Dunkle Materie und die Einsteinsche kosmologische Konstante

Astrophysik

Hans Ruder

• Verlag: Komplett-Media Verlag
• Jahr: 2011
• ISBN:
  9783831256891
• Thema: Naturwissenschaften
• Thema: Astronomie & Astrophysik

Wie entstand das Weltall? Wie hat es sich entwickelt? Was bringt die Zukunft? Viele neue Beobachtungsergebnisse haben unser Weltbild, wie es noch in den 90er Jahren dargestellt wurde, total ver

Dunkle Materie, Dunkle Energie, das sind die Bestandteile unseres Universums und zwar zu 96 Prozent. Das sind fast 100 Prozent, also fast alles. Und was wissen wir Physiker davon? Wenn wir wirklich ehrlich sind, dann wissen wir fast nichts. Wir haben vielleicht unsere finsteren Vermutungen, aber ehrlich gesagt, wir haben keine Ahnung, was das ist. Das bedeutet, ich soll jetzt eine Stunde lang über etwas reden, wovon wir keine Ahnung haben, was es ist. Das ist natürlich für einen Physiker eine sehr schwierige Aufgabe. Und es sind gleich 96 Prozent, von dem wir keine Ahnung haben, was es ist. Aber wir wissen ganz genau, dass es 96 Prozent sind. Aber wir wissen nicht, was es ist.

Das ist das Ergebnis von 100 Jahren intensiver Forschung, Beobachtung, Computersimulationen, angestellt von Astronomen, Physikern, Astrophysikern. Die einzige Möglichkeit, die ich jetzt sehe, dass Sie mir das alles ein bisschen glauben, dass es das gibt und dass das tatsächlich so ist, - die einzige Möglichkeit ist, dass ich Ihnen einfach die Kosmologie von Anfang an ein bisschen erzähle. Anders glaube ich, geht es nicht. Über Dunkle Materie und Dunkle Energie kann ich nicht reden, weil ich nicht weiß, was es ist. Eigentlich kann ich jetzt aufhören und sagen in 20 Jahren, dann weiß man es, dann melde ich mich wieder an, dann bin ich zwar uralt, aber dann erzähle ich Ihnen, was es ist.

Teleskope und Computer

Stellen Sie sich mal vor, Sie stellen sich in einer klaren Nacht hinaus und blicken in den Himmel. Am besten natürlich nicht unter einer Straßenlaterne, sondern dort, wo es schön dunkel ist und dann blikken Sie hoch, und was sehen Sie da? Sie sehen vielleicht eine Reihe Planeten: Venus, Jupiter, Mars. Sie sehen ein paar Tausend Sterne. Sie sehen unsere Milchstraße, Sie sehen Nebelfleckchen. Am Südhimmel sehen Sie die schöne, große Magellansche Wolke. In der nördlichen Hemisphäre sehen Sie den Andromeda Nebel. Gut, das ist aber eigentlich auch schon alles.

Inzwischen haben wir Astrophysiker und Physiker Fernrohre und Detektoren entwickelt, die ungeheuer viel empfindlicher sind als unsere Augen. Also beispielsweise im optischen Bereich. Wenn Sie ein richtig schönes großes Teleskop nehmen, mit einem 8 Meter Spiegel oder das Hubble Space Teleskop in der Umlaufbahn mit seinem 2,40 Meter Spiegel. Dazu nehmen Sie diese CCD-Chips, das sind die, die Sie in Ihrer Digitalkamera haben, bloß noch ein bisschen besser. Die werden runtergekühlt, damit das thermische Rauschen weg ist. Die haben eine ungeheure Genauigkeit. Da kann man praktisch mit 90-prozentiger Wahrscheinlichkeit die einzelnen Photonen nachweisen.

So ein Fernrohr, das ist etwa 10 bis 100 Milliarden Mal empfindlicher als unser Auge. Sie können also Objekte sehen, die 10, 100 Milliarden Mal schwächer leuchten, als die Dinge, die wir mit dem Auge sehen.

