NGC4889 / Comahaufen
Coma-Galaxienhaufen im Sternbild Haar der Berenike

Das Universum ist groß und besteht letztendlich aus leuchtenden Galaxien, kalten, intergalaktischen Dunkelnebeln und ein paar umhervagabundierenden Einzelsternen und Planeten. Könnte man meinen – doch weit gefehlt! Die uns bekannte Materieform macht nur schlaffe ca. 5% aus… Doch aus was bestehen denn die übrigen 95%?

Kosmologen haben kürzlich ermittelt, dass die Expansion unseres Universums, welche bereits von Hubble entdeckt wurde, beschleunigt zunimmt. Auch die3K-Hintergrundstrahlung, die den gesamten Kosmos erfüllt, ist sonderbar; sie besitzt eine feingranulare Struktur. Die uns zugängliche Menge an Materie kann jedoch nicht ausreichen, diese Besonderheiten zu erklären; ansonsten würde das Universum entweder kollabieren oder sich explosionsartig ausdehnen und alle Strukturen wären auseinandergerissen. Es muss also noch mehr geben.

Dunkle Materie

Einigen Wissenschaftlern mutmaßten, dass es eine weitere Materieform geben könnte, die ebenso wie die baryonische Materie, die aus den sog. Quarks und Leptonen aufgebaut sein könnte. Allerdings sind diese Elementarteilchen nach aussen hin elektrisch neutral und stabil. Sie wechselwirken ausschließlich über die Gravitation. Es gibt eine elektromagnetische Beeinflussung; also auch keine Atome, Moleküle usw. Nur umherwabernde Teilchen. Dunkle Materie im wahrsten Sinne des Wortes. Das das kein Hirngespinst ist, zeigten z.B. Messungen des Rotationsverhaltens von Spiralgalaxien: Der Kernbereich rotiert mit quasi der gleichen Geschwindigkeit um das galaktische Zentrum wie die ferneren Randbereiche. Eigentlich nicht zu erklären, gäbe es nur normale ‚baryonische‘ Materie. Packt man zu den Galaxien zusätzlich die ausschließlich über die Gravitation wechselwirkenden ‚dunklen‘ Geisterteilchen hinzu (und zwar in rauhen Mengen) so lässt sich das beobachtete Rotationsverhalten erklären.
Ebenso können damit auch Graviationslinsen erkärt werden, die das Licht weit entfernter Galaxienhaufen ablenken und sogar bündeln können. Die Stärke dieser Ablenkung kann nicht alleine von der ’normalen‘ (baryonischen) Galaxien-Materie verursacht werden. Es muss noch mehr geben!

Und zwar sehr viel mehr – man schätzt, dass es etwa fünf mal mehr dieser ‚Dunklen Materie‚ gibt, als die von uns beobachtbare baryonische Materie. Nur direkt nachgewisen hat man sie bisher nocht nicht – z.B. in einem Teilchenbeschleuniger.

Doch reicht das? Kann man unter Zuhilfenahme der Dunklen Materie die Eigenschaften der Kosmos erklären? Leider nur zum Teil – es fehlen immer noch 70%. Doch wo ist dieser Löwenanteil im Universum versteckt?

.. und Dunkle Energie

Um es vorwegzunehmen: Dieser 70%ige Anteil wird ‚Dunkle Energie‚ genannt. Ohne es zu wissen, war ihm Einstein dicht auf der Spur und verkannte ihn als ‚Eselei seines Lebens‘. Eine Konstante, die er in seinen Feldgleichungen zur Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) einführte, um die Konstanz des Universums zu retten; eine Art ‚Anti-Gravitation. Es zeigte sich nämlich zunächst, dass Lösungen seiner Gleichungen ohne diese Konstante zur kollabierenden oder explodierenden Universen führte.

Doch Hubble entdeckte, dass das Universum gar nicht konstant ist, sondern sich stattdessen ausdehnt. Auch wurden bessere Lösungen der ART-Gleichungen gefunden, die ohne diese Konstante auskamen, also wurde sie erst einmal unter den Tisch gekehrt; lediglich einige Mathematiker beschäftigten sich noch mit ihr – rein akademisch also.

Doch mit Hilfe ultrahochpräzise messender Apparaturen gewann man neue Erkenntnisse über den Kosmos. So wurde entdeckt, dass sich der Kosmos nicht gleichmäßig, sondern sogar beschleunigt ausdehnt; auch die Feinkörnigkeit der Hintergrundstrahlung wurde entdeckt, und die großräumige Verteilung von Super-Galaxienhaufen. All dies war ohne diese Kosmologische Konstante nicht wirklich umfassend zu erklären. Also führte man sie wieder ein und man suchte nun auch nach einer physikalischen Deutung.

Die kosmologische Konstante begründet das Vorhandensein einer sogenannten Dunklen Energie (wohlgemerkt etwas völlig anderes als die Dunkle Materie s.o.). Anstatt sie mit einer seltsam anmutenden Antigravitation gleichzusetzen, wird in modernerer Sichtweise die sogenannte Vakuumenergie dafür verantwortlich gemacht. Denn quantenmechanisch gesehen gibt es im Vakuum kein zeitlich konstantes Null-Nivau; dies widerspricht der berühmten Unschärferelation der Quantenmechanik. Vielmehr ist selbst das Vakuum auf nano-kleiner Ebene von spontan entstehenden Teilchen durchsetzt, die sich gegenseitig erzeugen und vernichten. Auf kleinen Skalen macht sich dieser Energiebetrag nicht makroskopisch bemerkbar; jedoch auf Distanzen von mehreren hundert Millionen Lichtjahren wird er sogar dominant und beeinfluß maßgeblich die beschleunigte Ausdehnung des Weltalls, wie mit Hilfe von fernen Supernova-Explosionen des Typ Ia zweifelsfrei nachgewiesen wurde.

Heutzutage ist die Kosmologische Konstante Teil des Standardmodells unseres Universums, dem sogenannten Lambda-CDM-Modell. Lambda steht dabei für die Kosmologische Konstante und CDM für ‚C’old ‚D’ark ‚M’atter.