17/10/2011 - Die dunkle Energie, das größte Geheimnis der Wissenschaft

Menéame

Die dunkle Energie ist eine Kraft, die viel mächtiger ist als die Schwerkraft. Am 4. Oktober gewannen drei Wissenschaftler den Nobelpreis für Physik, weil sie den endgültigen Beweis dafür fanden, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt.

Ihre Entdeckung passt nicht zu einer Theorie, also hatte sie faszinierende Auswirkungen auf unser Verständnis der physischen Welt. Gleichzeitig ist es relativ einfach, Nicht-Spezialisten zu erklären. Also, schnallen Sie sich an für eine schnelle Reise an dieser Wissensgrenze: Was war die wahre Entdeckung, warum ist sie so wichtig, und was bedeutet sie für unsere Welt?

Er kehrt in die 90er Jahre zurück, als zwei unabhängige Forschungsteams gegründet wurden, um das Universum zu "schweren." Einer von ihnen wurde von Saul Perlmutter, einem jungen Physiker am Lawrence Berkley Laboratory und der andere von Bob Kirshner, einem Professor für Astronomie in Harvard, zusammen mit dem ehemaligen Doktoranden Brian Schmidt, jetzt an der Nationaluniversität Australiens, und dem damaligen Postgraduierten Adam Riess, der als Astronom am Space Telescope Science Institute und an der Johns Hopkins University arbeitet, geleitet.

Diese Astrophysiker wussten, dass das Universum ein riesiger Raum war, fast leer, voller Sterngalaxien in einem dünnen Meer von Atomen. Dank der Arbeit, die 70 Jahre zuvor von Edwin Hubble (von der NASA ihr Weltraumteleskop) geleistet wurde, wussten sie auch, dass sich das Universum über Milliarden von Jahren ausbreitete. Wie alle Astronomen hofften sie, dass die Ausdehnung langsamer würde, da die Schwerkraft zwischen Galaxien und anderen Stoffen stark war.

Es ist ganz einfach: Je mehr Dinge im Universum sind, desto größer ist die Gravitationsbremse der Expansion. So wurden die Nobelpreisträger Experimente entwickelt, um den Grad der Verlangsamung der Expansion zu messen, und damit die gesamte Menge an Material im Universum.

Was könnte schief gehen? Schließlich war die Schwerkraft die einzige bekannte Kraft, die eine Rolle spielen könnte. Die beiden Teams haben die Entfernungen zu Supernovas in fernen Galaxien gemessen und hofften, dass sie uns näher kommen könnten, als ob es überhaupt keine Schwerkraft gäbe.

Stellen Sie sich die Überraschung vor, als die Daten darauf hindeuten, dass die Expansion sich beschleunigt. Supernovas schienen weiter entfernt (schwächlicher) zu sein, als wenn die Geschwindigkeit der Expansion unveränderlich war

Was? Der Grad der Beschleunigung der Expansion wies darauf hin, dass die Gravitation, eine Kraft, die wir kannten und bewunderten, seit der erste Apfel von einem Baum fiel, etwas unbedeutend ist, wenn man ihn mit einem neuen, völlig unbekannten Energiefeld vergleicht, das die Galaxien zur Trennung zwingt.

Dieses neue Ding, von dem wir nichts wissen und das scheinbar eine gewisse Kraft ausübt, nennen wir dunkle Energie.

Im Jahr 2003 zeigte der WMAP-Satelliten (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) der NASA-Kosmologie überzeugend, dass die dunkle Energie die dominierende Komponente des Universums ist.

Dieses Material war nicht von irgendwelchen physischen Theorien geplant, und es war völlig unbekannt (obwohl es mehr von dieser Energie als alles andere im Universum gibt), bis die Teams von Astronomen und Physikern, die den Nobelpreis gewannen, ihre Messungen durchführten.

Mehr als die Atome, aus denen wir bestehen, du, ich, unsere Erde, mehr als der Wasserstoff und als das Helium, das das Universum durchdringt, mehr als die unbekannten Partikel dunkler Materie, die die Anziehung der Schwerkraft hervorrufen und die in erster Linie die Entstehung der Galaxien ermöglichen.

Was auch immer es ist, es lehrt uns etwas ganz Neues darüber, wie Materie, Raum und Zeit sich verhalten. Eine radikal neue Physiktheorie ist notwendig.

Tatsache ist, dass dunkle Energie das größte Geheimnis in der Wissenschaft ist. Er ist der Motor einer Vielzahl von Forschungen im letzten Jahrzehnt und war der Schlüsselfaktor des Berichts Neue Welten, neue Horizonte des letzten Jahres der Nationalen Akademien für Wissenschaft, die künftige Astronomie- und Astrophysikprojekte priorisiert haben.

Im höchsten Teil der Liste waren bessere Messungen der Eigenschaften der dunklen Energie durch den Einsatz des James Webb Space Telescope, jetzt in der Abschlussphase, sowie ein Infrarot-optisches Teleskop, das in den nächsten zehn Jahren gebaut werden soll.

Die beiden Teams maßen den Expansionsgrad durch eine Supernova, die am Ende des Lebens eines Sterns außergewöhnliche Explosionen sind. Astronomen wissen, dass eine bestimmte Art von Supernova immer die gleiche Menge Licht ausstrahlt, so dass es eine Standard-Kerze ist, die verwendet werden kann, um die Entfernung anzuzeigen.