Wir können aber nicht nur im Optischen schwache Objekte sehen, also ein Streichholz auf dem Mond, das ist für uns gar kein Problem. Wir können auch das gesamte elektromagnetische Spektrum abtasten, von Radiowellen über Mikrowellen, über Infrarot im optischen Bereich, Ultraviolett- bis Röntgen- oder Gammastrahlen. Wir können 22 Größenordnungen des elektromagnetischen Spektrums mit unseren Detektoren abdecken. Das liefert natürlich riesige Informationen über den Kosmos. Außerdem, was auch noch sehr schön ist, ich bin ja ein theoretischer Astrophysiker und inzwischen ein Computerfan, es gibt wunderbare Großrechner. Mit denen können wir natürlich riesige Computersimulationen machen. Wir sind jetzt schon bei Rechnern angelangt, die 10 bis 20 Teraflops schaffen, also 10 Billionen Operationen pro Sekunde machen. Wenn Sie so einen Computer, das ist ein Riesending, das ist ein ganzes Haus voll, wenn Sie den vier Wochen rechnen lassen, dann können Sie riesige Simulationen durchführen, die uns von der Theorie her ein gutes Verständnis über Dinge liefern.

Das ist also der Fortschritt. Die guten Detektoren, die guten Fernrohre, die guten Supercomputer. Dank dieses Fortschrittes wissen wir jetzt einfach viel mehr über das Universum, als wenn wir es nur mit dem bloßen Auge ansehen würden.

Galaxien

Wir wissen, dass die großen Bestandteile des Universums die Galaxien sind, Sterneninseln, Sternensysteme, so wie unsere Milchstraße. Das sind Gebilde, die etwa 100.000 Lichtjahre Durchmesser haben. Das heißt, das Licht braucht von einem Ende zum anderen etwa 100.000 Jahre.

Die Galaxien enthalten 100 bis 200 Milliarden Sonnen. Die rotieren um das Zentrum. Unsere Sonne ist eine von diesen 100 Milliarden Sternen. Sie ist etwa 22.000 Lichtjahre vom Zentrum unserer Milchstraße entfernt und läuft in 250 Millionen Jahren einmal um das Zentrum der Milchstraße.

Diese Sterneninseln sind sozusagen die Bausteine, aus denen das Universum im Großen gemacht ist. Der unserer Milchstraße nächste Baustein ist die Magellansche Wolke, die ist 160.000 Lichtjahre entfernt. Da braucht das Licht schon 160.000 Jahre, um dort hin zu kommen. Die Magellansche Galaxie Ist sehr viel kleiner als unsere Milchstraße. Die nächste Galaxie, die von ihrer Struktur und Größe mit unserer Milchstraße vergleichbar ist, das ist der Andromedanebel. Das ist also dieses kleine Fleckchen, das man in einer klaren Winternacht mit dem Auge gerade erkennen kann. Das ist eine Milchstraße, eine Galaxie, eine Spiralgalaxie, die mit 100.000 Lichtjahren Durchmesser und mit 100 Milliarden Sonnenmassen etwa so groß wie unsere ist. Und die ist so weit weg, dass man sie mit dem bloßen Auge gerade noch als kleines Fleckchen am Himmel sieht.

Als man noch nicht so große Fernrohre hatte wie heute, war lange Zeit überhaupt nicht klar, dass dieses Fleckchen vom Andromedanebel nicht zu unserer Milchstraße gehört. Dass das nicht eines von diesen Nebelchen ist oder von den kleinen Sternenansammlungen, die es in unserer Milchstraße gibt. Erst nachdem die größeren Fernrohre zur Verfügung standen, das ist noch gar nicht so lange her, das war Anfang des 19. Jahrhunderts, da wusste man, dieser Punkt ist eine Galaxie, ein eigenes Milchstraßensystem.

Jetzt war eine der großen Fragen, wie weit sind die anderen Galaxien weg? Nun, wenn Sie sich das irgendwie vorstellen wollen: Eine Galaxie ist so groß wie ein Suppenteller, 30 Zentimeter im Durchmesser. Dann sind die nächsten Galaxien drei bis vier Meter entfernt. Das heißt, das Universum besteht aus Suppentellern mit 100 Milliarden Sonnen und 100.000 Lichtjahren Durchmesser, die jeweils drei bis vier Meter voneinander entfernt im Weltall herumschweben. Nicht besonders gleichmäßig verteilt. Das sind sozusagen die großen Bestandteile des Universums.

