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Nach: Hans-Ulrich Keller: Kosmos Himmelsjahr 2015 Franckh-Kosmos Verlags-GmbH & Co. KG, Stuttgart 2014
Monatsthema Dezember 2015 Das große Zerreißen Jahrtausendelang war man der Ansicht, der Kosmos und seine Gestirne seien für ewige Zeiten unvergänglich. Zwar erkannte man, dass Sterne nicht ewig leuchten können. Denn ihr – wenn auch großer – Energievorrat geht unweigerlich eines Tages zu Ende. Aber das Weltall als solches sah man als ewig existierend an. Noch bis weit in die Mitte des vorigen Jahrhunderts hielten einige Astronomen diese Ansicht für zutreffend. Doch in den 20er Jahren des vorigen ]ahrhunderts stießen Edwin Powell Hubble und sein Kollege Milton Humason nicht nur das Tor in die Tiefen des Universums auf, indem sie herausfanden, dass viele der nebelhaften Lichtfleckchen am Firmament gewaltige Sternsysteme sind weit jenseits unserer Milchstraße. Sie entdeckten auch mit dem 2,5-m-Reflektor auf dem Mt.-Wilson-Observatorium in Kalifornien, dass diese Milchstraßensysteme oder Galaxien sich von uns entfernen und zwar umso schneller, je weiter sie weg sind. Das Weltall dehnt sich aus, es expandiert. Daraus folgt, dass es in der Vergangenheit kleiner gewesen sein muss und damit auch heißer. Man postulierte den Urknall oder Big Bang. Im Jahre 1965 entdeckten Arno Penzias und Robert Wilson per Zufall die von George Gamow bereits zwanzig Jahre vorher prophezeite Reststrahlung des superdichten und hyperheißen Beginns unseres Universums. Diese kosmische Hintergrundstrahlung fällt isotrop, also aus allen Richtungen gleichmäßig ein. Ihr Spektrum entspricht einem Schwarzen Strahler mit einer Temperatur von 3 Kelvin, das sind –270°C, also nur drei Grad über dem absoluten Nullpunkt. Man spricht von der 3K-Hintergrundstrahlung oder vom CMB (Cosmic Microwave Background). Denn die maximale Intensität dieser Planckschen Strahlung liegt im Millimeterbereich, daher die Bezeichnung kosmischer Mikrowellenhintergrund. Drei Raumsonden, COBE, WMAP und PLANCK haben diese Strahlung mit hoher Winkel- und Temperaturauflösung untersucht. Im Mikrokelvin(Millionstel Grad)-Bereich gibt es jedoch Abweichungen von der absoluten Isotropie. Sie zeigen das Muster der primordialen Quantenfluktuationen. Diese sind die Keimzellen der großräumigen honigwabenartigen Struktur des Universums: Galaxienhaufen und -superhaufen bilden riesige Wände von Hunderten von Millionen Lichtjahren Ausdehnung, die gewaltige, fast völlig leere Raumgebiete umschließen.
Rakete diese Geschwindigkeit, so wird sie zwar permanent abgebremst, aber sie kommt nicht mehr zum Stillstand. Ebenso gibt es für das Universum drei Moglichkeiten: Entweder, die Expansion kommt eines mehr oder minder fernen Tages zum Stillstand, die Bewegung kehrt sich um und das Weltall stürzt in sich zusammen zu dem heißen, überdichten Zustand. aus dem es hervorgegangen ist. Dieses Szenario nennt man Big Crunch (engl., großes Knirschen). Oder die Expansion kommt erst nach unendlich langer Zeit zum Stillstand. Dann wird es eines Tages dunkel im Universum, wenn alle Sterne erloschen sind und der Wasserstoff, Baustoff für neue Sterne, aufgebraucht ist. Als dritte Möglichkeit bleibt die ewig anhaltende Expansion, die zwar mit fortschreitender Zeit immer langsamer wird, aber nie völlig aufhört. Um zu entscheiden, welcher Fall auf das Universum zutrifft, muss man die Anziehungskraft der im Weltall vorhandenen Massen mit deren Bewegungsenergien vergleichen. Dazu sind die Expansionsrate, der Hubble-Parameter, und die mittlere Materiedichte im Weltall zu bestimmen. Beide Werte sind beziehungsweise waren allerdings nicht leicht zu ermitteln. Für jede Expansionsrate gibt es eine kritische Dichte, bei der die kinetische Energie gleich der potenziellen Gravitationsenergie ist. In diesem Fall kommt die Expansion nach unendlich langer Zeit zum Stillstand. Dieses Szenario heißt parabolischer Grenzfall. Ist die reale Dichte größer als die kritische, dann gewinnt die Gravitation. Sie bringt die Expansion zum Stillstand und anschließend das Weltall zum Zusammenstürzen. Ist die reale Dichte jedoch kleiner als die kritische, so expandiert das Universum für immer und ewig. Aus den Daten, die die Raumsonden von der kosmischen Hintergrundstrahlung geliefert haben, ergibt sich ein Hubble-Parameter von 68 km/s pro Megaparsec (1 Mpc = 3,26 Mio. Lichtiahre).
