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Der Absturz der normalen Materie

Mit 4 Prozent kann man weiß Gott nicht viel anfangen! So ist etwa eine Partei, die einst fast 15 Prozent erreichte, jetzt mit diesem mickrigen Wert konfrontiert. Das ist aber nichts, verglichen mit dem Absturz, den das Universum erlebt hat: Sein Wert lag lange bei 100 Prozent! Gemeint ist aber natürlich nicht die Wählergunst, sondern der Anteil "normaler" Materie – der Stoff aus dem Lebewesen, Planeten, Sterne und Galaxien sind. Bis in die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts, war man der Meinung, dass der materielle Gehalt des Universums bestens bekannt sei: Protonen, Neutronen, Elektronen – die Bausteine der Atome. Dann kam der erste Streich: die Dunkle Materie. Sie verdrängte die normale ("baryonische") Materie von Platz eins: Ihr blieb fortan nur noch 17 Prozent.

Plötzlich dominierte also eine obskure Fraktion, deren Mitglieder völlig unbekannt waren. Immer noch ist unklar, was sich hinter der Dunklen Materie verbirgt. Fest steht nur, dass sie für den Bestand des Kosmos dringend gebraucht wird: Es ist die "fehlende Masse", welche Galaxien und Galaxienhaufen stabilisiert. Kurz vor der Jahrtausendwende folgte dann der zweite Streich: die Dunkle Energie. Was einst "normal" war, landete nun abgeschlagen auf Platz drei. Das (vorläufige?) amtliche Endergebnis lautet: Dunkle Energie 73 Prozent, Dunkle Materie 23 Prozent, normale Materie 4 Prozent.

Im Zentrum der Geschichte zum "4%-Universum" von Richard Panek, bekannt durch seine Artikel zu astrophysikalischen Themen in der New York Times, steht die Arbeit von Saul Perlmutter, Brian Schmidt und Adam Riess. Sie lieferten sich über Jahre in zwei konkurrierenden Teams einen spannenden Kampf in einer noch jungen Disziplin, der experimentellen Kosmologie. Ziel des amerikanischen "Supernova Cosmology Project" (SCP) und des australischen "High-z Teams" war nichts Geringeres als die Geometrie des Universums mit extrem weit entfernten Supernovae vom Typ Ia ein für allemal zu klären. Sie konnten aus dem Vollen schöpfen, nutzten große erdgebundene Teleskope und das Hubble Space Telescope.

Nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie hängt die Struktur des Universums wesentlich von der mittleren Massendichte Ω ab. Ihr Wert bestimmt, wie sich die Expansion durch die vorhandene Materie verzögert. Dass sie sich seit dem Urknall verzögert – Masse wirkt stets anziehend – stand außer Frage. Grundlage waren die Gravitationsgleichungen ohne kosmologische Konstante Λ. Nachdem Einstein diese zunächst ad hoc eingeführt hatte, um das Universum statisch zu halten, zog er sie nach über einem Jahrzehnt aufgrund der mittlerweile nachgewiesenen Expansion als "Eselei" zurück. Wer danach noch an Λ  ≠ 0 glaubte, galt als Exot.

Das Buch startet im Jahr 1965 mit der Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung durch Robert Wilson und Arno Penzias. Man ist hautnah dabei wie die Astronomen Robert Dicke und Jim Peebles erkannten, dass dies der endgültige Beweis für die Urknalltheorie war. Der nächste Meilenstein: Vera Rubins Erkenntnis, dass Spiralgalaxien schneller rotieren als die sichtbare – leuchtende – Materie zulässt: Die Existenz der Dunklen Materie war nicht mehr zu leugnen. Was Ω betrifft, war man in den 1990er Jahren bei einem Wert von 0,3 angekommen (als Summe aus baryonischer und Dunkler Materie).

Auf Grund der geringen Verzögerung käme die Expansion damit nie zum Stillstand und das Universum wäre offen (hyperbolisch gekrümmt). Das lange diskutierte sphärische Universum (Ω > 1) mit seinem finalen Kollaps war komplett vom Tisch. Für die meisten Astronomen, von Hause aus zuständig für den Kosmos, war die Sache damit gelaufen – wäre da nicht die penetrante Störung durch die ungeliebten Teilchenphysiker, die sich für den Urknall verantwortlich fühlten. Sie hatten 1980 die Inflationstheorie erfunden, welche etwas völlig anderes forderte: Ω = 1! Das bedeutet ein flaches Universum, bei dem die Expansion asymptotisch zum Stillstand kommt. Woher sollten die Astronomen so viel Materie nehmen?