Schwerkraft und Kosmologische Konstante

Jetzt muss man mal versuchen, ein Gesamtbild von der Theorie vom Universum zu machen. Das Problem ist die Wechselwirkungen zwischen den Galaxien, die ziehen sich ja an, das ist die Gravitation, die Schwerkraft. Das heißt, man braucht eine korrekte Theorie der Schwerkraft, um so etwas beschreiben zu können.

Man hat ja heute, bis jetzt, die Newtonsche Theorie der Schwerkraft. Man kann aber zeigen, und das ist sehr ärgerlich, dass man im Rahmen der Newtonschen Theorie eigentlich keine richtige Kosmologie machen könnte. Das passt hinten und vorne nicht zusammen. Man bekommt die Randbedingungen nicht hin.

Die erste richtige Theorie, die hat dann Einstein geliefert. 1916 hat er die Allgemeine Relativitäts-theorie aufgestellt. Die allgemeine Relativitätstheorie ist die exakte Theorie der Gravitation. Nicht, dass Newton dadurch falsch wurde, das sollte man nie meinen. Wenn Physiker irgendeine Theorie aufstellen, dann ist sie immer richtig. Die Frage ist, in welchem Bereich? Das heißt also, die über 300 Jahre alte Newtonsche Theorie ist natürlich immer noch eine korrekte Theorie der Gravitation für kleine Gravitationsfelder, für schwache Felder und für kleine Geschwindigkeiten. Die Aufgabe des Physikers besteht eigentlich darin, wenn eine Theorie aufgestellt wird, die Grenzen zu erforschen. Es ist also nicht so, dass wegen der Allgemeinen Relativitätstheorie die Newtonsche Theorie über den Haufen geworfen werden muss. Sie gilt nach wie vor für einen gewissen Bereich.

Als Einstein seine Theorie 1916 formuliert hatte, hat er sich sehr bald auch überlegt, dass man im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie tatsächlich in der Lage ist, eine Theorie vom und über den gesamten Kosmos zu machen. Das hat er bereits 1917 versucht, und da ist Folgendes passiert:

Wenn Sie sich den Himmel ansehen, dann haben Sie das Gefühl, das ist statisch. Da passiert nichts. Das ist ein statisches Universum. Das wollte natürlich Einstein auch haben. Da kann man ihm keinen Vorwurf machen. Das ist so ein naheliegender Gedanke. Jetzt ist es aber dummer Weise so, wenn Sie jetzt die Galaxien so wie diese Suppenteller im Raum verteilen, und die ziehen sich gegenseitig an, dann bleiben die nicht da stehen, sondern die fangen an, zusammenzustürzen. Jeder Suppenteller zieht den anderen Suppenteller über Gravitationswechselwirkung an, und dann fällt das ganze Gelumpe zusammen.

Das heißt also im Rahmen der Einsteinschen Theorie gab es zunächst einmal kein statisches Universum.

Dann hat Einstein sich seine Gleichungen noch einmal angesehen und festgestellt, man kann da noch irgendwo einen Term hineinfummeln. Dieses zusätzliche Glied in den Einsteinschen Feldgleichungen bewirkt, dass die Gravitation in großen Abständen abstoßend wirkt. Da hat Einstein gesagt, wunderschön, da kann ich mir ein statisches Universum basteln, indem ich einfach diese Konstante, die vor diesem Term steht, so bestimme, so groß mache, dass bei gegebenem Abstand und Dichte der Galaxien die Anziehung der Galaxien durch diese Abstoßung kompensiert wird. Mit dieser Konstante hat er ein statisches Universum konstruiert. Er hat sie die Kosmologische Konstante genannt. Darauf war er irgendwie sehr stolz, weil er mit dieser Kosmologischen Konstante zum ersten Mal eine in sich geschlossene Kosmologie gerechnet hat.