Der kosmologische Parameter w (Strahlungs- und Vakuumdruck zu Gesamtdichte) bestimmt die Zukunft des Universums: A: Geschlossenes Universum, Ende Big Crunch B: Flaches Universum,Expansion permanent abgebremst, Stillstand nach unendlich langer Zit. C, D: Offenes Universum, ewige beschleunigte Expansion E: Beschleunigte Expansion führt zum Big Rip, dem großen Zerreißen aller Materiestrukturen. Seit etwa sechs Milliarden Jahren expandiert das Universum beschleunigt.
Das Schicksal des Alls Wird sich das Weltall ewig ausdehnen? Wirft man einen Ball in Höhe, so bremst ihn die Erdgravitation ab. Er wird immer langsamer und kommt schließlich zum Stillstand. Anschließend fällt er beschleunigt wieder herunter und kommt mit der gleichen Geschwindigkeit wieder an, mit der er hochgeworfen wurde (gilt genau genommen nur im Vakuum ohne Luftwiderstand). Ab einer gewissen Anfangsgeschwindigkeit kommt der Ball oder eine Rakete nicht mehr zurück. Sie werden zwar immer langsamer, aber sie kommen erst im Unendlichen zum Stillstand. Diese Grenzgeschwindigkeit heißt Flucht- oder Entweichgeschwindigkeit. Bei der Erde sind dies 11,2 Kilometer pro Sekunde. Übertrift eine
Dunkle Materie reicht nicht als Erklärung Die reale Materiedichte im Weltall macht nur knapp fünf Prozent der kritischen Dichte aus. Selbst wenn man die ebenfalls gravitativ wirkende Dunkle Materie hinzunimmt, werden gerade mal 32 Prozent der kritischen Dichte erreicht. Die Dunkle Materie wirkt ausschließlich durch ihre Schwerkraft. Sie macht sich bei den Bewegungen der Galaxien innerhalb eines Haufens bemerkbar, indem sie den Haufen zusammenhält sowie bei der Rotation von Galaxien, deren Ränder sich zu schnell drehen, um dies allein durch die Gravitation der leuchtenden Materie erklären zu können. Auch bei dem von Einstein vorhergesagten Gravitationslinseneffekt spielt sie eine Rolle: Galaxienhaufen lenken durch ihre Masse Lichtstrahlen von dahinter liegenden Objekten ab, ähnlich wie eine konvexe Glaslinse Licht bündelt. Aus der Ablenkung
- 2 ergibt sich die Masse des Galaxienhaufens. In allen drei Fällen zeigt sich: Es ist mehr Masse im All vorhanden als die mit elektromagnetischen Wellen beobachtbare Materie. Die Dunkle Materie sendet keine elektromagnetischen Wellen aus. Sie bleibt unsichtbar, daher nennt man sie „dunkel“. Ohne sie wäre auch die Bildung von Sternen und Galaxien in der Frühphase des Kosmos nicht erklärbar. Denn nur durch ihre Schwerkraft kann es zur Verklumpung der Materie kommen. Die Expansion und der thermische Druck, den die Dunkle Materie eben nicht ausübt, hätten eine Sternentstehung verhindert.
Die Anteile der Dunklen Energie, der Dunklen Materie und der baryonischen Materie inklusive Strahlung an den gravitativen Wirkungen im Universum.
