Kapitel 13: Das Rätsel der Dunklen Energie

Nacht 150: Ein sanfter Schub

Am Missionstag 150 sollte sich die Station ein wenig höher über die Erde heben. Das nennt man eine Bahnanhebung, und sie geschieht von Zeit zu Zeit. In etwa 400 Kilometern Höhe gibt es fast keine Luft, aber eben nicht ganz keine. Eine sehr dünne Spur der Atmosphäre reicht noch so hoch hinauf. In jeder Sekunde stößt die Station auf sehr viele dieser dünn verstreuten Luftteilchen, und zusammen bremsen sie sie um einen winzigen Betrag ab. Über Wochen und Monate sinkt die Station langsam tiefer. Deshalb zünden von Zeit zu Zeit ihre Triebwerke, um sie wieder hinaufzuschieben.

Noor fand das eine still überraschende Tatsache. Selbst hier, weit über den Wolken und dem Wetter, war die Station nicht völlig frei von der Luft der Erde. Ohne diese kleinen Schübe würde die Station über die Jahre immer tiefer sinken, die Luft um sie herum würde dichter werden, und am Ende würde sie in die dichte Luft darunter hinabkommen. Die Bahnanhebung ist also eine Art routinemäßige Wartung, wie das Prüfen der Reifen eines Fahrzeugs oder das Ölen einer Tür. Niemand am Boden sieht sie, aber sie hält alles am Laufen.

Die Bahnanhebung wurde von den Teams am Boden geplant, und die Triebwerke wurden von dort und von den Computern der Station gesteuert. Die Aufgabe der Besatzung war die Vorbereitung. Noor und Tomás gingen durch die Module und prüften, dass nichts Loses dort schwebte, wo es von der kleinen Geschwindigkeitsänderung angestoßen werden konnte. Werkzeuge wurden weggeräumt. Kameras wurden festgemacht. Ein Experiment, das winzige Bewegungen misst, wurde angehalten. Noor zog die Gurte an einer Tasche mit Kleidung fest, die sie schon seit Tagen hatte aufräumen wollen.

Als die Triebwerke zündeten, gab es kein Dröhnen. Es gab nur einen sanften, gleichmäßigen Schub. Noor hielt sich an einem Haltegriff nahe dem Fenster fest und spürte durch ihn ein leichtes Ziehen, während sich die Station um sie herum nach vorn bewegte. Ein Stift, den jemand vergessen hatte, trieb langsam zum hinteren Ende des Moduls. Tomás fing ihn auf, ohne hinzusehen, wie er die meisten Dinge auffängt. Nach einigen Minuten stoppten die Triebwerke, und alles schwebte wie zuvor. Die Station war jetzt ein wenig höher und würde länger oben bleiben.

Ein paar Minuten später bestätigte eine ruhige Stimme vom Boden, dass die Bahnanhebung wie geplant verlaufen war. Tomás trug die Uhrzeit ins Logbuch ein, und Noor und Ade gingen noch einmal durch die Module und machten die Vorbereitungen des Morgens eine nach der anderen rückgängig. Das angehaltene Experiment lief wieder an. Die Kameras wurden losgemacht. Bis zum Mittag sah die Station genauso aus wie vorher, nur ein wenig höher über den Wolken.

Am Abend erzählte Noor Sami von der Bahnanhebung. Er arbeitet jede Nacht mit Fahrzeugen und verstand sofort. „Es ist also wie beim Lieferwagen bergauf“, schrieb er. „Wenn du aufhörst, aufs Pedal zu treten, wirst du langsamer.“ Dann fragte er noch etwas. „Wird das Universum auch langsamer? Wenn nach dem Urknall alles auseinandergeflogen ist, müsste es dann nicht inzwischen langsamer werden?“

Noor lächelte auf den Bildschirm. Den größten Teil des 20. Jahrhunderts über stellten Astronomen genau dieselbe Frage, und sie erwarteten dieselbe Antwort. Die Geschichte dieser Nacht handelt davon, was sie stattdessen fanden. Es ist eine der größten Überraschungen in der Geschichte der Astronomie, und es ist noch immer ein Rätsel.

Die Erwartung des Bremsens

Denk daran, einen Ball senkrecht in die Luft zu werfen. Während er steigt, zieht die Schwerkraft der Erde an ihm, und er wird langsamer. Wirfst du ihn sanft, wird er langsamer, hält an und fällt zurück in deine Hand. Könntest du ihn äußerst kräftig werfen, würde er der Erde vielleicht ganz entkommen, aber er würde den ganzen Weg über trotzdem langsamer werden, denn die Schwerkraft hört nie auf zu ziehen.