Die Hubble-Konstante

Jetzt wurden die Fernrohre immer besser. Dann kam Edwin Hubble und hat einfach beobachtet. Ich meine, letztendlich ist es immer die Natur, die aussagt, was richtig oder was falsch ist. Hubble hat also die Galaxien beobachtet. Da gab es diesen wunderschönen 2,50 Meter Spiegel auf dem Mount Wilson. Das war das größte Spiegelteleskop der damaligen Zeit, mit dem konnte man am weitesten blicken.

Und mit dem hat Hubble die Sterneninseln außerhalb unserer Milchstraße beobachtet. Er hat als erster überhaupt einmal festgestellt, dass sie nicht zu unserer Milchstraße gehören. Dann hat er, indem er sie systematisch beobachtet hat, festgestellt, dass die Galaxien sich von uns weg bewegen.

Wenn man annimmt, dass alle Galaxien gleich sind, dass da nicht hinten im Kosmos plötzlich schwächere Galaxien auftreten als bei uns, wenn man annimmt, das Weltall hat immer die gleichen Galaxien, dann kann man natürlich aus der Helligkeit einer Galaxie in etwa schließen, wie weit sie weg ist. Hubble hat sich also Galaxien angesehen, die immer schwächer waren. Und er hat aus der Helligkeit, die abgenommen hat, in etwa auf ihre Entfernung geschlossen.

Wenn man das Licht mit einem Prisma zerlegt, das kennen Sie ja alle, dann gibt es ein Spektrum. Wenn man das Sonnenlicht in ein Prisma zerlegt, dann gibt es diese farbigen Streifen, über Rot, über Gelb, über Blau. Außerdem gibt es in diesem Spektrum Linien, die sogenannten „Fraunhoferschen Linien.“ Die hat der Joseph von Fraunhofer in München entdeckt. Diese Linien sind ganz charakteristisch für die Atome und sind an einer ganz bestimmten Stelle im Spektrum.

Die Linie vom Wasserstoffatom ist an einer ganz bestimmten Stelle, die mit dem Calciumatom ist an einer ganz bestimmten Stelle, wenn der Beobachter und die Lichtquelle relativ zueinander ruhen. Wenn sich aber der Beobachter auf die Lichtquelle zu bewegt, oder sich die Lichtquelle auf den Beobachter zu bewegt, es muss nur eine Relativbewegung sein, dann wird die Frequenz höher, das Licht wird schneller, die Frequenz wird zum Blau hin verschoben, die Lichtquelle wird mehr blau.

Wenn ich mich dagegen von der Lichtquelle weg bewege, dann zieht die Bewegung die Wellenlänge in die Länge. Die Wellenlänge wird länger. Länger Wellenlänge bedeutet rotes Licht. Das ist der sogenannte „Dopplereffekt,“ den der österreichische Physiker Doppler entdeckt hat.

Den Dopplereffekt hat man auch im Akustischen. Da ist das Beispiel, wenn ein Krankenwagen mit Sirene auf uns zu kommt, dann ist der Ton höher. Wenn er von uns weg fährt, ist der Ton tiefer. Das ist genau dasselbe im Akustischen wie im Optischen, dass sich diese Linien verschieben. Wenn man jetzt also von Galaxien diese Linienverschiebung nach Rot oder Blau messen kann, dann kann man die Geschwindigkeit messen, mit der sich diese Lichtquelle von uns entfernt oder auf uns zukommt. Hubble hat diese Messung bei vielen Galaxien durchgeführt und 1929 festgestellt, dass sich eine Galaxie von uns um so schneller entfernt, je weiter sie weg ist.

Das ist etwas ganz Komisches. Wenn die Galaxie so und so viele Millionen Lichtjahre weg ist, bewegt sie sich von uns weg. Wenn sie doppelt so weit weg ist, bewegt sie sich doppelt so schnell weg. Dieses Gesetz nennt man das „Hubble-Gesetz.“

Die Konstante, die aussagt, wie viel schneller sich die Galaxie weg bewegt, wenn sie so und so viel weiter weg ist, nennt man die „Hubble-Konstante.“

Der Urknall

Es war ein ziemliches Problem, die Hubble-Konstante genau zu bestimmen, denn dazu musste man die Entfernungen der Galaxien genau kennen. Das war keine triviale Aufgabe. Stellen Sie sich doch mal nachts hinaus, blicken zum Himmel auf, und schauen Sie sich das Fleckchen „Andromedanebel“ an. Versuchen Sie mal zu überlegen, wie weit der weg ist. Es ist extrem schwierig zu bestimmen, wie weit dieses Ding weg ist.

