Big Rip statt Big Crunch

10.03.2003

US-Astrophysiker entwirft unheimliches Zukunftsszenario für das Ende des Universums

Zugegeben, der Name des hypothetischen Phänomens lädt zu Assoziationen ein und klingt zumindest für gestandene Gourmets wenig appetitlich. Dabei könnte die von einem US-Astronomen berechnete mysteriöse "Phantomenergie" das Schicksal des Alls in ferner Zukunft auf dramatische Weise bestimmen. Sollte das neue Modell die Wirklichkeit widerspiegeln, würde die postulierte bizarre Energieform in gut 22 Milliarden Jahren jedwede kosmische Materie gnadenlos auseinander reißen. Für den "Inhalt" unseres Universums wäre dies ein hochdramatisches Ende. Er verschwände auf Nimmerwiedersehen aus dem Raum.

Andromeda-Galaxie. Bild

Es wird für immer ein Mysterium der Wissenschaftsgeschichte bleiben, wer wohl der erste Mensch gewesen war, der - den Blick den Sternen zugewandt - über den Beginn der Welt sinnierte und über die erste Ursache alles Daseins rätselte. War der Schöpfer des ersten kosmogonischen Gedankens ein archaischer Zeitgenosse des Homo neanderthalensis oder verliert sich seine Spur gar bis zum Homo habilis? Wie auch immer die Antwort darauf lauten mag - die Frage nach dem Anfang des Kosmos, die ihren stärksten Ausdruck seit jeher auf religiöser und mythologischer Ebene gefunden hat, dürfte im Zuge der menschlichen Bewusstseinswerdung zu allen Zeiten in allen Kulturen gestellt worden sein. Und das gleiche dürfte auch für die Frage nach dem Ende der Welt gelten, die in vielen mythologisch-apokalyptischen Szenarien oft auf düstere Weise beantwortet wurde.

Urknall und ewige Expansion

Heute indes wissen die Kosmologen, dass der Anfang und das Ende der Welt untrennbar miteinander verknüpft sind. Denn als vor zirka 15 Milliarden Jahren das uns bekannte Universum quasi aus dem Nichts generiert wurde, als Zeit und Raum noch in einer undefinierbaren, mathematisch kaum quantifizierbaren Ur-Singularität gefangen gewesen waren und sich binnen einer Quintillionstel Sekunde mit einer gewaltigen "Explosion" aus dem unendlich heißen, unendlich kleinen punktartigem Singularitäts-Gebilde befreiten, als sich das All schlagartig um den unvorstellbaren Faktor 1029

(eine Eins mit 29 Nullen) aufblähte, wurde gleichzeitig eine kosmische Expansion in Gang gesetzt, die bis auf den heutigen Tag anhält und auch noch in fernster Zukunft dafür sorgt, dass das Universum unaufhaltsam auseinanderdriftet. Und dieser Vorgang scheint sich der aktuellen gängigen Lehrmeinung zufolge wohl für alle Ewigkeit zu beschleunigen.

Heute erlaubt die Friedmann-Lemaître Kosmologie und die Astrophysik nicht nur die Rekonstruktion der Vergangenheit; sie geben auch zusammen mit den derzeit bekannten physikalischen Gesetzen die Möglichkeit, die zukünftige Geschichte des Kosmos, der Sterne und Galaxien zu berechnen und zugleich die letzten Endzustände der Materie anzugeben. Der Versuch einer kosmischen Eschatologie, die Extrapolation des gegenwärtigen Zustands des Kosmos in die Zukunft - auf der Grundlage derzeit bekannter Naturgesetze - wurde im Rahmen der modernen Kosmologie zuerst von Martin Rees 1969 in einer "Eschatologischen Studie zur Zukunft eines kollabierenden Kosmos" unternommen. Die Frage nach der zukünftigen Entwicklung der Welt war aus naturwissenschaftlicher Sicht aber bereits im 19. Jahrhundert gestellt worden.

Hermann von Helmholtz (1854) und Rudolf Clausius (1865) stellten auf der Grundlage des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik die Hypothese auf, dass das Ende der Welt ein Zustand maximaler Entropie sei ("Wärmetod"), während A.S. Eddington (1931) vermutete, dass die Materie sich langsam in Strahlung verwandelt, deren Energiedichte sich im Zuge der Expansion verdünnt, bis am Ende ein ewig expandierender Strahlungskosmos existiert.

