Dunkle Energie, Raum und kosmische Expansion

Die Kosmologie hat in den letzten Jahrzehnten und Jahren zahlreiche neue Erkenntnisse über Struktur und Geschichte des Universums gewonnen. Unser Wissen betrifft allerdings fast ausschließlich jene nicht einmal 5% des kosmischen Materie- und Energieinhalts, den die gewöhnliche (baryonische) Materie ausmacht. Wir wissen aber nicht, woraus die sogenannte Dunkle Materie (ca. 27% der Gesamtenergie) besteht, auf deren Existenz aus zahlreichen Beobachtungen – etwa der Bewegung von Galaxien in Galaxienhaufen – geschlossen wird. Noch rätselhafter ist bisher die Natur der sogen. Dunklen Energie, die seit ihrer Entdeckung Ende des 20. Jahrhunderts als für die „beschleunigte Expansion“ des Kosmos verantwortlich gilt. Sie stellt nahezu 70% der kosmischen Gesamtenergie. Gut 95% dessen, woraus unser Universum besteht, haben wir also bis heute nicht verstanden. Im Folgenden wird versucht, das in Bezug auf die Dunkle Energie (DE) zu ändern.

Die populärste Deutung der DE ist die als sogenannte „kosmologische Konstante“, wie sie einst Einstein postuliert hatte, um sein Modell eines stationären Kosmos beibehalten zu können, die er aber angesichts der Entdeckung der kosmischen Expansion wieder verworfen hatte. Heute wurde dieses Konzept wieder aufgegriffen, doch ist der laut Theorie erwartete Wert der kosmologischen Konstante (ʌ) um 120 Größenordnungen (!) höher als der beobachtete.

Die DE ist derzeit jedenfalls Gegenstand zahlreicher Forschungsprojekte, die herausfinden sollen, ob ʌ seit Beginn der kosmischen Expansion konstant war oder sich verändert hat. Die bisherigen Ergebnisse scheinen mit der Vorstellung einer kosmologischen Konstanten vereinbar, haben also keine Hinweise auf eine nennenswerte Veränderung dieser Größe im Verlauf der Expansion erbracht. Allerdings ist ein merklicher Einfluss der DE auf die Expansionsdynamik erst seit einem relativ späten Stadium der Expansion (bei einer Rotverschiebung z von etwa 0,5, seit etwa sechs Milliarden Jahren) feststellbar. Die Beobachtungen sprechen also dafür, dass die Energiedichte der DE (Energie pro Volumen) in etwa konstant bleibt, ihr Anteil an der Gesamtenergie aber parallel zum Wachstum des Raumes innerhalb des expandierenden Horizonts zugenommen hat (während die Dichte von baryonischer und Dunkler Materie angesichts ihrer Verteilung auf ein immer größeres Volumen gesunken ist).

Aus der annähernden Konstanz der DE-Dichte bei gleichzeitiger Zunahme der Menge an DE im Zuge der Expansion ergibt sich im Rahmen des Urknall-Modells ein logischer Widerspruch: Dieses geht ja davon aus, dass alle Materie und Energie anfangs in einem verschwindend kleinen Raumbereich konzentriert war. Auf die DE kann das nicht zugetroffen sein, da sie in diesem Fall im jungen Kosmos eine extrem hohe Energiedichte aufgewiesen hätte. Das war jedoch nicht der Fall; als Bestandteil des Kosmos spielte sie nicht einmal zur Zeit der Entkopplung von Strahlung und Materie, etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall, eine messbare Rolle.

Woher aber kam dann die während der Expansion – proportional zum beobachtbaren Raumvolumen – angewachsene Menge an DE? Ist es vorstellbar, dass es während der Expansion zu einer ständigen Neuschaffung von Raum – und damit DE – kommt, und welcher physikalische Mechanismus könnte dafür verantwortlich sein? Und wäre das mit dem herrschenden Urknallmodell überhaupt vereinbar, demzufolge Raum und Materie beim Urknall selbst gebildet wurden?