Da gab es viele raffinierte Methoden, wie man Entfernungen bestimmen könnte. Zu Hubbles Zeiten hat es noch nicht so ganz geklappt. Da lagen die Astronomen noch um den Faktor 10 daneben. Natürlich war auch die Hubble-Konstante um diesen Faktor falsch. Aber immerhin Hubble hat einen Zusammenhang festgestellt.

Und dieser Zusammenhang ist doch außerordentlich seltsam. Sie haben eine Galaxie, die X Kilometer weit weg ist, und die entfernt sich mit der Geschwindigkeit Y. Eine andere Galaxie, die doppelt so weit weg ist, entfernt sich mit der doppelten Geschwindigkeit. Wenn Sie das rückwärts rechnen, dann waren alle Galaxien zum gleichen Zeitpunkt in einem Zentrum. Der Gedanke war sozusagen der Beginn der Urknalltheorie. Aufgrund des Hubble-Gesetzes ließ sich zwingend folgern, dass das Universum aus einem heißen, dichten Zustand entstanden ist. Alles war sozusagen auf einem Haufen und ist dann auseinander geflogen.

Das war der Beginn der Urknall-Kosmologie, der Urknalltheorie.

Diese Entdeckung Hubbles hat Einstein irgendwie ziemlich geärgert, nachdem er die Kosmologische Konstante eingeführt hatte. Denn er hatte ja die Kosmologische Konstante nur eingeführt, weil er ein statisches Universum wollte. Jetzt aber hat ihm die Natur gezeigt, das Universum ist ja gar nicht statisch. Es fliegt auseinander.

Der russische Mathematiker Alexander Friedmann hat bereits 1922 entdeckt, dass es drei Lösungen für dieses Problem gibt. Diese drei Möglichkeiten gibt es, er hat sie mathematisch streng bewiesen. Nach seinen Gleichungen ist das Universum entweder „flach“, „sphärisch“ oder „hyperbolisch“.

Alle drei Lösungen, die Friedmann gefunden hat führen automatisch dazu, dass das Weltall sich entweder zusammenzieht, oder dass es expandiert. Es gibt kein statisches Universum. Als Hubble 1929 durch seine Beobachtungen bestätigt, dass das Weltall expandiert, hat sich Einstein schon ziemlich geärgert. Es gibt da ein paar Briefe, aus denen sich das ablesen lässt. Es wird berichtet, ob es stimmt oder nicht, das weiß man nicht so genau, aber angeblich soll er gesagt haben, oder es wird ihm in den Mund gelegt:

„Die Kosmologische Konstante war die größte Eselei meines Lebens.“

Wenn Einstein die Kosmologische Konstante nicht eingeführt hätte, und gesagt hätte, ich glaube meinen Feldgleichungen auch so, dann hätte er wie Friedmann auch vorhergesagt:

„Kinder, wenn ihr in das Weltall blickt, dann müsst ihr entweder sehen, dass die Galaxien auf uns zu kommen oder von uns weg fliegen.“

Flach – Sphärisch – Hyperbolisch?

Nachdem man also so weit war, stellte sich die Frage, welche Lösung ist im Weltall realisiert? Ist es das geschlossene Weltall, also sozusagen die zweite Lösung, die Sphärische, die Kugel, oder ist es die Ebene oder die Sattelfläche? Und wenn man das in die Feldgleichungen schreibt, dann sieht man, dass man das relativ leicht entscheiden kann, wenn man zwei Größen misst: Die Expansion und die mittlere Dichte.

Das ist eigentlich ganz leicht zu verstehen. Stellen Sie sich vor, ich werfe hier einen Stein nach ...

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• Teleskope und Computer