Was ist der Unterschied zwischen Dunkler Energie und Dunkler Materie?

Das Wort "dunkel" tragen zwar beide Phänomene im Namen, gemeinsam haben sie dennoch kaum etwas. Die Dunkle Materie erhielt ihren Namen, weil sie der Hypothese nach aus noch unbekannten Teilchen besteht, die zwar den Gesetzen der Gravitation unterliegen, aber keinerlei elektromagnetische Wechselwirkung zeigen, beispielsweise mit Licht. Sie gibt also keine Strahlung ab und bleibt dunkel. Diese Materieform tritt jedoch mit massebehafteten Teilchen wie bei gewöhnlicher Materie sowie mit Photonen in gravitative Wechselwirkung. Auf diesem Wege konnte man sie schließlich auch entdecken, denn die Dunkle Materie soll die Erklärung dafür liefern, warum manche Galaxien sich anders verhalten als theoretisch erwartet. Bereits 1933 stellte Fritz Zwicky fest, dass ein von ihm beobachteter Galaxienhaufen nicht allein von der sichtbaren Materie zusammengehalten werden kann. Es muss dort noch mehr Material geben, das durch seine Schwerkraft den Haufen bindet. Was genau hinter dieser merkwürdigen Materieform steckt, ist jedoch bis heute ungeklärt.

Der Name der Dunklen Energie leitet sich aus ihrem mysteriösen Verhalten ab, das zwar anders, aber ebenso rätselhaft ist wie das der Dunklen Materie. Diese merkwürdige Energieform lässt sich ebenfalls nicht direkt nachweisen, doch sie beschleunigt das Auseinandertreiben der Galaxien im All. Das Universum wird so ständig größer.

Beide Phänomene stellen einen Großteil der Energie im All. 70 Prozent soll die Dunkle Energie an der Gesamtenergie ausmachen. Die Dunkle Materie bindet 25 Prozent des Energiegehalts. Die "normale" Materie, aus der etwa wir, die Objekte in unserer Umgebung und die Sterne bestehen, trägt lediglich 5 Prozent bei. 95 Prozent des Universums kann man somit als dunkel bezeichnen.

Wie und wann hat man die Dunkle Energie entdeckt?

Dass sich weiter entfernte kosmische Objekte von uns wegbewegen, und das immer schneller, je ferner sie sind, entdeckten Wissenschaftler bereits vor 100 Jahren. So vermaß Edwin Hubble die Rotverschiebung des Spektrums von Sternen und stellte eine größere Rotverschiebung, die einer höheren Geschwindigkeit entspricht, bei weiter entfernten Objekten fest. Bis Ende der 1990er Jahre ging man jedoch davon aus, dass die Gravitation irgendwann die Oberhand über diese Dynamik gewinnen, den Ausdehnungsprozess bremsen, stoppen und schließlich sogar umkehren würde.

Doch dann entdeckten zwei Forscherteams um Saul Perlmutter, Adam Riess und Brian Schmidt mit Hilfe von Supernovae vom Typ Ia, dass sich die Expansion des Alls sogar beschleunigt. Dieser spezielle Supernova-Typ dient den Forschern als "Standardkerze". Ihr Helligkeitsverlauf ist genau bekannt und sie strahlen ausreichend stark, um ihre Entfernung auch bei großen Distanzen sehr genau berechnen zu können. Für die Entdeckung der beschleunigten Expansion erhielten Perlmutter, Riess und Schmidt 2011 den Nobelpreis für Physik. Was fehlte, war eine Erklärung für die beschleunigte Expansion.

Welche Erklärungen haben Forscher für die Dunkle Energie?

Die meisten Physiker halten eines von zwei Erklärungsmodellen für wahrscheinlicher: Die Dunkle Energie ist demnach entweder ein Effekt der so genannten Vakuumenergie, oder aber sie lässt sich durch ein unbekanntes Teilchen samt Feld erklären, das als "Quintessenz" das gesamte All durchzieht.

