wieder.

Aber ist dieses Bild wirklich wahr? Pankaj S. Joshi, Physikprofessor am Tata Institute of Fundamental Research in Mumbai (Indien) und Spezialist für Gravitation und Kosmologie, hat seine Zweifel, die er in der Dezember-Ausgabe von Spektrum der Wissenschaft begründet. Aus den bekannten physikalischen Gesetzen, so Joshi, geht zwar hervor, dass eine Singularität entsteht, aber über den Ereignishorizont sind die Aussagen verschwommen. Den meisten Physikern kommt der Horizont als wissenschaftliches Feigenblatt sehr gelegen, denn sie müssen erst herausfinden, was bei einer Singularität genau vor sich geht: Materie wird zermalmt, aber was wird dann aus ihr? Indem der Ereignishorizont die Singularität versteckt, kaschiert er diese Wissenslücke durch eine so genannte “kosmische Zensur”: Was auch immer in einem Schwarzen Loch geschehen mag – es bleibt drin.

Doch neue Forschungen ziehen diese Arbeitshypothese zunehmend in Zweifel. In manchen Kollaps-Szenarien bildet sich kein Ereignishorizont, und die Singularität bleibt sichtbar oder, wie Physiker sagen, nackt. Sowohl Materie als auch Strahlung können hineinfallen und wieder herauskommen. Während der Besuch der Singularität in einem Schwarzen Loch eine Reise ohne Wiederkehr wäre, könnte man sich im Prinzip einer nackten Singularität beliebig weit nähern und zurückkehren, um davon zu berichten.

Falls nackte Singularitäten existierten, wären die Folgen enorm; sie würden fast jeden Aspekt der Astro- und Grundlagenphysik berühren. Wenn es keine Horizonte gibt, können mysteriöse Vorgänge in der Nähe der Singularitäten die Außenwelt beeinflussen. Vielleicht erklären nackte Singularitäten gewisse rätselhafte astronomische Phänomene bei hohen Energien, und vielleicht bieten sie die Möglichkeit, das Gewebe der Raumzeit bei kleinsten Größenordnungen zu erforschen. Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Dezember 2009

Dunkle Energie: Welches Schicksal erwartet unser Universum?

Geheimnisse des Universums: Dunkle Energie

Umstrittene Dunkle Energie

Gibt es eine Alternative, die beschleunigte Expansion des Weltalls zu erklären?
Das Universum scheint sich beschleunigt auszudehnen. Ursache dafür soll eine seltsame neue Energieform sein, Fachleute nennen sie die Dunkle Energie. Das Problem: Niemand weiß wirklich, was diese Dunkle Energie wirklich ist. Bisher suchen sie jedenfalls vergeblich nach Erklärungen für das rätselhafte Verhalten des Kosmos.

Kein Wunder, dass immer wieder alternative Modelle entwickelt werden, um vielleicht ohne exotischen Energieformen auszukommen. Wie zwei Kosmologen von der Oxford University im aktuellen August-Heft von “Spektrum der Wissenschaft” in der Titelgeschichte beschreiben, könnte ein solches Alternativmodell so aussehen: Falls wir kosmisch gesehen inmitten einer Region leben, in der weniger Sterne und andere Materie zu finden sind als anderswo, dann würde sich der astronomische Befund vom gleichmäßig beschleunigten Universum anders darstellen. Dann variiert nämlich die kosmische Expansionsrate mit dem Ort – und das würde den Astronomen eine kosmische Beschleunigung nur vorspiegeln, ohne es wirklich zu sein.

Könnte es also sein, dass wir im Universum nicht in einer gleich verteilten Ansammlung von Sternen und Galaxien leben, wie das kosmische Standardmodell annimmt? Eine riesige Leere um die Erde und ihr Milchstraßensystem herum kommt den meisten Kosmologen deshalb auch sehr unwahrscheinlich vor, doch einige Forscher ziehen sie der mysteriösen Dunklen Energie vor. Was spricht dafür? Was spricht dagegen?

