Kosmologie

Umstrittene Dunkle Energie

Sie soll Beobachtungen erkl�ren, die von den meisten Kosmologen als beschleunigte Expansion des Alls interpretiert werden. Doch nun kommt eine ganz andere Deutung in Frage: Unsere Galaxis liegt vielleicht inmitten einer gigantischen Leere.

Die gr��ten wissenschaftlichen Revolutionen werden oft von den kleinsten Unstimmigkeiten ausgel�st. Im 16. Jahrhundert zog Kopernikus aus Feinheiten der Himmelsbewegungen, die vielen Zeitgenossen als unerheblich galten, den Schluss, die Erde liege nicht im Mittelpunkt des Alls. In unserer Epoche k�ndigte die Entdeckung des beschleunigten Universums vor elf Jahren eine weitere Revolution an. Aus einer winzigen Abweichung in der Helligkeit explodierender Sterne folgerten die Astronomen, sie h�tten keine Ahnung, woraus 70 Prozent des Kosmos bestehen. Sie konnten nur feststellen, dass der Raum anscheinend von einer ganz unvergleichlichen Substanz erf�llt wird, welche die Expansion des Universums nicht bremst, sondern vorantreibt. Diese Substanz erhielt den Namen Dunkle Energie.

Inzwischen ist ein Jahrzehnt vergangen, und die Dunkle Energie gibt noch immer so viele R�tsel auf, dass einige Kosmologen die grundlegenden Postulate, aus denen ihre Existenz gefolgert wurde, in Zweifel ziehen. Eines dieser Postulate ist das Ergebnis…

1. Kosmologie lebt von Hypothesen

30.07.2009, Dr. Hans-Joachim Rimek, Bonn

Weil eine weit entfernte Supernova nicht so hell erscheint wie erwartet, schlie�t man auf eine beschleunigte Expansion des Universums! ("Nicht sein kann, was nicht sein darf"). Dabei ist die vorausgesetzte gleiche absolute Strahlungsst�rke aller Supernovae eine m�glicherweise vern�nftige, aber unbewiesene Hypothese. Von solchen Hypothesen lebt die Kosmologie - sie hat ja keine M�glichkeit, ihre Annahmen zu verifizieren. Auch die beiden Relativit�tstheorien Einsteins gr�nden trotz ihrer Erfolge auf unbeweisbaren Hypothesen. Ist der Raum unver�nderlich? L�uft die Zeit gleichm��ig ab?
Dass sich beim klassischen Michelson-Versuch die Lichtgeschwindigkeit (in einem sehr kleinen Raumabschnitt) in allen Richtungen als gleich erwiesen hatte, veranlasste Einstein, dies auch f�r das ganze Universum und f�r alle Zeiten anzunehmen. Daraus folgte dann die Variabilit�t des Raums.
Etwas �ber die Lichtgeschwindigkeit vor z. B. 10 Milliarden Jahren oder in einer Entfernung von 10 Milliarden Lichtjahren zu wissen, ist unm�glich.
Einstein hat zwar die ad-hoc-Hypothese von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit aufgestellt und verteidigt - er brauchte in seiner Theorie einen festen archimedischen Punkt -, er hat sich aber nie, anders als die P�pste, als unfehlbar angesehen.
Vielleicht gibt es ja doch unterschiedlich helle Supernovae. Die "riesige Leere" und die "dunkle Energie"k�nnte man damit in den Tolkienschen Kosmos des "ersten Zeitalters" verbannen, und unsere Kosmologen k�nnten sich wieder entspannen.

2. Expandieren wir mit?

05.08.2009, Ren� Boehm, Hamburg

Liebe Redaktion,
wo kann man eigentlich �dumme Fragen� beantwortet bekommen, die sich auf Ihre Artikel beziehen?

Beim Begriff �Expansion des Weltalls� � wieder Thema der laufenden Nummer � kam mir die Frage in den Sinn, ob mit dem Raum auch derjenige Raum expandiert, den wir selbst einnehmen, ob wir also im gleichen Verh�ltnis wachsen. Ebenso dumm w�re die weitere Frage, ob auch das Urmeter, wenn es denn noch Ma�stab w�re, mit expandiert. Wir w�rden dann unsere Expansion nicht feststellen k�nnen. Eventuell w�rde sich damit auch die Lichtgeschwindigkeit c im Verh�ltnis der Expansion erh�hen.

