Nobelpreise 2011

Das beschleunigte Universum

Drei Kosmologen aus Australien und den USA erhalten den diesj�hrigen Nobelpreis f�r Physik f�r die Entdeckung der beschleunigten Ausdehnung des Universums.

Im Jahr 1998 reichten zwei Forschergruppen Arbeiten ein, die die Kosmologie enorm beeinflusst und befl�gelt haben. Die Teams um Saul Perlmutter einerseits sowie Brian P. Schmidt und Adam G. Riess andererseits hatten entdeckt, dass sich das Universums beschleunigt ausdehnt. Diese Erkenntnis erschien den Forschern anfangs so verr�ckt, dass sie sie selbst nicht glauben konnten. Doch bis heute haben Astrophysiker mit anderen, unabh�ngigen Methoden ihr Ergebnis best�tigt. Die Entscheidung des Nobelkomitees ist dennoch bemerkenswert, weil die Ursache der kosmischen Beschleunigung, n�mlich die Dunkle Energie, vollkommen unverstanden ist.

Mit ihrer Entdeckung treten die drei Forscher in die Fu�stapfen des wohl ber�hmtesten Nobelpreistr�gers: Albert Einstein. Dieser hatte 1915 in seiner allgemeinen Relativit�tstheorie herausgefunden, dass der uns umgebende Raum nicht starr und unver�nderbar ist, sondern dass jede Form von Materie ihn verbiegt.

Als kurze Zeit sp�ter die beiden Mathematiker Georges Lema�tre in Belgien und Alexander Friedmann in Russland unabh�ngig voneinander Einsteins Formeln auf das Universum anwandten, stie�en sie auf ein unerkl�rliches Ergebnis: In allen nur denkbaren F�llen dehnte sich das Universum aus, oder es zog sich zusammen. Welcher Fall tats�chlich eintrat, hing von der mittleren Dichte der Materie ab, die damals unbekannt war.

Einstein konnte die Vorstellung eines sich ver�ndernden Universums nicht akzeptieren und f�hrte in die Formeln seiner Theorie kurzerhand eine Gr��e ein, die f�r ein statisches Universum mit unver�nderlicher Ausdehnung sorgte. Die physikalische Ursache dieser kosmologischen Konstante blieb indes unklar. Als dann in den 1930er Jahren klar wurde, dass das Universum nicht unver�nderlich ist, sondern expandiert, gab sich Einstein geschlagen und bezeichnete die Einf�hrung der kosmologischen Konstante als gr��te Eselei seines Lebens. Doch jetzt ist sie wieder da � und mit ihr die alten Fragen nach ihrer Ursache.

**Entwicklungsphasen des Universums**

Seit dem Urknall vor etwa 13,7 Milliarden Jahren dehnt sich das Universum aus. Der sich aufweitende "Raumtrichter" soll die beschleunigte Expansion veranschaulichen.

Im Jahr 1988 initiierte Saul Perlmutter vom Lawrence Berkeley National Laboratory und von der University of California, Berkeley (USA), das Supernova Cosmology Project, um die Expansion des Universums genauer zu vermessen. Seine Idee war es, explodierende Sterne eines bestimmten Typs zu studieren. Eine solche Supernova Typ Ia leuchtet unvermittelt in irgendeiner Galaxie auf, ihre Helligkeit steigt innerhalb von Tagen an und f�llt dann wieder ab. Perlmutter ging davon aus, dass diese Supernovae an sich immer ungef�hr gleich hell sind, etwa so wie Stra�enlaternen derselben Art. Aus der Helligkeit, mit der sie am Himmel erscheinen, l�sst sich deshalb ihre Entfernung errechnen: Je weiter entfernt, desto lichtschw�cher erscheinen sie, genauso wie Laternen entlang einer Stra�e. Zus�tzlich ma�en Perlmutter und Kollegen die Geschwindigkeiten, mit denen die Supernovae sich auf Grund der Ausdehnung des Universums von uns entfernen. Beide Informationen zusammen spiegeln die vergangene Expansion des Raums wider.

Perlmutters Ziel war es, m�glichst viele Supernovae in unterschiedlichen Entfernungen zu messen � ein schwieriges Unterfangen, weil niemand wei�, in welcher Galaxie der n�chste Stern explodiert. M�glich wurde dies, indem er mit einem Teleskop jede Nacht ein gro�es Himmelsfeld ablichtete, in dem sich mehrere tausend Galaxien befanden. Auf diese Weise fand er bis 1994 ganze sieben Supernovae. Obwohl sich in diesen wenigen Messdaten das unglaubliche Ergebnis eines beschleunigten Universums bereits abzeichnete, blieb er auf einer Tagung noch vorsichtig und schloss f�lschlicherweise: "Wir leben in einem gebremsten Universum."

Bis dahin war es eine selbstverst�ndliche Annahme, dass die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums langsam abnehmen w�rde. Der Grund: Den Schwung f�r die Expansion bekam das Universum im Urknall mit, doch seitdem bremst die Materie mit ihrer Schwerkraft die Ausdehnung. F�r eine beschleunigte Expansion sah man keinerlei Ursache.