Die Entdeckung des beschleunigten Universums kündigte sich vor vor elf Jahren an. Aus einer winzigen Abweichung in der Helligkeit explodierender Sterne folgerten die Astronomen, sie hätten keine Ahnung, woraus über 70 Prozent des Kosmos bestehen. Sie konnten nur feststellen, dass der Raum anscheinend von einer ganz unvergleichlichen Substanz erfüllt wird, welche die Expansion des Universums nicht bremst, sondern vorantreibt. Diese Substanz erhielt damals den Namen Dunkle Energie.

Inzwischen ist ein Jahrzehnt vergangen, und die Dunkle Energie gibt noch immer so viele Rätsel auf, dass einige Kosmologen die grundlegenden Postulate, aus denen ihre Existenz gefolgert wurde, in Zweifel ziehen. Eines dieser Postulate ist das kopernikanische Prinzip. Ihm zufolge nimmt die Erde keinen zentralen oder sonst wie ausgezeichneten Platz im All ein. Wenn wir dieses Grundprinzip preisgeben, bietet sich eine überraschend einfache Erklärung für die neuen Beobachtungen an.

Wir haben uns längst an die Idee gewöhnt, dass unser Planet nur ein winziger Fleck ist, der irgendwo am Rand einer durchschnittlichen Galaxie einen typischen Stern umkreist. Nichts scheint unseren Ort inmitten von Milliarden Galaxien, die sich bis an unseren kosmischen Horizont erstrecken, besonders auszuzeichnen. Doch woher nehmen wir diese Bescheidenheit? Und wie könnten wir herausfinden, ob wir nicht doch einen speziellen Platz einnehmen? Meist drücken sich die Astronomen um diese Fragen und nehmen an, unsere Durchschnittlichkeit sei offensichtlich genug. Die Idee, wir könnten tatsächlich einen besonderen Ort im Universum bewohnen, ist für viele undenkbar. Dennoch ziehen einige Physiker dies seit Kurzem in Betracht.

Zugegeben: Die Annahme, wir seien kosmologisch unbedeutend, erklärt viel. Mit ihrer Hilfe können wir von unserer kosmischen Nachbarschaft auf das Universum im Großen und Ganzen schließen. Alle gängigen Modelle des Universums beruhen auf dem kosmologischen Prinzip. Die beschleunigte Expansion war also die große Überraschung, mit der die aktuelle Revolution in der Kosmologie begann.

Angenommen, die Expansion verlangsamt sich überall, weil die Materie an der Raumzeit zieht und sie bremst. Nehmen wir ferner an, dass wir in einer gigantischen kosmischen Leere leben – in einem Gebiet, das zwar nicht völlig leer gefegt ist, wo aber die mittlere Materiedichte nur etwa halb so groß ist wie anderswo. Je leerer eine Raumregion ist, desto weniger Materie bremst dort die räumliche Expansion, und entsprechend höher ist die Expansionsgeschwindigkeit innerhalb des Leerraums. Am höchsten ist sie in der Mitte; zum Rand hin, wo sich die höhere Dichte des Außenraums bemerkbar macht, nimmt sie ab. Zu jedem Zeitpunkt expandieren verschiedene Raumpartien unterschiedlich schnell – wie der ungleichmäßig aufgeblasene Luftballon.

Wie ausgefallen ist diese Idee einer monströsen Abnormität? Auf den ersten Blick sehr. Sie scheint in eklatantem Widerspruch zur kosmischen Hintergrundstrahlung zu stehen, die bis auf Hunderttausendstel genau gleichförmig ist, ganz zu schweigen von der im Großen und Ganzen ebenmäßigen Verteilung der Galaxien. Doch bei näherer Betrachtung muten diese Indizien weniger zwingend an. Die Gleichförmigkeit der Reststrahlung erfordert nur, dass das Universum in jeder Richtung nahezu gleich aussieht. Wenn eine Leere ungefähr kugelförmig ist und wir einigermaßen nahe ihrem Zentrum sitzen, muss sie nicht unbedingt den Beobachtungen widersprechen.