Ich meine mich zu erinnern, fr�her durch einen Artikel gelernt zu haben, dass zu unterscheiden ist, ob sich zwei Dinge nur infolge der Expansion des Raumes voneinander entfernen oder ohne diesen Effekt. Soweit die Distanzvergr��erung infolge Expansion geschieht, so habe ich das verstanden, k�nnte diese auch h�her als mit Lichtgeschwindigkeit stattfinden.

Fragen, Fragen, und Google oder Wolfram helfen nicht � vielleicht gibt es ja bei Ihnen noch einen netten Oberlehrer.

Antwort der Redaktion:
Auch der Raum, den wir selbst einnehmen, ist von der Expansion nicht ausgeschlossen. Unsere Gr��e ver�ndern wir dadurch aber nicht, ebensowenig wie das Urmeter. Denn letztlich sind allein die Fundamentalkr�fte daf�r verantwortlich, welche Abst�nde beispielsweise zwischen Atomkern und Elektronenh�lle oder zwischen einzelnen Atomen herrschen. Man k�nnte sagen, sie korrigieren die durch die Expansion des Raums gr��er werdenden Abst�nde kontinuierlich wieder auf ihr "richtiges" Ma�.

Dasselbe gilt auch f�r unsere Milchstra�e. W�hrend sich (fast) alle anderen Galaxien durch die Raumexpansion von uns entfernen, ist sie selbst gravitativ gebunden: Die fundamentale Schwerkraft sorgt also daf�r, dass sie sich nicht aufbl�ht.

Der Spektrum-Artikel, den Sie gelesen haben, war vermutlich "Der Urknall � Mythos und Wahrheit". Hier geht es auch um die Frage, ob sich Galaxien �berlichtschnell voneinander entfernen k�nnen. "Im Raum" k�nnen sie es nicht, ebensowenig wie beliebige andere Objekte, denn hier gilt die Lichtgeschwindigkeit als oberstes Tempolimit.

Wenn die zwei Galaxien allerdings ausreichend weit voneinander entfernt sind � und selbst wenn sie relativ zueinander im Raum ruhen �, kann der zwischen ihnen expandierende Raum sie so stark voneinander wegrei�en, dass ihr Abstand mit �berlichtgeschwindigkeit w�chst. Sie bewegen sich dann also nicht durch den Raum, sondern mit ihm mit. Und dabei gelten keine Tempolimits.

3. Mein Universum!

10.08.2009, Dr. Roland Schmidt, Baunatal

Meistens �rgern mich Artikel �ber Kosmologie, der dunklen Energie wegen. Nicht so dieser! Und zwar auch der dunklen Energie wegen, die hier Hypothese bleibt und noch nicht den gr��ten Teil des Universums ausmacht.

Was mich nicht so richtig befriedigt und die Autoren wohl auch nicht, ist, dass die Inhomogenit�t des Raums auf einer lokalen Besonderheit beruht. W�re es da nicht sinnvoller, ganz auf die Forderung nach Homogenit�t von Raum und Zeit zu verzichten? Schlie�lich ist das beobachtbare Universum schon insofern inhomogen, als sich r�umlich entfernt beobachtete Ereignisse auch zeitlich entfernt, also in der Vergangenheit ereigneten.