Viele Jahre lang stellten sich Astronomen das sich ausdehnende Universum auf ähnliche Weise vor. Nach dem heißen Anfang haben sich die Galaxien voneinander entfernt, weil sich der Raum gedehnt hat. Aber alle Materie im Universum zieht durch die Schwerkraft an aller anderen Materie. Deshalb schien es naheliegend, dass diese Anziehung die Expansion langsam bremsen würde. Die einzige Frage schien zu sein, wie stark die Bremsung war. Würde sich die Expansion so sehr verlangsamen, dass sie eines Tages zum Stillstand käme und sich umkehrte? Oder würde sie sich für immer verlangsamen, ohne ganz anzuhalten?

Albert Einsteins Theorie der Schwerkraft, die er 1915 vollendete, ließ für ein Universum voller Materie mehrere verschiedene Zukünfte zu. 1922 arbeitete Alexander Friedmann einige dieser Möglichkeiten auf dem Papier aus. In einer Art von Universum verlangsamt sich die Expansion und kehrt sich dann um, und alles fällt wieder zusammen. In einer anderen Art verlangsamt sich die Expansion, hält aber nie an. In welcher Art wir leben, hinge davon ab, wie viel Materie das Universum enthält. Jahrzehntelang war es eine der zentralen Aufgaben der Astronomie, diese Menge und die Verlangsamung der Expansion zu messen.

Um das zu beantworten, mussten Astronomen die Expansion heute mit der Expansion vor langer Zeit vergleichen. Denk daran, dass in die Ferne schauen heißt, in der Zeit zurückzuschauen. Wenn du messen kannst, wie schnell sich sehr ferne Galaxien entfernten, als ihr Licht sie verließ, und das mit nahen Galaxien vergleichst, kannst du sehen, ob sich die Expansion verändert hat. Es ist ein wenig, als prüfte man die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs auf einer alten Aufzeichnung und verglich sie mit seiner Geschwindigkeit heute.

Der schwierige Teil war, Entfernungen zu Galaxien zu messen, die äußerst weit entfernt sind. Die pulsierenden Sterne, die Henrietta Leavitt untersuchte, sind hell, aber nicht hell genug, um in den größten Entfernungen gesehen zu werden. Astronomen brauchten eine viel hellere Art von Lampe, eine, deren wahre Helligkeit sie kannten. Sie fanden sie in einer besonderen Art explodierender Sterne.

Explodierende Sterne als Messlampen

Manche explodierenden Sterne beginnen als Weiße Zwerge, die kleinen, dichten Überreste von Sternen wie der Sonne, denen wir in einer früheren Nacht begegnet sind. Wenn ein Weißer Zwerg einen nahen Partnerstern hat, kann er von diesem Partner langsam Materie sammeln. Wenn er zu schwer wird, explodiert er auf sehr helle und ziemlich regelmäßige Weise. Explosionen dieser Art erreichen jedes Mal fast dieselbe größte Helligkeit, und Astronomen lernten, die kleinen Unterschiede zwischen ihnen auszugleichen. Das machte sie zu nützlichen Messlampen, die man über Milliarden Lichtjahre hinweg sehen kann.

Die Methode ist einfach zu beschreiben, auch wenn die Arbeit sehr schwer ist. Wenn du weißt, wie hell eine Lampe wirklich ist, kannst du daran, wie schwach sie aussieht, erkennen, wie weit sie entfernt ist. Eine Straßenlaterne am Ende einer langen Straße sieht schwach aus, nicht weil sie schwach ist, sondern weil sie weit weg ist. Ebenso muss ein schwacher explodierender Stern dieser Art sehr weit entfernt sein.

In den 1990er-Jahren machten sich zwei getrennte Teams von Astronomen daran, mit diesen Explosionen die Verlangsamung der Expansion zu messen. Die Arbeit verlangte Geduld. Solche Explosionen sind in jeder einzelnen Galaxie selten, deshalb mussten die Teams eine große Zahl von Galaxien beobachten, die Explosionen erwischen, solange sie hell waren, und sie dann mit großen Teleskopen sorgfältig vermessen. Viele Menschen arbeiteten lange Nächte hindurch, verglichen ihre Notizen und stritten über jeden Schritt.