In kommenden Jahren werden Himmelsbeobachtungen zwischen beiden Erklärungen entscheiden.
Quelle: Spektrum der Wissenschaft, August 2009

Löst dunkle Energie das Rätsel der Zeit?

Video: Woher kommt die Welt?

In unserem Universum läuft die Zeit immer nur in eine Richtung – aber muss das überall so sein?
Wer ein Ei zerschlägt, erwartet nicht, dass es sich von selbst wieder zusammenfügt, und wer ins Schwimmbecken hechtet, wird nie erleben, dass das Wasser ihn zurück aufs Trampolin schnellt. Solche Vorgänge sind irreversibel, das heißt zeitlich nicht umkehrbar. Die Asymmetrie der Zeit erfahren wir als das Natürlichste von der Welt – doch den Physikern und Kosmologen bereitet sie gehöriges Kopfzerbrechen.
Alle fundamentalen Gesetze der Physik sind nämlich zeitsymmetrisch, von den Formeln der Himmelsmechanik bis zu den Grundgleichungen der Quantentheorie. Die Mechanik schreibt nicht vor, ob die Erde so oder anders herum um die Sonne läuft, und auch die Quantenmechanik kennt keinen Unterschied zwischen Zukunft und Vergangenheit. Warum weist dann der Zeitpfeil immer nur in eine Richtung?

Darauf antworten die Physiker: das kommt von der Entropie. Sie ist ein Maß für die Unordnung eines Systems, und da ein sich selbst überlassenes System von selbst immer unordentlicher wird, nimmt die Entropie mit der Zeit zu. Zwar ist es physikalisch nicht prinzipiell ausgeschlossen, dass ein zerschlagenes Ei sich wieder ordentlich zusammensetzt – aber es ist extrem unwahrscheinlich. Sehr glücklich sind die Kosmologen mit dieser Erklärung für den Zeitpfeil nicht, denn eine ständig wachsende Entropie bedeutet, dass sie früher einmal extrem klein gewesen sein muss: Der Urknall muss ein unwahrscheinlich ordentlicher Zustand gewesen sein. Man wüsste gern einen physikalischen Grund dafür.

Der amerikanische Kosmologe Sean Carroll schlägt nun einen radikalen Ausweg aus dieser Verlegenheit vor. Wie er in der August-Ausgabe [2008] von Spektrum der Wissenschaft argumentiert, muss unser Universum nicht mit einem Zustand abnorm niedriger Entropie begonnen haben, wenn wir es als Teil eines Multiversums betrachten. In diesem Über-Universum entstehen spontan Babyuniversen, wobei die Zeit in manchen so gerichtet ist wie bei uns, in anderen entgegengesetzt – und im Mittel ist das Multiversum zeitsymmetrisch. Freilich muss Carroll eine hochspekulative Hypothese aufstellen, um die Bildung solcher Babyuniversen plausibel zu machen. Damit sie dauerhaft aus Fluktuationen der Raumzeit entstehen, beruft Carroll sich auf die Dunkle Energie – eine rätselhafte Kraft, mit der die Kosmologen erklären, warum unser Universum beschleunigt expandiert. Erst wenn über das Wesen der Dunklen Energie mehr bekannt ist, lässt sich sagen, ob sie eine Antwort auf das Rätsel der Zeit zu liefern vermag.

Jedenfalls, so tröstet Carroll, betreiben wir schon heute jedes Mal, wenn wir ein Ei zerschlagen, beobachtende Kosmologie. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, August 2008)

Über die Illusion der Zeit und die Lösung scheinbar unerklärlicher Phänomene findet man mehr im Buch Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen

Ist das Universum endlich?