Bei der Vakuumenergie handelt es sich um ein quantenmechanisches Konzept. Danach entstehen aus dem Nichts auch im völlig leeren Raum ständig "virtuelle" Paare von Materie- und Antimaterieteilchen. Diese existieren aber nur für extrem kurze Zeit und vernichten sich dann gegenseitig. Allerdings sind nach einem Prinzip von Einstein Energie und Masse äquivalent. Auch Energie kann daher die Gravitation beeinflussen. Sie kann theoretisch sogar – im Gegensatz zu Masse – einen negativen Druck vermitteln, der massebehaftete Objekte abstößt, statt sie anzuziehen. Die Energie der virtuellen Teilchen im Vakuum könnte also die Ursache für die Expansion des Alls sein. Mathematisch ließe sich die Dunkle Energie mit einer "kosmologischen Konstante" beschreiben, wie sie schon Einstein in seine Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie eingebaut, dann aber wieder verworfen hat. Allerdings liegen nach aktuellen Experimenten bis zu 120 Zehnerpotenzen zwischen dem, was das Vakuum an Energie besitzt, und der viel geringeren Energie, die in der beschleunigten Expansion steckt.

Die zweite favorisierte Erklärung ist mit dem Konzept des Higgs-Teilchens verwandt. Die Quintessenz-Hypothese basiert auf einem (noch) unbekannten, sehr leichten Verwandten des Higgs. Dieses besitzt ein Feld, das den gesamten Raum durchzieht und jeden Punkt darin mit einer Eigenschaft ausstattet, die der Anziehung der Gravitation entgegenwirkt. Das Teilchen wäre in seinen Eigenschaften mit dem Higgs-Boson prinzipiell vergleichbar, aber um 44 Größenordnungen leichter. Anders als bei der Vakuumenergie würde sich der Einfluss des Teilchens beziehungsweise seines Feldes mit der Zeit verändern. Das ließe neben einem Kältetod eines Universums mit immer dünner verteilter Materie auch einen Einsturz des Alls oder ein Zerreißen all seiner Bestandteile zu.

Gibt es noch andere mögliche Erklärungen für die beschleunigte Expansion?

Die kosmologische Konstante und die Quintessenz sind die von großen Teilen der Physiker-Community bevorzugten Erklärungsmodelle. Aber es gibt noch eine weitere Variante, die einige Physiker als plausible Ursache für die beschleunigte Expansion betrachten: eine "modifizierte" Gravitation. Nach diesem Ansatz beschreibt die allgemeine Relativitätstheorie (ART) die Wirkung der Gravitation auf sehr großen Skalen, mit denen man es ja im All zu tun hat, nicht korrekt. Eine alternative Beschreibung könnte die Abweichungen erfassen, die sich mit Einsteins Gleichungen nicht erklären lassen.

Allerdings ist die ART seit den Messungen von Gravitationswellen stärker denn je. Eine modifizierte Gravitation müsste alle Phänomene mindestens genauso präzise benennen wie die ART und zusätzlich die beschleunigte Expansion miteinbeziehen. Eine solche Theorie ist aber nach Ansicht der meisten Experten derzeit nicht in Sicht.

Wie untersucht man die Dunkle Energie?

Um die beschleunigte Expansion zu vermessen, nehmen Forscher verschiedene kosmische Objekte ins Visier. Sie stellen deren Entfernung und Geschwindigkeit fest, so dass sich ein Bewegungsprofil unserer Umgebung ergibt. Dazu nutzen sie auch die Rotverschiebung der Objekte, also wie stark sich die Wellenlängen der von den Objekten abgegebenen Strahlung in den langwelligeren Bereichen verändert haben. Bei gut charakterisierten Objekten wie den Supernova-Ia-Standardkerzen lässt sich so deren Geschwindigkeit bestimmen. Über die Helligkeit, die beim beobachtenden Teleskop ankommt, kann man ihre Entfernung abschätzen.

Ein aktuelles Großprojekt, das den bisher umfangreichsten Ausschnitt des Alls nach diesen Kategorien katalogisiert, ist der Dark Energy Survey (DES). Mit einem Teleskop und einer speziellen Kamera erfassen die Forscher in den nordchilenischen Anden vier bestimmte kosmische Erscheinungen: Supernovae, primordiale Schallwellen, Gravitationslinsen und Galaxienhaufen. Seit August 2013 sammelt ein Vier-Meter-Teleskop dazu Daten in der südlichen Hemisphäre. Das Projekt läuft fünf Jahre. Ende 2016 soll die erste Phase der Datenanalysen abgeschlossen sein.