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Astrophysik: Bevor der Kosmos Gas gab

Eine jüngst entdeckte Supernova mit einem Rekordalter von 11,3 Milliarden Jahren bestätigt, dass sich das Weltall immer schneller ausdehnt – vermutlich getrieben von einer mysteriösen Kraft, wie sie Einstein einst postuliert hatte.


Als Albert Einstein im Jahre 1917 versuchte, seine kurz zuvor formulierte Allgemeine Relativitätstheorie auf den Kosmos anzuwenden, stieß er auf ein Problem: Ein statisches Weltall, wie es nach damaligen Vorstellungen existierte, war mit seinen Gleichungen nicht vereinbar, weil sich die Massen gegenseitig anziehen und so schließlich in einem Punkt zusammenfallen müssten. Deshalb postulierte der geniale Theoretiker eine bislang unbekannte Kraft, die der Gravitation entgegenwirkt und die Massen auseinander treibt. Er nannte sie "kosmologische Konstante" und korrigierte damit seine Gleichungen.

Doch dann stellten Astronomen in den zwanziger Jahren fest, dass sich sämtliche fremden Galaxien von der unseren weg bewegen – quasi vor uns fliehen – und zwar umso schneller, je größer ihre Entfernung ist. Das ließ nur einen Schluss zu, wie der amerikanische Astronom Edwin Hubble 1929 konstatierte: Das All dehnt sich unablässig aus. Wenn man aus den Geschwindigkeiten und Bewegungsrichtungen der Galaxien zurückrechnete, so mussten sie alle einst von einem einzigen Punkt ausgegangen sein. Die Idee vom Urknall, der unser Universum bis heute auseinander fliegen lässt, war geboren.

Damit erwies sich Einsteins Konstante als überflüssig, und ihr Urheber selbst bezeichnete sie als "größte Eselei meines Lebens". Die Hubble-Konstante hingegen beschrieb einen linearen Zusammenhang zwischen der Fluchtgeschwindigkeit einer Galaxie und ihrer Entfernung – je weiter weg, desto schneller. Die Geschwindigkeit wiederum ließ sich leicht anhand der Rotverschiebung des Lichtes berechnen. So wie der Sirenenklang eines davonrasenden Polizeiautos tiefer klingt als bei dessen Annäherung, ist die Lichtfrequenz ferner Sterneninseln in den langwelligeren, roten Bereich verschoben.

Seitdem gab es drei Alternativen für die Zukunft unseres Weltalls: Es dehnt sich mit allmählich abnehmender Geschwindigkeit bis in alle Ewigkeit weiter aus (konkaves Universum), die Expansion kommt genau in der "Unendlichkeit" zum Stillstand (flaches Universum), oder aber sie kehrt sich irgendwann um, sodass der Kosmos wieder in sich zusammenstürzt (konvexes Universum).

Die Hubble-Konstante galt dabei als eine Art Zollstock für das zuverlässige Errechnen von Distanzen zwischen den Sterneninseln. Noch bis vor wenigen Jahren ging der Streit nur über ihren genauen Wert. Das änderte sich überraschend im Jahre 1998, als zwei Astronomen-Teams von der Universität von Kalifornien in Berkeley und vom Lawrence Berkeley National Laboratory zu der revolutionären Einsicht gelangten, das Weltall dehne sich immer schneller aus – was von der Zeitschrift "Science" zum wissenschaftlichen Durchbruch des Jahres erklärt wurde.

Wegmarken im Weltall


Um die neue Erkenntnis zu verstehen, muss man wissen, wie die Hubble-Konstante bestimmt wird. Man braucht dafür nicht nur die leicht zu ermittelnde Rotverschiebung, sondern muss die Entfernung des betreffenden Objektes auch noch auf eine zweite, davon unabhängige Weise messen. Dies ist ungleich schwieriger. Bei Himmelsobjekten mit bekannter Leuchtkraft kann es über deren scheinbare Helligkeit geschehen; denn die nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ebenso ab wie eine gewöhnliche Kerze immer blasser erscheint, je weiter ein Betrachter sich von ihr weg bewegt.

Das Problem ist allerdings, im Weltall solche "Standardkerzen" mit bekannter Leuchtkraft zu identifizieren. Astronomen rechnen beispielsweise die Cepheiden dazu: veränderliche Sterne, deren absolute Helligkeit von ihrer Schwankungsperiode abhängt. Sie sind allerdings wegen ihrer relativ geringen Leuchtkraft nur bis zu einer Entfernung von rund 60 Millionen Lichtjahren zu beobachten. Als weiterer Typ von Standardkerzen gelten Supernovae vom Typ Ia: Weiße Zwerge, die von einem Begleiter Materie absaugen, bis sie jene kritische Masse erreicht haben, bei der sie unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren. Dabei wird stets eine ähnliche Energiemenge frei, und über die Geschwindigkeit des Verblassens lässt sich die absolute Helligkeit bestimmen.