Perlmutters Verfahren funktionierte sehr gut, so dass 1994 Brian Schmidt von der Australian National University in Weston Creek (Australien) und Adam Riess von der Johns Hopkins University und vom Space Telescope Science Institute in Baltimore (USA) ein �hnliches Projekt mit dem Namen High-Redshift Supernova Search starteten. Nach weiteren vier Jahren berichteten die beiden Gruppen auf Tagungen von Ergebnissen, die sie anfangs selbst nicht glauben konnten. Doch im Fr�hjahr 1998 reichte die Gruppe um Riess und Schmidt eine Ver�ffentlichung auf der Basis von 16 Supernovae ein, Perlmutters Team folgte im September desselben Jahres mit 42 Supernovae. Beide Gruppen waren zum selben Ergebnis gekommen: Bis etwa zur H�lfte des heutigen Weltalters hat die Materie tats�chlich wie bis dahin angenommen die Ausdehnung des Raums gebremst, doch dann setzte eine Beschleunigung ein, und seitdem dehnt sich das Universum mit wachsender Geschwindigkeit aus.

Ursache f�r dieses Verhalten ist die Dunkle Energie. Wie Wasserdampf in einem Dampfkochtopf treibt sie das Universum auseinander. In einem Telefoninterview mit dem Nobelkomitee erinnerte sich Schmidt. "Wir waren anfangs sehr erschrocken �ber dieses Ergebnis und fanden es zu verr�ckt, um wahr zu sein." Der Astrophysiker Bruno Leibundgut von der Europ�ischen S�dsternwarte ESO fand das zwar auch, widmet sich aber seitdem der Dunklen Energie. "Bis heute haben wir mehr als 1000 Supernovae vermessen, und alle best�tigen das urspr�ngliche Ergebnis", fasst er den derzeitigen Stand zusammen. Dar�ber hinaus haben andere Beobachtungen, die nicht auf Supernovae beruhen, zu demselben Ergebnis gef�hrt. Dazu z�hlt die Untersuchung der kosmischen Hintergrundstrahlung mit dem amerikanischen Weltraumteleskope WMAP und die Entwicklung von Galaxienhaufen. "Diese Ergebnisse haben unsere Schlussfolgerungen aus den Supernova-Beobachtungen entscheidend unterst�tzt", sagt Leibundgut.

Ingredienzen des Universums
Nach dem heutigen Standardmodell der Kosmologie macht die uns bekannte Materie, aus der alle Sterne, Planeten und auch wir Menschen bestehen, nur knapp 4,6 Prozent der insgesamt vorhandenen Materie aus. 23 Prozent steuert die noch unbekannte Dunkle Materie bei, den L�wenanteil von 72 Prozent stellt die Dunkle Energie. Da nach der einsteinschen Formel E=mc² Energie eine Form von Materie ist, besitzt auch die Dunkle Energie eine Masse.

Aus physikalischer Sicht entspricht die Dunkle Energie Einsteins kosmologischer Konstante, aber sie ist gr��er und treibt deshalb das Universum auseinander. Manche Physiker f�hren sie auf eine Eigenschaft des Vakuums zur�ck. Dass das Vakuum mehr als nichts ist, ist eine Vorhersage der Quantentheorie. Demnach entstehen auch im leeren Raum unabl�ssig Teilchen und verschwinden nach Bruchteilen einer Sekunde wieder. Dieser "See virtueller" Teilchen stellt eine Energie dar. Allerdings f�hren Absch�tzungen der Vakuumenergie zu einem Wert, der um etwa 100 Zehnerpotenzen �ber der tats�chlichen Gr��e der Dunklen Energie liegt. Das d�rfte wohl die gr��te bekannte Unstimmigkeit in der gesamten Physik sein.

**�berrest einer Supernova**

1006 n. Chr. leuchtete ein neuer Stern am Erdhimmel auf: die �berreste der Supernova SN 1006 im Sternbild Wolf. Sie war wom�glich die hellste Supernova, von der die Menschen bisher Notiz nahmen. Mit Hilfe von derartigen Sterndaten berechneten die drei Laureaten des Jahres 2011 die Expansionsgeschwindigkeit des Universums.

Manche Theoretiker machen auch m�gliche Energiefelder verantwortlich, die Bruchteile von Sekunden nach dem Urknall in der Phase der inflation�ren Expansion entstanden sein k�nnten. "�berzeugend sind die aber alle nicht", sagt der emeritierte Professor f�r Theoretische Physik der Universit�t Z�rich und profunde Kenner der Relativit�tstheorie Norbert Straumann und stellt fest: "Die Dunkle Energie ist eines der grundlegenden Probleme der modernen Physik." Das wollen verst�rkt auch Europas Astrophysiker l�sen: Wenige Stunden nach der Nobelpreis-Verk�ndung empfahl das Wissenschaftskomitee der Europ�ischen Weltraumorganisation ESA den Bau eines Weltraumteleskops namens Euclid, das ausschlie�lich der Erforschung der Dunklen Energie dienen soll. Der Start soll 2019 erfolgen.

Nach heutigem Kenntnisstand wird das Universum wegen der Dunklen Energie bis in alle Ewigkeit mit immer gr��erer Geschwindigkeit expandieren. Irgendwann wird diese Ausdehnung jede Art von Materiezusammenballung verhindern, womit auch keine neuen Sterne mehr entstehen k�nnen. Das Universum endet dann als dunkler, kalter und toter Raum.