Die Annahme, Vakuumfluktuationen seien für die Dunkle Energie verantwortlich, überzeugt jedenfalls nicht: Die aus dem Vakuum heraus kontinuierlich erzeugten virtuellen Teilchenpaare annihilieren einander umgehend und tragen so nicht zur Energiedichte des Universums bei. Dessen ungeachtet gehen wir davon aus, dass sowohl der Raum (die DE) als auch die Materie ursprünglich aus Vakuumfluktuationen hervorgegangen sind (ohne hier näher darauf einzugehen).

Die Proportionalität zwischen Raumvolumen und DE, ihre offensichtliche Untrennbarkeit, legt nahe, dass obige Überlegung zum Widerspruch zwischen (zumindest annähernd) konstanter Dichte und Expansion in gleicher Weise auch auf den Raum anzuwenden ist: Die Vorstellung des Urknallmodells, beim Raum handle es sich um eine endlos dehnbare „Substanz“, ist nicht haltbar. Er kann sich nicht, zunächst auf ein verschwindend kleines Volumen konzentriert, auf das gesamte heute sichtbare Universum ausgedehnt haben. Das ist unvereinbar mit der Tatsache, dass jedem Raumvolumen ein bestimmtes, während der Expansion offenbar nahezu konstantes Quantum an Energie zugeordnet ist. Wenn wir es mit einer annähernd konstanten Energiedichte des Raumes zu tun haben, ist es streng genommen falsch, überhaupt von einer „Expansion des Raumes“ zu sprechen (jedenfalls nur in jenen Grenzen, die einer allfälligen seiner Energiedichte entspricht).

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Das gilt unabhängig davon, ob wir uns den Raum – wie von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorausgesetzt – als kontinuierlich vorstellen oder als körnig, also aus einzelnen Raumelementen bestehend. Für einen körnigen, also quasi „gequantelten“ Raum spricht die Tatsache, dass, wie wir wissen, Energie in Form von Quanten auftritt, was folglich auch von der DE anzunehmen ist. Dass diese Energiequanten dank ihrer Doppelnatur auch einen Teilchenaspekt aufweisen, macht sie zu geeigneten Bausteinen für die „Raumarchitektur“. Wenn einem bestimmten Raumvolumen ein DE-Quant entspricht, dann kann es auch keine kleinere als diese Volumeneinheit geben, da ihr ja keine kleinere DE-Einheit entsprechen würde, die es eben nicht gibt (sie wäre allenfalls durch die Fusion mehrerer DE-Quanten realisierbar, was eine entsprechend kleinere Wellenlänge und damit eine lokal erhöhte DE-Dichte zur Folge hätte).

Wenn also jeder kleinsten Raumzelle ein DE-Quant entspricht (und umgekehrt), dann liegt der Schluss nahe, von ihrer Identität auszugehen und zu behaupten: Dunkle Energie ist Raum, Raum ist Dunkle Energie. Wir haben es nach dieser Auffassung also mit Raumzellen bestimmter Energie und entsprechender Ausdehnung zu tun. Zwischen den einzelnen „Raumquanten“ herrscht (von anderen möglichen Wechselwirkungen abgesehen) gravitative Anziehung. Aus der Energiedichte der DE – und somit des Raumes – ergeben sich, wie oben erwähnt, sowohl der Radius dieses (kugelförmigen) Volumens als auch die darin enthaltene Gesamtenergie: Sie entsprechen den Werten eines Schwarzen Loches dieser Energiedichte. Da Masse und Radius jenen eines Schwarzen Loches gleicher Energiedichte entsprechen und es keine anderen Parameter gibt, durch die sich der von der DE aufgespannte Raum des Universums von einem solchen unterscheiden ließe, haben wir es also, auch wenn wir uns in seinem Inneren befinden, tatsächlich mit einem Schwarzen Loch zu tun! (Welchen Einfluss die Präsenz von baryonischer und Dunkler Materie haben, wird weiter unten erörtert.)