Letzten Endes entscheidet die Dichte der Materie im Kosmos darüber, ob sich die Expansion ewig fortsetzt oder ob nach Erreichen eines Maximums der Ausdehnung der Weltraum sich wieder zusammenzieht. Vergleichbar ist diese Situation mit dem Start einer Rakete. Nur wenn die kinetische Energie größer ist als die potentielle Energie, welche die Rakete im Schwerefeld besitzt, wird sie nicht wieder auf die Erde stürzen. Das Verhältnis von mittlerer Dichte im Kosmos zur gegenwärtigen Expansionsrate ("Hubblekonstante") bestimmt das zukünftige Expansionsverhalten und lässt zwei Möglichkeiten zu: Entweder kollabiert der Weltraum nach Erreichen einer maximalen Ausdehnung - oder er expandiert ewig.

Sich auflösende Neutronensterne und verdampfende Schwarze Löcher

Letzteres wird aber nach Ansicht der Astrophysiker höchstwahrscheinlich der Fall sein. So werden in etwa sechs Milliarden Jahren, etwa zur selben Zeit wenn die Sonne sich zum roten Riesen aufbläht, unsere Galaxis und der Andromeda-Nebel (M31) kollidieren. Wenn zwei Galaxien verschmelzen, bleiben die meisten Sterne und mit ihnen die sie eventuell umkreisenden Planeten unversehrt, aber das Gas zwischen den Sternen wird praktisch herausgefegt.

Kokon eines Weißen Zwerges, NGC 2440, Bild

Nach der Kollision kommt die Sternentstehung zum Erliegen. In den Sternen werden die thermonuklearen Reaktionen allmählich aufhören. Zurück bleiben die Endzustände der Sternentwicklung: Weiße Zwerge, Neutronensterne und vermutlich Schwarze Löcher. Durch Abstrahlung von Gravitationswellen schrumpfen Planetensysteme und Doppelsternsysteme zusammen. In Galaxienhaufen und Sternhaufen entweichen Galaxien bzw. Sterne durch Begegnungen, während gleichzeitig die Systeme als Ganzes sukzessive verschwinden. In den Zentralregionen kommt es dann zum Gravitationskollaps der Materie und vermutlich zur Bildung supermassiver Schwarzer Löcher.

Nach dieser durch die klassische Kosmologie bestimmten Epoche beginnt eine Ära, die wesentlich durch quantentheoretische Effekte gekennzeichnet ist: Tunneleffekte, die Weiße Zwerge und Neutronensterne zur Auflösung bringen oder Schwarze Löcher regelrecht verdampfen lassen. Auch die mögliche Instabilität des Protons spielt eine wichtige Rolle. Als Konsequenz dieser Prozesse besteht das kosmologische Substrat am Ende nur noch aus geladenen Leptonen und Photonen. Vermutlich ist in einem flachen Universum dieser Zustand dynamisch nicht stabil. Vielmehr kann es in diesem extrem verdünnten, von niederenergetischen Photonen durchsetzten Paarplasma, zu Wirbelbildungen kommen.

Wenn die Zukunftsprognosen für Atome, Sterne, Planeten, Galaxien zutreffen, die deren Zerfall voraussagen, wenn die Sonne erkaltet, die Erde und andere Planeten sich im Weltraum verlieren, Galaxien sich auflösen, schwarze Löcher verdampfen und Protonen zerfallen, bleibt am Ende ein ewig expandierender Weltraum gefüllt mit immer energieärmer werdenden Photonen und einigen Elementarteilchen zurück.

Big Rip - apokalyptisches Szenario

Den bislang vorherrschenden zwei Szenarien, wonach das Weltall sich entweder bis in alle Ewigkeit ausdehnt oder aber infolge eines Umkehrprozesses in sich zusammenfällt (Big Crunch), hat jetzt ein US-Forscher noch ein drittes Modell hinzugeführt: das so genannte "Big Rip", das in 22 Milliarden Jahren jedwede Materie wieder auseinander reißen könnte.