Groß war die Überraschung, als sich zum Ende des 20. und zum Anfang des 21. Jahrhunderts herausstellte, dass keines der drei beschriebenen Expansionsmodelle auf das Universum zutrifft. Man entdeckte: Die Ausdehnung des Universums erfolgt immer schneller, das Weltall expandiert beschleunigt! Um die Expansionsrate, den Hubble-Parameter und seine zeitliche Änderung, genauer zu bestimmen, hatten sich zwei Beobachterteams daran gemacht, ferne Supernovae zu beobachten, um die Relation zwischen Rotverschiebung und Entfernung neu zu eichen (siehe Kasten „Zur Entfernungsbestiimung extragalaktischer Sternsysteme“). Supernovae sind die absolut hellsten Einzelobjekte im Universum und daher auch noch in großer Ferne auszumachen. Außerdem geht man davon aus, dass die absoluten Helligkeiten von SN Ia1 nur geringfügig streuen, da sie durch den Gravitationskollaps eines Weißen Zwergs hervorgerufen werden, der Materie von einem Begleiter aufsammelt und bei Erreichen des Chandra Limits (knapp 1,5 Sonnenmassen) detoniert. Es ist somit bei einer SN Ia immer die gleiche Menge,,Sprengstoff " lm Spiel. Beide Beobachterteams stellten überrascht fest, dass Supernovae in zehn Milliarden Lichtjahren Distanz eine niedrigere absolute Helligkeit aufweisen als jene in wesentlich geringerer Entfernung. Dies ist aber offensichtlich ein Scheineffekt. Geht man davon aus, dass die fernen SN Ia die gleiche Leuchtkraft aufweisen wie die nahen, so sind die fernen SN Ia weiter entfernt als dies aufgrund ihrer kosmologischen Rotverschiebung in ihren Spektren anzunehmen ist, wenn man von einer parabolischen Expansion ausgeht. Denn die Rotverschiebung in den SN Spektren ist ein Maß für ihre Fluchtgeschwindigkeit. Gleiche Fluchtgeschwindigkeit bei größerer Distanz bedeutet aber: Der Hubble-Parameter H muss zumindest eine Zeit lang kleiner gewesen sein als heute. Im Klartext: Das Universum dehnt sich seit einigen Milliarden Jahren beschleunigt aus, eine Tatsache, die für fast alle Kosmologen eine unerwartete, sensationelle Entdeckung darstellte, mit der sich einige auch nur schwer abflnden können. Galt doch lange als allgemeiner Konsens, dass die im Weltall vorhandenen Massen die Expansion mehr oder weniger stark abbremsen.
Ein Nobelpreis für Physik Die Leiter beider Beobachtungsteams, Saul Perlmutter vom Lawrence Berkeley National Laboratory mit seinem Beobachtungsprogramm „Supernova Cosmology“ sowie Adam Riess und Brian Schmidt mit ihrem „High-z Supernova Search Team" am Australian National Observatory erhielten für ihre bahnbrechende Entdeckung im Jahre 2011 den Nobelpreis für Physik. Um zu erklären, wer oder was die beschleunigte Expansion bewirkt, hat man schon 1998 den Begriff „Dunkle Energie" eingeführt. Sie wirkt 1
Für weitere Einzelheiten siehe z. B. unter https://wikipedia.org/wiki/Supernova_vom_Typ_Ia
als abstoßende Kraft, die die Expansion beschleunigt. Nach der Speziellen Relativitätstheorie (SRT) von Albert Einstein sind aber Energie und Masse einander äquivalent. Jeder kennt heute die Formel: E = m. c2 (Energie ist gleich Masse mal Lichtgeschwindigkeitsquadrat). Wenn aber der Dunklen Energie auch eine Masse zugebilligt wird, so übt diese auch eine Schwerkraft aus, sie wirkt gravitativ Diese Funktion erfüllt aber der von Einstein einst im Gravitationsgesetz Newtons eingefügte Λ-Term, der eine abstoßende Kraft darstellt. Einstein wollte damals das Weltall damit stabilisieren, weil er an ein statisches Weltall glaubte. Als sich herausstellte, dass das Universum expandiert, hat er den Λ-Term verworfen. Doch inzwischen wurde er wieder aus der Versenkung geholt und wird heute als kosmologische Konstante bezeichnet, die die Vakuumenergie darstellt. Wie der Name sagt, ist sie zeitlich konstant - so vermutet man zunächst. Sie verursacht damit aber eine ständig beschleunigte Expansion des Universums. Wenn nämlich die Vakuumenergie pro Raumeinheit konstant bleibt, nehmen die Distanzen der Galaxien mit der Zeit immer schneller, also beschleunigt, zu. Die Dunkle Energie ist offensichtlich eine Eigenschaft des Vakuums. Man kann sie auch als Antigravitation auffassen. Das Verhältnis von Vakuumenergiedichte ρΛ zu ihrem Druck pΛ, bezeichnet man als Zustandsgleichung w der Dunklen Energie: w = - pΛ/ρΛ. Für eine zeitlich konstante Vakuumenergie Λ hat w den Wert w = -1. Niemand weiß aber bis heute, ob das w tatsächlich zeitlich konstant bleibt. Man nennt die Dunkle Energie gelegentlich Quintessenz, wenn das w zwischen –1/3 und -1 liegt. Ist w jedoch kleiner als -1, dann spricht man von Phanlomenergie.