Aus obiger Überlegung lässt sich eindeutig schließen: Die Aussage, dass Schwarze Löcher eine Singularität enthalten, trifft in zumindest einem Fall erwiesenermaßen nicht zu (der Raum hätte andernfalls ja kollabieren müssen); sie ist somit widerlegt. Es ist sogar davon auszugehen, dass generell gilt, was im Fall des Kosmos der Fall ist: Schwarze Löcher (deren Volumen gleichmäßig „gefüllt“ ist) enthalten keine Singularität, sind also stabile Gebilde, die von einem Ereignishorizont umgeben sind. In ihnen heben einander Gravitation und nach außen gerichteter Strahlungsdruck (pʌ) gegenseitig auf.

Wir haben bisher festgestellt, dass der Raum, für sich genommen, stabil ist und weder expandiert noch kollabiert. Damit kommt er (bzw. die DE) auch nicht als Ursache der beobachteten (und durch verschiedene, voneinander unabhängige Beobachtungen bestätigten) „beschleunigten“ – tatsächlich aber nur zusätzlichen – Expansion der Materiekomponente des Universums in Frage. Um diese zu verstehen, müssen wir uns der Wechselwirkung zwischen Raum (DE) und Materie zuwenden. Wir gehen dabei davon aus, dass beide Komponenten des Kosmos in einem gemeinsamen „Schöpfungsakt“ aus zwei unterschiedlichen Typen von Vakuumfluktuation entstanden sind: die Materiekomponente lokal konzentriert, die Raumkomponente in der ihrer – ohne Wechselwirkung mit Materie konstanten – Energiedichte entsprechenden Ausdehnung.

Bis zum Zeitpunkt ihrer Materialisierung im (modifizierten) „Urknall“ gab es zwischen den beiden (zunächst virtuellen) Komponenten keine Wechselwirkung. Die „Information“ über die Präsenz der Materie breitete sich im Raum mit Lichtgeschwindigkeit aus (was auch dann gilt, wenn dieser Raum gerade erst durch eine sich wie der Expansionshorizont kugelförmig ausbreitende „Materialisierungswelle“ geschaffen worden ist und diese dem expandierenden Horizont gegenüber einen verschwindend kleinen Vorsprung hat). Innerhalb des expandierenden Horizonts war anfangs nur wenig Raum (und somit DE) enthalten. Erst nach etlichen Milliarden Jahren befand sich innerhalb des expandierenden Bereichs genug Raum, um die Bedeutung der beiden anderen Komponenten (baryonische und Dunkle Materie) zu erreichen, ja zu übertreffen und so die Kontrolle über die weitere Expansionsdynamik zu übernehmen.

Hatte der Raum zunächst eine bestimmte Ausdehnung und eine damit korrespondierende Größe der Raumzellen, so nahmen beide unter dem Einfluss der Materie zu. Der Radius eines Schwarzen Lochs wächst im Normalfall bei der Zufuhr von Masse proportional zu seiner Massenzunahme. Wenn wir die Ergebnisse der Planck-Mission zugrundelegen (Anteil der DE an der Gesamtenergie 68,3%), dann würde dem ein Radiuswachstum (auch der Raumzellen) um den Faktor 1,464129 entsprechen. Dass auch die Raumzellen mitwachsen müssen, hat damit zu tun, dass nur so die Stabilitätsbedingung des Schwarzen Lochs, dass nämlich sein gesamtes Volumen gefüllt sein muss, gewährleistet werden kann. Allerdings bringt die Expansion der Raumzellen eine Reduzierung der Energie der einzelnen Zellen mit sich. Zudem bewirkte die enge Verbindung zwischen Raum- und Materieteilchen, dass auch letztere im selben Ausmaß „gedehnt“ wurden und somit Energie bzw. Masse verloren (andernfalls hätten sich die Anteile der beiden Komponenten an der Gesamtenergie merklich verschoben). Der mit dieser Dehnung verbundene Energieverlust hatte zur Folge, dass die Dehnung nicht um den Faktor des ursprünglichen Massezuwachses erfolgte, sondern quasi auf halbem Weg „steckenblieb“, die Radien auf beiden Ebenen also nur um den Faktor 1,21 (gerundet) zunahmen.