Als die Astronomen aus Berkeley vor gut zwei Jahren etliche dieser Typ Ia-Supernovae vermaßen, zeigte sich, dass die Standardkerzen schwächer leuchteten, als das anhand ihrer Rotverschiebung zu erwarten gewesen wäre. Sie mussten also weiter weg sein als geglaubt, und das war nach Auffassung der beiden Teams aus Berkeley nur möglich, wenn sich die Expansion des Weltalls mit der Zeit beschleunigt hat.

Allerdings ließen sich andere Deutungen nicht völlig ausschließen. "Es könnte zum Beispiel Staub zwischen dem Objekt und uns liegen, der die Helligkeit abschwächt", gibt der Supernova-Experte Wolfgang Hillebrandt vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching bei München zu bedenken. "Oder eine Supernova vom Typ Ia könnte sich in der frühen Phase unseres Universums anders entwickelt haben als später."

Doch nun leistet eine Typ Ia-Supernova, die mit 11,3 Milliarden Lichtjahren alle Entfernungsrekorde schlägt, der These vom beschleunigten Universum Schützenhilfe. Das Objekt "SN 1997ff" war bereits im Dezember 1997 zufällig vom Hubble Space Telescope fotografiert und in den Wochen danach in ganz anderem Zusammenhang mit der Infrarotkamera des Teleskops aufgenommen worden. Ein halbes Jahr später geriet die Galaxie mit der inzwischen weitgehend abgeklungenen Supernova nochmals auf ein Foto. Erst Mitte 2000 jedoch wurden Adam Riess und seine Kollegen vom Space Telescope Science Institute in Baltimore auf das Objekt aufmerksam und konnten es als Typ Ia-Supernova identifizieren; denn es zeigte nicht nur die typische Lichtkurve, sondern schien sich auch in einer elliptischen Galaxie zu befinden, in der nach bisheriger Erfahrung nur Sternexplosionen dieses Typs vorkommen. Mit freudiger Überraschung stellten Riess und Kollegen außerdem fest, dass sie einen Rekordhalter entdeckt hatten: Mit einer Rotverschiebung von 1,7 ist SN 1997ff deutlich weiter von uns entfernt als alle bislang bekannten Supernovae, die es nur bis auf eine Rotverschiebung von 1,2 und eine Entfernung von 9,8 Milliarden Lichtjahren bringen.

Anhand der Lichtkurve konnte Riess auch die Leuchtkraft ermitteln – und erlebte eine weitere Überraschung. Einerseits ist die beobachtete Helligkeit zwar geringer als nach der Rotverschiebung zu erwarten und steht damit prinzipiell in Einklang mit der Hypothese von der Beschleunigung unseres Weltalls; andererseits aber ist sie doch etwas größer, als sie auf Grund einer einfachen Extrapolation der anderen Supernova-Beobachtungen sein sollte. Was zunächst verwirrend erscheint, entpuppt sich bei genauerer Betrachtung jedoch sogar als bisher bester Beleg für die Beschleunigungstheorie.

"Diese Supernova zeigt uns, dass sich das Universum verhält wie ein Autofahrer, der vor einer roten Ampel zu bremsen beginnt, um dann so richtig Gas zu geben, wenn sie auf Grün springt", deutet Riess den Befund. Gebremst hatte im frühen Universum die Anziehungskraft zwischen der Materie, die umso stärker wirkt, je näher die Galaxien beieinander liegen. Damals war SN 1997ff explodiert. Erst ab einer gewissen Ausdehnung des Alls gewann dann vor rund 11 Milliarden Jahren die – von der Entfernung unabhängige – abstoßende Kraft der kosmologischen Konstanten die Oberhand.

Ist das beschleunigte Universum damit eine Tatsache? Staub, so glaubt Wolfgang Hillebrandt, könne nach der Analyse der neuen Supernova nun als Gegenargument ausgeschlossen werden. Denn je weiter ein Objekt entfernt sei, desto mehr müsse der Staub ins Gewicht fallen und das Licht bei einer derart großen Distanz, wie SN 1997ff sie habe, sehr viel stärker abschwächen. Bleiben als Einwand somit nur noch mögliche Unterschiede in der Entwicklung einer Supernova-Standardkerze zwischen einst und jetzt.

Dennoch hält Hillebrandt die neue Beobachtung für einen Meilenstein: "Die Vorstellung eines sich schneller ausdehnenden Universums festigt sich." Letzte Klarheit wird allerdings erst die Auswertung einer großen Zahl solcher extrem weit entfernten Supernovae bringen. Da-zu ist ein spezielles Beobachtungsgerät namens SNAP (Supernova Acceleration Probe) geplant. Dieses satellitengestützte Infrarot-Teleskop mit einem Spiegeldurchmesser von zwei Metern soll in fünf bis acht Jahren die Erde umkreisen und jährlich 1000 bis 2000 Supernovae aufspüren. Dann könnte sich Einsteins "größte Eselei" endgültig als versehentlicher genialer Wurf erweisen – als eine "dunkle Energie", die die Expansion des Weltalls immer mehr beschleunigt.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 2001, Seite 15
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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