Video: Die schönsten Bilder aus dem Kosmos vom Hubble Teleskop aufgenommen.

Ist das Universum ein Donut? Forscher stellen wieder die uralte Frage, ob der Kosmos endlich oder unendlich groß ist – und entdecken neue Wege zu einer Antwort.

Ist der Weltraum unendlich groß, wie es seit Jahren die Kosmologen behaupten? Oder gibt es vielleicht Alternativen zu diesem Weltmodell? Es ist die präzise Vermessung der kosmischen Hintergrundstrahlung – ein Relikt vom Anfang des Universums, dem Urknall -, die den Forschern jetzt neue Wege eröffnet, um zwischen endlichen und unendlichen Modellen des Kosmos zu unterscheiden.

Wie Frank Steiner und sein Team von der Universität Ulm zeigen konnten, ist derzeit auch ein endliches Universum von der Form eines Torus mit den Beobachtungsdaten verträglich.

Torus

Vielleicht nähern wir uns damit allmählich der Antwort auf die über zwei Jahrtausende alte Frage, ob das Universum endlich oder unendlich groß ist. Und wenn der Ulmer Forscher Steiner Recht hat, dann könnte es eine Lösung geben, an die bisher nur wenige gedacht haben. In der Januarausgabe von “Spektrum der Wissenschaft” wird über die Arbeiten von Frank Steiner ausführlich berichtet.

Kosmologische Räume werden gewöhnlich nach ihrer so genannten Krümmung unterschieden. Sind sie positiv gekrümmt, wie etwa die zweidimensionale Oberfläche einer Kugel, haben sie stets ein endliches Volumen. Räume mit negativer Krümmung – wie etwa eine zweidimensionale Satteloberfläche – heißen „hyperbolisch” und können endlich oder unendlich sein. Entsprechendes gilt für flache Gebilde wie etwa die euklidische Ebene. Was diese drei Raumtypen unterscheidet, ist ihre Krümmung: positiv für die Kugeloberfläche, negativ für den hyperbolischen Raum, null für den euklidischen Raum. Solche Räume ohne jede Krümmung nennen die Fachleute gerne „flach”.

Da die globale Geometrie eines Raumes (fachlich: seine Topologie, die Lehre von den Orten) durch seine Krümmung nicht vollständig festgelegt wird, ist diese Dreitypenlehre jedoch nur die halbe Geschichte. So kann auch ein flacher Raum endlich sein. Ein Beispiel für einen flachen, aber endlichen Raum bildet die Oberfläche eines Torus. Ringe beziehungsweise Donuts sind Torusbeispiele in zwei Dimensionen, fachlich ein „Zwei-Torus”.

Den möglichen Hinweisen auf ein endliches Universum sind inzwischen mehrere Forscher nachgegangen, zuletzt Frank Steiners Gruppe von der Universität Ulm. Sie hat seit 1999 mehrere Geometrien untersucht, zuletzt einen so genannten Drei-Torus, die dreidimensionale Version des uns vertrauten zweidimensionalen Rings oder Zwei-Torus. Als Modell unseres Kosmos wäre ein Drei-Torus die einfachste nichttriviale Geometrie eines endlichen flachen Raums.

Die Analyse der Ulmer Forscher setzt in Übereinstimmung mit Himmelsbeobachtungen einen endlichen flachen Raum voraus und vergleicht dann das Drei-Torus-Universum detailliert mit den Daten. Erstaunlicherweise stimmt das Drei-Torus-Modell eines endlichen flachen Raums exzellent mit den Beobachtungsdaten überein, in manchen Bereichen der Messkurven passt es sogar besser als das Standardmodell mit unendlichem flachen Raum.

Wie also wird der Wettstreit zwischen der Standardkosmologie und dem etwas ketzerischen Torus-Gegenmodell ausgehen? Frank Steiner sieht die Dinge pragmatisch: „Die Beobachtungen müssen es entscheiden!” (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Januar 2009)

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