Folgen der Phantomenergie Sollte die Phantomenergie tatsächlich existieren, so hätte dies dramatische Folgen. Denn die Phantomenergie wird eines Tages die Herrschaft über die Gravitation gewinnen in einem Szenario, dem Großen Zerreißen (Big Rip). Dabei wächst die Expansionsrate mit fortschreitender Zeit enorm an, Dies führt zunächst zur Auflösung der Galaxienhaufen. Anschließend werden die Galaxien auseinandergerissen, ihre Sterne verstreuen sich im All. Danach verlieren die Sterne ihre Planeten und diese wiederum ihre Satelliten. Doch auch Sternen und Planeten geht es an den Kragen. Sie werden von der Phantomenergie zerrissen. Auch die Molekularund Kernkräfte werden überrumpelt: Moleküle, Atome, selbst die Atomkerne zerplatzen. Schließlich sind die Elementarteilchen selbst dran: Protonen, Neutronen, Quarks und Elektronen werden zerrissen. Die einzelnen Vorgänge folgen immer schneller aufeinander (siehe Tafel „Big Rip"). Nach diesem Großen Zerreißen endet das Weltall wie es vor knapp 14 Milliarden Jahren begonnen hat, im zeitlosen Zustand der Quantenvakuumfluktuation. Wird das Große Zerreißen tatsächlich stattfinden, und, wenn ja, wann wird das sein? Dies lässt sich heute noch nicht sagen. Für ein w = -1,1 erfolgt der Big Rip in 86 Milliarden Jahren, bei w = -1,2 in 53 Milliarden und bei w = -1,5 schon in 22 Milliarden Jahren. Nach den Messungen der Raumsonde PLANCK liegt der Wert von w zwischen -0,89 und,1,13. Zwar vermuten einige Kosmologen, w sei exakt gleich -1 (was dem Einsteinschen Λ-Term entspricht). Noch ist aber nicht auszuschließen, dass w kleiner als -1 ist, was unweigerlich zum Big Rip führen würde.
Die Suche nach dem Phantom Zwei Projekte sollen den Wert von w möglichst präzise ermitteln. Einmal versucht man mit dem 8,4-m-LSST-Reflektor (Large Synoptic Survey TeIescope) auf dem Cerro Pachon in Chile den gesamten Himmel zweimal pro Woche zu durchmustern, um Tausende von Supernovae des Typs Ia mit großen Rotverschiebungen (1,9 < z < 3,5) zu entdecken und deren Helligkeiten und Rotverschiebungen genau zu messen. Zum anderen plant man das Projekt eROSITA, das im lahr 2015 eine Raumsonde mit sieben Röntgenteleskopen in den Lagrange-Punkt Nr. 2 (er liegt in 1,5 Millionen Kilometer Entfernung von der Erde in Opposition zur Sonne) bringen soll. Die Bezeichnung eROSITA ist ein Akronym für extended Roentgen Survey with an Imaging Telescope Array (engl., ausgedehnte Röntgenuntersuchung mit einer Anordnung von abbildenden Teleskopen). Mit eROSITA will man einige Zigtausend Galaxienhaufen detektieren, um Massen und Entfernungen von ihnen genau zu erfassen. Die Raumsonde beobachtet dabei nicht die Galaxien selbst, sondern das heiße intergalaktische Gas, das Temperaturen von etlichen Millionen Grad aufweist und darum im Röntgenlicht leuchtet. Man schätzt, dass die Masse des intergalaktischen Gases eines Haufens mindestens doppelt so groß ist wie die aller Galaxien im Haufen. Mit Hilfe von Parallelbeobachtungen im sichtbaren Licht wird man so Massen, Entfernungen und die räumliche
- 3 Verteilung der Galaxienhaufen selbst in großen Distanzen recht genau erfassen können, um aus diesen Daten die Eigenschaften der Dunklen Energie zu bestimmen. Dann wird sich hoffentlich zeigen, ob in ferner Zukunft das Große Zerreißen dem Universum und seinen Gestirnen ein Ende bereiten wird oder ob es in alle Ewigkeit expandiert.