Die Expansion auf der Mikroebene (der Raumzellen und Materieteilchen) war proportional zum Anwachsen der Gesamtmasse innerhalb des expandierenden Bereichs (genauer zur Wurzel dieses Wachstums), das mit dem Einschluss von mehr und mehr Raum innerhalb des expandierenden Horizonts verbunden war. Die Frage scheint berechtigt, ob die damit verbundene Abnahme der Teilchenmassen im Verlauf der Expansion nicht hätte beobachtet werden müssen. Dass dies nicht der Fall ist, ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass auch unsere Maßstäbe dieses Wachstum mitvollzogen haben. Der offensichtlichste Hinweis darauf ist gerade die beobachtete, dem Urknallmodell widersprechende „beschleunigte“ kosmische Expansion (indirekte Rückschlüsse erlaubt auch die nähere Untersuchung kosmischer Parameter wie Ƞ, dem Verhältnis zwischen Baryonen- und Photonenzahl im Universum).

Auch auf der Makroebene hat sich die Expansionsdynamik ausgewirkt: Die Vergrößerung der Raumzellen ließ die makroskopischen Distanzen im selben Ausmaß anwachsen und verhinderte, dass die Geschwindigkeit der Expansionsbewegung unter der Wirkung der Gravitation abnehmen konnte. In diesem Fall handelte es sich nicht (wie in der Frühphase des Urknalls) vorwiegend um eine Bewegung von Materie durch den Raum, sondern – durchaus im Einklang mit dem Urknallmodell – um die Mitführung großer Materiestrukturen wie Galaxien durch den nun tatsächlich, wenn auch nur um einen begrenzten Faktor, gedehnten Raum. Infolge dieser Zusatzexpansion ist es zu einer Abnahme der DE-Dichte gekommen, auch wenn diese Änderung durch die diesbezüglichen Experimente wahrscheinlich nur schwer nachweisbar sein dürfte.

Interessant ist die Analogie zwischen dem Energieverlust, den Materie erfährt, wenn sie in einem Gravitationsfeld fällt, und dem Energieverlust im Zuge der kosmischen Expansion. Da das Eintreten von Dunkler Energie in den sich ausdehnenden Horizont dafür verantwortlich ist und sich das Radiuswachstum der Teilchen von dort aus ausbreitet, wirkt dieser Horizont wie eine Quelle von Gravitation, ja erzeugt wohl auch eine gravitative Potenzialdifferenz, was einen plausiblen Mechanismus für die beobachtete Beschleunigung der Expansion darstellt (der aber versiegen wird, sobald die Expansion den gesamten vorhandenen oder neu gebildeten Raum „integriert“ hat).

Die Vereinigung von Raum und Materie ist nicht umkehrbar. Der Prozess dieser Fusion, die im Zuge der Expansion stattfindet, ist letztlich die – lange gesuchte – Ursache für die Existenz eines Zeitpfeils, die Asymmetrie zwischen Vergangenheit und Zukunft. Sogar wenn sich Teile der Materie im Zuge der Bildung von Schwarzen Löchern vom Raum abkoppeln, bleiben sie mit dem Rest des Universums gravitativ verbunden und stets innerhalb des gemeinsamen Horizonts des Universums. Weder der Urknall noch der Zeitpfeil sind umkehrbar.

Unser Erklärungsansatz führt zu einer weiteren wichtigen Einsicht:

Die kosmische Expansion ist räumlich und zeitlich begrenzt. Die Grenzen des Raumes sind auch die Grenzen der Welt, da Materie unabhängig vom Raum nicht existieren kann.