1998 meldeten beide Teams dasselbe Ergebnis. Die fernen Explosionen waren schwächer als erwartet. Das bedeutete, dass sie weiter entfernt waren, als sie es hätten sein dürfen, wenn sich die Expansion verlangsamt hätte. Die beste Erklärung war das Gegenteil dessen, was fast alle erwartet hatten. Die Expansion des Universums verlangsamte sich nicht. Seit mehreren Milliarden Jahren beschleunigt sie sich.

Was das Ergebnis so überzeugend machte, war, dass es von zwei getrennten Teams kam. Die Teams arbeiteten unabhängig voneinander, benutzten ihre eigenen Teleskope und ihre eigenen Prüfmethoden, und sie wetteiferten auf freundliche Weise darum, die Ersten zu sein. Hätte nur ein Team die Beschleunigung gefunden, hätten andere Wissenschaftler vielleicht einen Fehler in seiner Arbeit vermutet. Als beide Teams dieselbe überraschende Antwort fanden, ließ sich das Ergebnis viel schwerer abtun. In der Wissenschaft, wie an vielen Arbeitsplätzen, ist ein Ergebnis, zu dem zwei sorgfältige Gruppen getrennt gelangen, mehr wert als ein Ergebnis, das nur eine Gruppe gesehen hat.

Viele Wissenschaftler waren zunächst unsicher. Vielleicht schwächte Staub das Licht ab? Vielleicht waren die Explosionen vor langer Zeit ein wenig anders? Diese Fragen wurden in den folgenden Jahren immer wieder geprüft. Andere Arten von Messungen, darunter genaue Karten des ältesten Lichts und der Art, wie Galaxien im Raum verteilt sind, haben seitdem in dieselbe Richtung gewiesen. Die Beschleunigung der Expansion ist heute ein weithin anerkannter Teil des Bildes.

Das Gesamtbild, das aus dieser Arbeit hervorging, hat zwei Teile. In den ersten Milliarden Jahren nach dem heißen Anfang verlangsamte sich die Expansion tatsächlich, genau wie Astronomen erwartet hatten, weil die Materie dichter gepackt und ihre Schwerkraft stark war. Aber als sich der Raum dehnte und die Materie dünner wurde, wurde ihre Bremswirkung schwächer. Vor mehreren Milliarden Jahren wurde ein unbekannter Schub, dem wir gleich einen Namen geben werden, stärker als die Bremsung durch die Materie, und die Expansion begann sich zu beschleunigen. Die Astronomen des 20. Jahrhunderts hatten sich also nicht in der Schwerkraft geirrt. Ihnen fehlte nur ein zweiter, unerwarteter Teil der Geschichte.

Dem Rätsel einen Namen geben

Wenn sich die Expansion beschleunigt, muss etwas sie verursachen. Wissenschaftler wissen nicht, was dieses Etwas ist. Trotzdem gaben sie ihm einen Namen: Dunkle Energie. Sie heißt „dunkel“, weil sie nicht leuchtet und nicht direkt gesehen werden kann, und „Energie“, weil sie offenbar auf das ganze Universum wirkt. Aber der Name ist ein Etikett auf einer leeren Schachtel. Er sagt uns, dass etwas da ist, er sagt uns nicht, was es ist.

Nach heutigen Messungen lässt sich der gesamte Inhalt des Universums ungefähr so aufteilen. Gewöhnliche Materie, die Art, aus der Sterne, Planeten, Gas und Menschen bestehen, macht nur etwa 5 Prozent aus. Dunkle Materie, der wir in einer früheren Nacht begegnet sind, macht etwa 27 Prozent aus. Dunkle Energie macht etwa 68 Prozent aus. Mit anderen Worten: Alles, was wir je mit unseren Teleskopen gesehen haben, ist nur ein kleiner Teil dessen, was das Universum enthält. Der Rest ist nur durch seine Wirkungen bekannt.

Es kann helfen, sich das als Haushaltsbuch vorzustellen. Stell dir vor, du untersuchst deine Ausgaben eines Monats und stellst fest, dass nur fünf von hundert Teilen in Dinge fließen, die du benennen kannst: Miete, Essen, Fahrten. Etwa siebenundzwanzig Teile fließen in etwas, dessen Wirkung du spüren, das du aber auf keinem Beleg sehen kannst. Und etwa achtundsechzig Teile fließen in etwas noch Seltsameres, das das ganze Budget jeden Monat größer werden zu lassen scheint. Du würdest diese beiden verborgenen Posten sehr gern verstehen. In dieser Lage sind die Astronomen heute.