In dieser spannenden Phase traten die Teams aus den USA und Australien auf den Plan. Von Anfang an gab es Rivalitäten: Den Astronomen Schmidt und Riess (High-z) war die Arbeit der Teilchenphysiker um Perlmutter (SCP) nicht geheuer und umgekehrt. Außerdem hatten sie als vermeintliche Frischlinge mit den Eitelkeiten der Platzhirsche der Kosmologie und Supernovaforschung wie Jim Peebles und Bob Kirshner zu kämpfen. Unabhängig voneinander erlebten beide Teams aber dieselbe Überraschung: Die beobachteten Supernovae verhielten sich anders als erwartet. Sie waren zu schwach, also weiter entfernt als nach dem Standardmodell (Λ = 0, Ω = 0,3) erwartet.

Die Bombe platzte Anfang 1998: Perlmutter, Schmidt und Riess mussten verkünden (allerdings nicht ohne den üblichen Prioritätenstreit), dass das Universum nicht verzögert expandiert, sondern beschleunigt! Schnell wurde klar, dass dies nur mit einer "abstoßenden" Gravitation funktioniert. Genau dies leistet aber eine Theorie mit Λ > 0. Einsteins "Eselei" mutierte zum Rettungsanker – eine erstaunliche kosmologische Renaissance. Eine weitere Überraschung: die mysteriöse Kraft – von Mike Turner Dunkle Energie getauft – trägt mit einem Anteil von 0,7 zu Ω bei. Damit ist nach der simplen Arithmetik von Adam Riess Ω = 0,3 + 0,7 = 1 – so wie von der Inflation gefordert.

Astronomen und Physiker, Beobachter und Theoretiker lagen sich angesichts dieser eleganten Lösung in den Armen: Das Universum ist tatsächlich flach, und es wird ewig expandieren. Einziger Schönheitsfehler: Interpretiert man die Kosmologische Konstante als Vakuumenergie so ergibt sich eine "kleine" Differenz zwischen Beobachtung (0,7) und Berechnung, denn die Quantenfeldtheorie liefert einen Wert von 10120 (der Autor schreibt die Zahl bewusst aus). Nach wie vor tappt man bei der Überwindung dieser "selbst für die Kosmologie großen Diskrepanz" noch völlig im "Dunkeln". Zur Lösung des Dilemmas wird so ziemlich alles aufgeboten, von einem "Fünften Element" (Quintessenz) bis zum "holografischen Universum" – Raumschiff Enterprise lässt grüßen. Schon kommen erste Zweifel an der Inflationstheorie auf. Die Sache ist also, trotz aller Eleganz, noch nicht gegessen.

Richard Panek hat gründlich recherchiert und Interviews mit über 90 Astronomen, Physikern und Publizisten geführt. Das Ergebnis kann sich sehen lassen: Ein lesenwertes Buch, das viele persönliche Geschichten, Hintergründe und Einsichten vermittelt – und dabei ganz ohne Abbildungen auskommt (die eine oder andere hätte allerdings zur Erklärung schwieriger Sachverhalte nützlich sein können). Der Übersetzer hat versucht die lockere, typisch amerikanische Darstellung zu erhalten.

Leider treten dabei einige Schwächen im Ausdruck auf, wie etwa der kryptische Satz auf S. 211 zeigt: "Glanz' Artikel ... erweckte den Eindruck, dass SCP die High-z-Leute darin besiegte, SCP darin zu besiegen, sie in ihrem eigenen Spiel zu besiegen." Gravierender sind aber diverse inhaltliche Fehler. So wird etwa auf den Seiten 170 und 178 die Dauer der Inflationsphase mit 1035 s angegeben (statt 10-35 s). Auf S. 175 ist von einem "Häufigkeitsverhältnis von ungefähr drei Viertel Wasserstoff und drei Viertel Helium im Universum" die Rede (statt eines Viertels Helium). Auf S. 129 entspricht die Rotverschiebung von 0,48 einer Entfernung von "4,9 Lichtjahren“ (statt 4,9 Milliarden Lichtjahren). Der Logiker Kurt Gödel wird auf S. 40 als "Theoretischer Physiker" bezeichnet (sein einziger Ausflug in die Physik ist die Angabe einer Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen). Positiv wirken dagegen das Personen- und Sachregister sowie das umfangreiche Literaturverzeichnis.

Fazit: Mit dem "4%-Universum" hat Richard Panek ein spannendes, hochaktuelles Buch geschrieben, das keine besonderen Vorkenntnisse erfordert. Ich kann es allen empfehlen, die sich für die jüngste Geschichte der Kosmologie interessieren. Im letzten Kapitel spekuliert der Autor übrigens noch auf einen möglichen Nobelpreis für Saul Perlmutter, Brian Schmidt und Adam Riess. Seit dem Herbst 2011 ist dieser sogar Realität.

47. KW 2011

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 47. KW 2011

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