Es ist davon auszugehen, dass die Expansion der Materie den verfügbaren Raum bereits weitgehend ausgefüllt hat (bzw. sich dieser Grenze asymptotisch nähert). Dass sie sich über die Grenzen des Raumes hinaus ausbreiten kann, ist allein schon deshalb auszuschließen, weil Materieteilchen außerhalb des Raumes und unabhängig von ihm nicht existieren können. Ihre Masse wird ja durch den sogen. Higgs-Mechanismus erst durch ihre Wechselwirkung mit dem Raum definiert. Von einer beschleunigten und grenzenlos andauernden Expansion kann daher keine Rede sein. Im Gegenteil: Der Radius des von Materie „gefüllten“ Raumbereichs wird, wenn überhaupt, nur mehr geringfügig und mit stetig sinkender Geschwindigkeit zunehmen; jenseits davon gibt es zwar ein Vakuum, aber keinen – aus DE gebildeten – Raum.

Dennoch ist nicht auszuschließen, dass es zu einer Art „überschießenden Expansion“ über den genannten Faktor 1,21 des Zusatzwachstums hinaus, kommt, bei gleichzeitiger größerer Dehnung der einzelnen Raumzellen. Dazu kann in erster Linie jener Anteil der von den Materieteilchen bei ihrer Expansion abgegebenen Energie beitragen, der sich in zusätzlicher kinetischer Energie niederschlug. Andererseits erfordert dies eine zusätzliche Dehnung der Raumteilchen, die aber gegen den Widerstand der Gravitation erfolgen muss. Das sollte also – wie bei einer gedehnten Feder – eine Art Rückstellkraft bewirken, eine potentielle Energie, die nicht größer sein kann als die sie bewirkende (und dabei umgewandelte) kinetische Energie der Teilchen.

Es ist somit nicht auszuschließen, dass es nach Erreichen der maximalen Ausdehnung des Universums zu einer Phase der Kontraktion kommt. Aber würde diese unweigerlich in einen Kollaps, einen „big crunch“, münden? Eine solche Perspektive ist unwahrscheinlich, da die bei einer Kontraktion wieder ansteigende Energie der Raumzellen – und so auch der Materieteilchen – einen wieder größeren Schwarzschildradius des Universums nach sich ziehen würde, der aber nur durch eine neuerliche Expansion der Raumelemente ausgefüllt werden kann. Das würde aber angesichts der Mitführung der Materie durch den Raum einen neuerlichen Expansionsschub bewirken. Das plausibelste Ergebnis wäre somit ein Oszillieren der Ausdehnung des Kosmos zwischen einem maximalen und einem minimalen Radius, die aber beide nur unwesentlich vom Mittelwert abweichen sollten, der durch den Faktor der Zusatzexpansion um den Faktor 1,21 definiert ist.

Sollten diese Überlegungen zutreffen, dann hätte der Urknall zu einem Zustand geführt, der zwar nicht dem steady state-Modell, dem längst widerlegten Rivalen des Urknall-Modells, entspricht, aber doch langfristig quasistationär ist, indem er mit einer Periode von etlichen Milliarden Jahren um einen mittleren Wert herum schwankt. Nicht von der Hand zu weisen ist der Gedanke, dass die Amplitude dieser Schwankungen allmählich abnehmen sollte. Der Kosmos würde sich auf diese Weise langfristig dem Zustand in der Mitte zwischen den beiden Extremwerten annähern und dort zusehends stabilisieren. Vielleicht gilt ja auch für das Universum insgesamt, was Hawking für Schwarze Löcher postuliert hat: die Abgabe der nach ihm benannten Strahlung. Auf ganz lange Sicht hinaus würde das auf ein langsames Schrumpfen und schließliches „Verdampfen“ des Universums hinauslaufen. Aber kann es eine Strahlung in einem Raum jenseits des Horizonts des Universums geben, der eigentlich gar kein Raum im herkömmlichen Sinn ist? Auch wäre die Temperatur der den Dimensionen des Universums entsprechenden Hawkingstrahlung unvorstellbar niedrig. Es würde so gut wie unendlich lange dauern, bis die Gesamtenergie des Universums auf diese Weise „aufgezehrt“ wäre.