Die Raumsonde eRODITA zur Erforschung der Dunklen Energie.
Zur Entfernungsbestimmung extragalaktischer Sternsysteme2 Die Rotverschiebung z = ∆λ/λ in den Spektren der Galaxien ist ein Kriterium für deren Entfernungen unabhängig von ihrer Interpretation als Dopplereffekt. Je größer z ist, desto weiter ist ein Milchstraßensystem entfernt. Allerdings muss die Rotverschiebung-Entfernungs-Beziehung an primären Entfernungskriterien geeicht werden. Dies geschieht mit Hilfe photometrischer Parallaxen. Aus der Differenz zwischen beobachteter scheinbarer Helligkeit eines Objektes und seiner absoluten Helligkeit, also wahren Leuchtkraft, ergibt sich die Entfernung in Parsec. Ein Parsec (pc) ist diejenige Entfernung, unter der eine Astronomische Einheit ( = mittlere Entfernung Erde – Sonne = 149,6 Millionen km) unter dem Winkel von einer Bogensekunde erscheint. Ein Parsec entspricht somit 30,81012 km oder 3,26 Lichtjahre. Die Beziehung zwischen scheinbarer (m) und absoluter Heiligkeit (M) und der Entfernung (r) lautet: m – M + 5 = 5 lg r [pc] Die Größe (m – M) wird auch Entfernungsmodul genannt. Von bestimmten veränderlichen Sternen wie RR Lyrae- und Delta-Cephei-Sternen lässt sich aus ihrer Lichtwechselperiode deren absolute Helligkeit ermitteln (Perioden-Leuchtkraft-Relation). Ferner sind leuchtkräftige O-, B-Sterne, Assoziationen, Novae, H-II-Gebiete (heiße, leuchtende interstellare Wasserstoffwolken), Kugelsternhaufen und Supernovae als Distanzindikatoren geeignet, da deren mittlere statistische Leuchtkraft als bekannt vorausgesetzt werden kann. Allerdings reichen diese Objekte mit Ausnahme der Supernovae nur für Distanzbestimmungen in der näheren intergalaktischen Umgebung unserer Milchstraße.
Primäre Entfernungsindikatoren für Galaxien 0bjekt RR-Lyrae-Sterne Klassische Cepheiden Novae Kugelsternhaufen H-ll-Regionen Supernovae
Absolute Heligkeit (M) 0,6 -2 bis –7 -6 bis –9 -5 bis –10 -10 bis –15 -15 bis –20
Reichweite in Mpc 0,5 15 40 65 600 3000
Die obige Entfernungsrelation muss noch auf interstellare Absorption korrigiert werden. Denn der interstellare Staub schwächt das Sternenlicht. Objekte erscheinen daher meist lichtschwächer, als es ihrer Distanz entspricht, weshalb sie zunächst weiter entfernt zu sein scheinen. Die interstellare Absorption lässt sich zum Teil aus dem Farbexzess ermitteln, der Differenz zwischen dem beobachteten Farbindex und dem mittleren Farbindex gemäß der Spektralklassifikation des Objektes. Kurzum, das Sternenlicht erscheint gerötet, wobei die Rötung ein Maß für die Absorptionsstärke ist. Auch unsere Sonne erscheint bei Auf- oder Untergang röter als wenn sie hoch am Firmament leuchtet.
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Das Verständnis dieses Abschnittes erfordert vertiefte Kenntisse in Physik und Astronomie. Möglicherweise kann auch das Online-Lexikon Wikipedia weiterhelfen.