Vorstellbar w�re etwa ein Universum, in dem die Zeit in der Vergangenheit schneller verlief als in der Gegenwart. Wenn in einem solchen Universum ein r�umlich entferntes Ereignis w�hrend einer bestimmte Dauer TG beobachtet wird, dann hatte dieses Ereignis f�r einen Beobachter am Ort und zur Zeit des Ereignisses ein geringere Dauer TV. Wenn man nun weiterhin am kosmologischen Prinzip festh�lt und fordert, dass f�r letzteren Beobachter zu seiner Zeit ein physikalischer Prozess genauso verlief wie f�r einen gegenw�rtigen Beobachter, dann f�hrt das unweigerlich dazu, dass ein heutiger Beobachter eine Rotverschiebung f�r Licht feststellt, das aus r�umlicher Entfernung zum ihm vordringt, wobei die Ursache f�r diese Rotverschiebung nunmehr nicht mehr auf eine Fluchtbewegung von Galaxien zur�ckzuf�hren ist, sondern vielmehr in der Inhomogenit�t der Zeit begr�ndet liegt. Denn obwohl das beobachtbare Universum letztlich aufgrund seiner eingeschr�nkten Beobachtbarkeit inhomogen erscheint, existiert ja doch auch noch ein Universum an sich, in dem f�r jeden beliebigen Ort dieselbe Gegenwart wie f�r den Beobachter herrscht, nur ist dieses nicht beobachtbar. Allerdings ist es vorstellbar, und zwar als homogenes Universum, darin r�umlich entfernte Raumpunkte zun�chst einmal nicht mit einer gegenseitigen Relativbewegung belegt werden m�ssen.

Andererseits ist es in einem solch inhomogenen Universum aber auch so, dass, w�hrend f�r den Beobachter in der Gegenwart die Eigenzeit G vergangen ist, an einem r�umlich und damit auch zeitlich entfernten Ort seiner Beobachtung die gr��ere Eigenzeit V vergangen ist, da ja die Zeit in der Vergangenheit schneller verlaufen soll als in der Gegenwart. Wenn man nun also das Alter des Universums auf welche Art auch immer mit Zeitma�st�ben der Gegenwart berechnet, dann erh�lt man wom�glich ein endliches Ergebnis. Ber�cksichtigt man allerdings diese Dehnung der Eigenzeit, je weiter man in die Vergangenheit zur�ckdringt, dann ist je nach Beschaffenheit der zeitlichen Inhomogenit�t ein nicht endliches Alter m�glich.

Es liegt mir nun v�llig fern, an jenem Ereignis zu zweifeln, dass Urknall genannt wird. Bei diesem Ereignis handelt es ich ja nicht etwa um irgendeinen Anfang, sondern um den Anfang des Universums, und mithin auch um den Anfang von Raum und Zeit. Und da es sich nun einmal um den Anfang der Zeit handelt, sollte doch, wann immer man auf diesen Anfang zur�ckgeblickt, dieser in der Vergangenheit liegen. Dann er�brigt sich die Frage, was vor dem Anfang war, und der Anfang selbst ist mit r�umlichen und zeitlichen Anschauungen nicht mehr fassbar. Man k�nnte also sagen, dass die Existenz eines Anfangs geradezu nach einer zeitlichen Inhomogenit�t verlangt.

Dem kosmologischen Prinzip folgend w�rde man nun fordern, dass jeder Beobachter zu jeder Zeit dieselbe Lichtgeschwindigkeit misst. W�hrend am Ort des Beobachters die Eigenzeit G vergeht, erstreckt sich nun das Ereignis selbst �ber eine gr��ere Eigenzeit V. Das Licht hat also am Ort und zur Zeit des Ereignisses eine gr��ere Strecke zur�ckgelegt als am Ort des Beobachters w�hrend der Beobachtungszeit. Das hei�t also, dass ein Beobachter in der Gegenwart Strecken im r�umlich entfernten Universum zu kurz beurteilt.

In einem inhomogenen Universum k�nnen Ereignisse viel weiter entfernt sein als die gegenw�rtigen Ma�st�be des Beobachters vermuten lassen. Insbesondere k�nnte das Universum je nach Art der Inhomogenit�t und bei Vermessung in �Eigenstrecken� (Strecken, die ein Beobachter am Ort und zur Zeit des Ereignisses auch tats�chlich feststellen w�rde), auch unendlich ausgedehnt sein.

Die endliche Gr��e des beobachtbaren Universums resultiert dann letztlich daraus, dass r�umlich und zeitlich entfernt wahrgenommene Ereignisse mit den Ma�st�ben der Gegenwart beurteilt werden und nicht mit Ma�st�ben, die zu ihrer Zeit G�ltigkeit hatten.

Ein wie oben gedanklich vorstellbares, aber nicht beobachtbares Universum, in dem an jedem Punkt Gegenwart herrscht, w�re dann homogen und unendlich ausgedehnt, sowohl im Raum als auch in der Zeit.