Eine uralte Supernova, 10 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. Die Messung ihrer Helligkeit ist ein Beleg für die Existenz Dunkler Energie. Bild

In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins "New Scientist" (08.03.03) (offizielle Veröffentlichung erfolgt demnächst in der "Physical Review") wird über die neue Theorie berichtet, die der amerikanische Astronom Robert Caldwell vom Dartmouth College, Hanover/New Hampshire aufgestellt hat. Danach könnte in rund 22 Milliarden Jahren eine geheimnisvolle "Phantomenergie", die Caldwell als "Big Rip" bezeichnet, das Universum regelrecht zerreißen. In seinem Modell wächst die abstoßende Kraft der "Phantomenergie" zum Ende des Kosmos immer rascher an, zerfetzt dabei zunächst Galaxienhaufen und Galaxien, um dann Sternen und Planeten sowie zu guter Letzt in den letzten Sekundenbruchteilen sogar Atomen und Atomkernen den Gnadenstoss zu versetzen.

Wie dieser en detail geartet sein wird, hängt wiederum ganz von den Eigenschaften der "Dunklen Energie" ab, jener obskuren Energieform, bei der die Forscher bis dato immer noch im Dunkeln tapsen (Das Universum ist voller dunkler Energie). Obwohl es ihnen bislang noch nicht geglückt ist, Licht in das geheimnisumwitterte Dunkel der Dunklen Energie zu bringen, ist immerhin von dieser bizarren Energie bekannt, dass sie der Gravitationskraft auf irgendeine Weise entgegen wirkt und dabei zugleich die Expansion des Universums beschleunigt.

"Bisher haben wir geglaubt, das Universum ende entweder in einem Kollaps - dem Big Crunch - oder es expandiere ewig weiter, wobei sich die Materie immer weiter verdünnt", verdeutlicht Caldwell, "nun wissen wir, dass es eine dritte Möglichkeit gibt."

Und diese dritte Möglichkeit könnte - wie Caldwell berechnete - gewaltig und ausgesprochen destruktiv sein. Bevor der "Big Rip" in 22 Milliarden Jahren der Materie restlos den Garaus machen wird, erlebt der Kosmos noch einige höchst unangenehme Momente. So wird bereits 60 Millionen Jahren "davor" unsere Galaxis auseinander brechen. 30 Minuten vor dem Big Rip würde die Erde (sofern sie noch existent wäre) explodieren, 10-19

Sekunden vor dem Ende aller Dinge würden die Atome in ihre einzelnen Bestandteile auseinanderbrechen - und die Partikel darauf umgehend verschwinden.

Ziemlich verrückter Stoff

Jüngste Untersuchungen der kosmischen Hintergrundstrahlung hatten bestätigt, dass 70 Prozent der Masse und Energie des Universums in Form einer "Dunklen Energie" vorherrscht, welche die Expansion des Kosmos beschleunigt. Dahinter könnte, wie Caldwell vermutet, die nebulöse "Phantomenergie" stecken, die Caldwell zufolge ein "ziemlich verrückter Stoff" ist.

Wie dem auch sei - auf positive Resonanz wird Caldwells "Big-Rip"-Ansatz bei den meisten Physiker und Astronomen mit Sicherheit nicht stoßen. Dafür dürfte die Theorie um Nuancen zu abstrakt sein. Dass viele Forscher der vermeintlichen "Fast-Food-Theorie" eher reserviert gegenüber stehen werden, wird wohl damit zusammenhängen, dass sich die Existenz der postulierten Phantomenergie auf der Basis der bisherigen Beobachtungen weder eindeutig widerlegen noch belegen lässt, sich also eher in einer tristen Grauzone als auf wissenschaftlichem Terrain bewegt.

Bei alledem erlaubt die Phantomenergie sogar die Existenz der science-fiction-lastigen "Wurmlöcher" (Galaktische Reisen durch Wurmlöcher), was für viele Astrophysiker des Guten zu viel sein dürfte. Hierüber ist sich Caldwell auch im Klaren. "Damit wären auch Zeitmaschinen mit all ihren Paradoxien möglich - und davon sind Physiker bekanntlich nicht begeistert."

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