Das Universum ist eine Scheibe

25.11.2010

Welche Gestalt hat das Universum?

Schon Einstein wusste, dass die Geometrie des Raums von seinem Inhalt abhängt. Diese Beziehung gilt auch andersherum: Wenn die Geometrie, die Form, des Universums bekannt ist, können wir auf seinen Inhalt schließen. Beide Fragen gehören in der Kosmologie gerade zu den heißesten Tagesordnungspunkten - noch vor 20 Jahren wären die Antworten darauf ganz anders ausgefallen. Erst genaue Analysen der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung gaben schlüssige Hinweise darauf, dass das Universum tatsächlich flach sein könnte.

Dann müsste sich allerdings seine Expansion mit der Zeit verlangsamen, gebremst von der allgegenwärtigen Gravitation. Die direkte Beobachtung sagt jedoch, dass genau das Gegenteil der Fall ist - das Weltall dehnt sich immer schneller aus. Zu erklären war diese Tatsache nur mit einer Größe, die man Dunkle Energie nannte - sie wirkt demnach der Gravitation entgegen.

So verkehrte sich die ältere Annahme, das Universum bestünde vor allem aus Dunkler Materie (deren Existenz man aus Gravitationswirkungen ableitet, die nicht allein von sichtbarer, gewöhnlicher Materie herrühren können) in ihr Gegenteil: Im aktuellen Standard-Modell der Kosmologie nimmt man an, dass der Kosmos nur zu 4 Prozent aus gewöhnlicher Materie besteht, wie wir sie kennen, und auch nur zu 23 Prozent aus Dunkler Materie - aber zu 73 Prozent aus Dunkler Energie.

Jedenfalls heute - zu anderen Zeiten verhielt es sich anders. In der Rekombinationsphase des Universums, etwa rund 377.000 Jahre nach dem Big Bang, bestand der Kosmos aus zehn Prozent Neutrinos, zwölf Prozent Atomen, 15 Prozent Photonen und 63 Prozent Dunkler Materie - von der Dunklen Energie war fast nichts zu spüren. Das weist schon darauf hin, worum es sich bei der seltsamen Dunklen Energie eigentlich handeln könnte: Um die Energie des leeren Raums, Vakuumenergie, von der es so kurz nach dem Urknall einfach noch nicht viel gab.

Zwar hat die Analyse der Hintergrundstrahlung Parameter erbracht, die bis auf zwei Prozent an den für ein flaches Universum nötigen Werten liegen - der endgültige Beweis steht trotzdem noch aus. Da kommt es der Wissenschaftsgemeinde sehr gelegen, dass zwei französische theoretische Physiker eine unabhängige Methode entwickelt haben, auf die Geometrie des Universums zu schließen. Im Wissenschaftsmagazin Nature stellen sie ihr Verfahren vor.

Der Trick der beiden französischen Physiker

Es beruht im Grunde auf zwei beobachtbaren Daten: Der Rotverschiebung eines astronomischen Objekts und des relativen Winkels zwischen zwei Objekten. Kennt man die Geometrie des Raums, in dem sich beide Objekte bewegen, kann man die nicht direkt messbare Position berechnen. Hätte man nun ein Objekt bekannter Form, für das man die Rotverschiebung zweier Punkte messen kann, könnte man daraus exakt die Geometrie des Universums ableiten. So leicht ist es allerdings leider nicht.

Hubble-Image eines Paars von Spiralgalaxien - das Pärchen ist im Sternbild des Drachen zu finden und etwa 350 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Analysiert man die Ausrichtung vieler solcher Galaxienpaare, kann man daraus auf die Geometrie des Universums und die Natur der Dunklen Energie schließen. (Foto: NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration, A. Evans)

Wovon wir aber ausgehen können, jedenfalls wenn unsere Modelle stimmen, ist die Homogenität des Universums. Und hier kommt der Trick der beiden französischen Physiker ins Spiel: Man nehme eine größere Anzahl weit entfernter Galaxienpaare - Binärsysteme, die sich um einen gemeinsamen Schwerpunkt bewegen. Nun müsste die Ausrichtung der beiden Teile des Paars zueinander, geht man von einem homogenen Universum aus, eigentlich rein statistisch verteilt sein, es dürfte keine Vorzugsrichtungen geben.

So braucht man nur noch die tatsächlich gemessene, eben nicht rein statistische Verteilung in ein Modell des Universums zu geben, dass dessen Geometrie berücksichtigt, und so lange an den Parametern herumspielen, bis sich eine korrigierte Gleichverteilung ergibt - und schon hat man die korrekte Form des Universums gefunden.

Ob das Verfahren funktioniert, haben die Franzosen auch gleich ausprobiert: Das Ergebnis - das Universum ist eine Scheibe - passt zum Standardmodell der Kosmologie. Die Forscher zeigen dabei auch, dass die mysteriöse Dunkle Energie wohl eine Art Vakuumenergie sein muss - was sie in direkte Beziehung zu Einsteins kosmologischer Konstante setzt. Interessant ist diese Auflösung aber nicht nur für Kosmologen: Die Gestalt des Universums bestimmt auch sein Ende - wird es sich einfach nur zu Tode expandieren, bis alle Objekte verdampft und vielleicht sogar alle Protonen zerfallen sind, oder wird es gar in einem "Big Rip" durch die Dunkle Energie von der immer weiter beschleunigenden Expansion auseinandergerissen?

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