4. Expansion des Universums unm�glich

31.08.2009, John Jobson, Wiesbaden

Nach dem Spruch von Sherlock Holmes (alias Sir Arthur Conan Doyle): Wenn man das Unm�gliche eliminiert hat, muss das, was �brig bleibt, egal wie unwahrscheinlich, die Wahrheit sein.
Ich betrachte die vermeintliche Expansion des Universums, die seit 1998 zwangsl�ufig exponentiell "in alle Ewigkeit" sein m�sste (d. h. die Hubble-Konstante ist wirklich eine Konstante), als unm�glich. Nicht nur, weil es daf�r noch keine Naturgesetze gibt, sondern auch, weil die sogenannte "Dunkle Energie" auch exponentiell anwachsen m�sste.
Im Sinne von Sherlock Holmes, was �brig bleibt, sind die Photonen, die ihre Energie verlieren. Meinen Berechnungen nach, mit einer Halbwertzeit von ca. 677,8 / H Milliarden Jahren, wobei H der Hubble-Konstante in den �blichen Einheiten km / s / Mpc ausgedruckt wird.

5. Das kopernikanische Universum in einem neuen Licht

03.09.2009, John Jobson, Wiesbaden

Seit 1929 schreibt man im allgemeinen die Rotverschiebung dem Doppler-Effekt zu.

Dazu braucht man einen Urknall, und sp�testens seit 1998 nach der "Feinabstimmung" der Hubble-Konstante, sowohl ein exponentiell expandierendes Universum, als auch eine exponentiell wachsende "Dunkle Energie".

Die einfachste Altenative ist doch, die beteiligten Photonen verstrahlen ihre Energie, analog dem "Newton'schen Gesetz der K�hlung", und zwar f�r unsere Verh�ltnisse "relativ" langsam.

Wie normalerweise zu erwarten w�re, werden die Photonen auf ihrer Reise durch das All langsam k�lter.

Dazu braucht man weder Urknall, noch expandierendes Universum, noch "Dunkle Energie".

Ich gehe davon aus, dass sich die vermeintliche "Lichtschw�che" der beobachteten Supernova-Ereignisse ziemlich gut mit dem kopernikanischen Prinzip vereinbaren l��t.

Die sogenannte "3K kosmische Hintergrundstrahlung" kann ich leider nur als Strahlung (�u�erst) ferner Galaxien deuten. Daf�r w�rde die Energie der von mir vermuteten (Streu-)Strahlung sich abk�hlender Photonen meiner Meinung nach nicht ausreichen.

6. Energieerhaltung bei Rotverschiebung?

01.02.2010, Mirko Ogris, Ing.

In verschiedenen Artikeln wird immer wieder die Rotverschiebung ferner Galaxien er�rtert. Diese soll auf der Ausdehnung oder "Vermehrung" des Raumes an sich beruhen.

Nun zum Gedankenexperiment:
Wenn von einem entfernten Objekt ein Photon ausgesendet wird, dann hat es die Energie E=hf (h: Heisenbergsche Konstante). Dieses Photon trifft nun beim Beobachter rotverschoben ein. Das hei�t, die Frequenz ist niedriger als zuvor und damit ist auch die Energie geringer.
Energie kann aber (innerhalb eines geschlossenen Systems) nicht vermehrt oder verringert werden.

Nun die schlichte Frage:
Wo ist die Differenz der Energie abgeblieben?
Vom Raum "absorbiert"?
Oder ist etwas an den Voraussetzungen falsch?
Da sich der Raum �berall und immerfort ausdehnt, wird dadurch jede Strahlung immer rotverschoben?
"Verschwindet" dadurch die Energie am Ende doch?
Hat schon jemand diese Fragen gestellt?

Antwort der Redaktion:
Diese Frage taucht tats�chlich immer wieder auf, ist aber auch schon mehrfach beantwortet, zum Beispiel in Andreas M�llers Lexikon der Astrophysik (suchen Sie dort nach dem Absatz "Problem mit Energieerhaltung?"). Dieses Online-Lexikon ist auch f�r viele andere Fragen ein empfehlenswerter Ratgeber.