Eine Möglichkeit ist, dass Dunkle Energie eine Eigenschaft des leeren Raumes selbst ist. Wenn selbst völlig leerer Raum eine kleine Menge Energie enthält, dann gibt es, während sich der Raum dehnt, mehr leeren Raum und mehr von dieser Energie. Diese Energie würde die Expansion vorantreiben. Interessanterweise bringt dieser Gedanke einen Term zurück, den Albert Einstein 1917 zu seinen Gleichungen hinzufügte, als er ein Universum beschreiben wollte, das stillsteht. Später gab er den Term auf, als die Expansion entdeckt wurde. Heute kehrt derselbe Term in einer neuen Rolle zurück, nicht um das Universum stillzuhalten, sondern um seine Beschleunigung zu beschreiben.

Aber das ist nicht die einzige Möglichkeit. Manche Wissenschaftler glauben, dass sich die Dunkle Energie mit der Zeit verändern könnte. Andere fragen sich, ob unsere Theorie der Schwerkraft verändert werden muss, wenn wir auf die größten Entfernungen schauen. Derzeit gibt es keine einhellige Antwort. Große neue Himmelsdurchmusterungen messen die Positionen und Entfernungen riesiger Zahlen von Galaxien, um genauer zu sehen, wie sich die Expansion im Lauf der Zeit verändert hat. Diese Messungen zeigen vielleicht eines Tages, welche Ideen auf dem richtigen Weg sind.

Zwei Messungen, die nicht übereinstimmen

Es gibt noch eine weitere offene Frage im Zusammenhang mit der Expansion, an der Astronomen heute arbeiten. Sie betrifft die Frage, wie schnell sich das Universum gerade jetzt ausdehnt. Es gibt verschiedene Arten, das zu messen. Eine Art ist, die Entfernungen und Geschwindigkeiten naher Galaxien zu messen, mithilfe pulsierender Sterne und explodierender Sterne, wie in der Arbeit, die wir beschrieben haben. Eine andere Art ist, von der genauen Karte des ältesten Lichts auszugehen und mit unserer besten Theorie des Universums zu berechnen, wie schnell die Expansion heute sein sollte.

Beide Methoden sind sorgfältig, und beide sind viele Male geprüft worden. Und doch geben sie leicht unterschiedliche Antworten. Der Unterschied ist nicht riesig, aber er ist größer als die erwarteten Fehler der Messungen. Es ist ein wenig so, als würden zwei sorgfältige Handwerker denselben Raum mit zwei verschiedenen Werkzeugen ausmessen und Ergebnisse erhalten, die sich um einen kleinen, aber hartnäckigen Betrag unterscheiden. Jeder prüft sein eigenes Werkzeug, und jedes Werkzeug scheint in Ordnung zu sein.

Noch weiß niemand, warum die Antworten voneinander abweichen. Vielleicht verbirgt sich in einer der Methoden ein kleiner Fehler, den noch niemand gefunden hat. Vielleicht fehlt unserer Theorie des Universums etwas, zum Beispiel etwas über die Dunkle Energie oder über das frühe Universum. Wissenschaftler prüfen beide Möglichkeiten mit neuen Teleskopen und neuen Methoden. Es ist ein ehrliches Beispiel dafür, wie Wissenschaft funktioniert: Wenn zwei gute Messungen nicht übereinstimmen, wählen Wissenschaftler nicht die aus, die ihnen gefällt. Sie messen weiter, bis sie verstehen.

Neue Teleskope helfen bei dieser Frage. Das James-Webb-Weltraumteleskop, das Infrarotlicht sieht, kann durch Staub hindurchschauen und einzelne pulsierende Sterne in Galaxien deutlicher herausfiltern, als es frühere Teleskope konnten. Astronomen nutzen es und andere Teleskope, um die Messungen naher Entfernungen Schritt für Schritt zu überprüfen. Unterdessen verbessern andere Teams die Berechnungen auf Grundlage des ältesten Lichts. Jedes neue Ergebnis wird aufmerksam verfolgt, denn eine klare Antwort, in welche Richtung sie auch geht, würde uns etwas Wichtiges lehren.

Für einen berufstätigen Menschen liegt darin etwas Vertrautes. Viele von uns hatten bei der Arbeit schon ein Problem, das nicht verschwinden wollte, eine Zahl, die nicht aufging, oder eine Maschine, die manchmal ohne erkennbaren Grund stehen blieb. Die Lösung kommt oft langsam, durch geduldiges Prüfen. Auch das Universum wird Prüfung um Prüfung geduldig verstanden.

Vor dem Schlafen

Spät am Abend schwebte Noor zum Fenster. Die Station war an diesem Tag ein wenig höher gestiegen, aber von innen sah nichts anders aus. Die Erde drehte sich unten, und die Sterne leuchteten über dem Rand der Luft. Irgendwo jenseits dieser Sterne entfernen sich Galaxien jedes Jahr ein wenig schneller voneinander, angetrieben von etwas, das noch nie jemand gesehen hat.

Sie schrieb an Sami. „Du hattest recht, danach zu fragen. Astronomen erwarteten, dass das Universum langsamer wird, wie dein Lieferwagen bergauf ohne Pedal. Aber als sie maßen, fanden sie das Gegenteil. Die Expansion beschleunigt sich. Die Ursache nennen sie Dunkle Energie, aber niemand weiß, was sie ist. Deine Frage von heute ist also eine der größten Fragen der Wissenschaft.“

Bevor sie einschlief, dachte sie darüber nach, wie seltsam es war, auf einer Station zu arbeiten, die angeschoben werden muss, um zu bleiben, wo sie ist, in einem Universum, das offenbar von etwas nach außen geschoben wird, das niemand versteht. Das langsame Sinken der Station und die Beschleunigung des Universums wurden beide auf dieselbe Weise bemerkt, von Menschen, die sorgfältig auf Zahlen schauten und sahen, dass etwas nicht passte.

Um drei Uhr morgens las Sami es in der Fahrerkabine seines Lieferwagens. „Das Universum hat also den Fuß auf dem Pedal“, schrieb er zurück, „und niemand weiß, wessen Fuß es ist.“ Noor las seine Antwort, als sie aufwachte, und fand, dass das gar keine schlechte Beschreibung war.

Vielleicht ist es ein Trost zu wissen, dass selbst die Menschen, die das Universum ihr ganzes Arbeitsleben lang erforschen, nicht auf alles eine Antwort haben. Wenn dir heute Abend etwas in deinem eigenen Leben noch unklar ist, bist du in sehr guter Gesellschaft. Manche Fragen werden schnell beantwortet. Andere brauchen Geduld, sorgfältige Arbeit und Zeit.

Verbreitete Missverständnisse

Viele Menschen glauben, Dunkle Energie und Dunkle Materie seien dasselbe, weil beide „dunkel“ im Namen tragen. Tatsächlich sind sie sehr verschieden. Dunkle Materie zieht Dinge zusammen. Ihre Schwerkraft hält Galaxien und Galaxienhaufen zusammen und half ihnen, sich zu bilden. Dunkle Energie scheint das Gegenteil zu tun: Sie treibt die Expansion des Universums an, schneller zu werden. Beide heißen „dunkel“, weil wir sie nicht direkt sehen können, und beide sind noch nicht verstanden. Aber sie sind zwei getrennte Rätsel.

Viele Menschen glauben auch, Dunkle Energie sei eine Art Energie, die wir sammeln und nutzen könnten, wie die Energie in einer Batterie oder im Sonnenlicht. Wegen ihres Namens klingt es so. Aber Dunkle Energie, was immer sie ist, ist äußerst dünn im Raum verteilt. Im Raum eines Zimmers oder sogar der ganzen Erde gäbe es fast nichts davon. Ihre Wirkung wird erst über die ungeheuren Entfernungen zwischen Galaxiengruppen bedeutsam. Sie ist keine Kraftquelle für Maschinen, und niemand weiß, wie man sie auch nur im Prinzip nutzen könnte.

Und schließlich glauben manche Menschen, Wissenschaftler wüssten schon, wie das Universum enden wird, zum Beispiel, dass es sich selbst zerreißen, erfrieren oder wieder in sich zusammenfallen wird. Vielleicht hast du solche Ideen schon als Tatsachen dargestellt gelesen. Die Wahrheit ist, dass die ferne Zukunft vom Wesen der Dunklen Energie abhängt, und dieses Wesen kennen wir noch nicht. Wenn sie so bleibt, wie sie heute zu sein scheint, wird sich die Expansion weiter beschleunigen, und ferne Galaxien werden langsam aus dem Blick verschwinden. Wenn sich die Dunkle Energie aber verändert, könnte die Zukunft anders aussehen. In der nächsten Nacht gehen wir während einer stillen Wache an die äußersten Ränder dessen, was wir wissen, und fragen, was dahinter liegt.