Eine schwächere Supernova könnte weiter entfernt sein, und eine hellere könnte näher kommen. Um eine Supernova messen zu können, benutzten die Teams Teleskope aus aller Welt und im Weltraum, die meisten von der National Science Foundation und der NASA.

Das Spektrum einer Supernova (wie Licht über das optische Spektrum der Farbe verteilt wird, von Blau, Grün, Gelb bis Rot) offenbart die Geschwindigkeit, mit der es sich durch die Ausdehnung des Universums von uns entfernt. Du hast wahrscheinlich bemerkt, wie sich der Ton einer Meerjungfrau zu dem Zeitpunkt ändert, zu dem sie sich dir nähert oder sich von dir entfernt, und diese Veränderung ist größer, wenn sich das Fahrzeug schneller bewegt. Das Licht, das eine Supernova ausstrahlt, zeigt die gleiche Art von Wechselfrequenz, so dass Sie die Geschwindigkeit sehr genau messen können.

Es gab eine weitere wesentliche Komponente für das Experiment: die Fähigkeit, zurück in die Zeit zu sehen. Das Licht braucht viel Zeit, um von diesen Supernovas zu uns zu reisen, die ungewöhnlicherweise in fernen Galaxien vorkommen.

Das Licht einer nahe gelegenen Supernova könnte Hunderttausende von Jahren erfordern, um zu uns zu gelangen, während das Licht, von dem sie entfernt sind und das von den Teams von Perimutter und Schmidt-Ries-Kishner beobachtet wurde, für Milliarden von Jahren reist. Das bedeutet, dass man die Geschichte der Ausdehnung des Universums, d. h. den Index, in dem sie sich zu verschiedenen Zeiten in der Vergangenheit ausbreiten, in verschiedenen Entfernungen beobachten kann. Das Ziel der Experimente war es, die Veränderung der Expansionsgeschwindigkeit zu messen: die Verlangsamung.

Doch statt dessen fanden die Teams heraus, dass die Expansion sich beschleunigt.

Die neuen Daten sind für das seltsame neue Bild von entscheidender Bedeutung. Adam Riess, der das Hubble-Weltraumteleskop benutzte, um die extrem weit entfernten Supernovaen zu messen, zeigte, dass zu Beginn des Universums die Schwerkraft tatsächlich Schritte in die dunkle Energie stürzte.

Bei der anfänglichen Expansion des Urknalls ging der Raum zurück. Als die Galaxien sich dann entfernten, übernahm die Anziehungskraft der Gravitation zwischen ihnen, die die dunkle Energie schwächte, die wie eine konstante Eigenschaft im Raum selbst aussah.

Im Universum unserer Tage, 13.7 Milliarden Jahre nach dem Urknall, ist die Schwerkraft viel schwächer als die dunkle Energie. Also ließ Riess' Entdeckung keinen Zweifel: Die alternativen Erklärungen für die ursprüngliche Entdeckung hätten diese Entwicklung eines Raumes nicht gezeigt, in dem die Schwerkraft beherrscht wurde, wo die dunkle Energie beherrscht wurde.

Die Astrophysiker sind hinter diesem Phänomen her. Nach der Rede von Leigh Page von Yale über die dunkle Energie von Saul Permutter, einem Nobelpreisträger, fragte mich ein Physiklehrer: "Hat dich das nicht über Nacht wach gehalten, dich gefragt, was das sein kann?"

Was bedeutet diese Entdeckung für die Welt?

Die dunkle Energie hat keine direkten Auswirkungen auf unser Leben, zumindest im Moment. Unsere Galaxie hat Milliarden von Jahren, bevor die dunkle Energie stark genug ist, sie zu zerstören. Die Ereignisse bewegen sich langsamer in der Zeit des Universums.

Aber wenn die Geschichte als Führer dient, dann erwies sich das Verständnis von Teilchenphysik, Raum und Zeit als unbezahlbar immer und immer wieder. Ein großer Teil der technologischen Innovation, die unsere Wirtschaft heute anführt, stammt aus den Entdeckungen der Physik von vor mehreren Jahrzehnten, gemäß dem Gathering Storm-Bericht von 2006 der National Academy of Science.

Die Entwicklung der Quantenmechaniktheorien über Materie in den 20er Jahren führte zu der Elektronik der heutigen Computer, zu industriellen und Haushaltsgeräten elektronischen Geräten, von Ihrem iPod bis zu Ihrem Toaster.

Die Diagnosen von Bildern, die zur Entdeckung von Krebs und anderen Leiden verwendet werden, haben ihre Wurzeln in der Streuung von Licht und Partikeln durch die Materie, wie die Physiker es bei der Verwendung von Teilchenbeschleunigern untersucht haben. Die Astronomen leiteten die Entwicklung von elektronischen Bildgeräten, die jetzt in den Digitalkameras weit verbreitet sind. Die Röntgenscanner der Flughäfen wurden von einem Unternehmen gebaut, das von Astronomen geleitet wurde, die sich für die Erkennung der Röntgenstrahlen von Sternen und Galaxien interessieren. Und die Liste geht weiter.

Als Brian Schmidt ein Supernova-Experte wurde, dachte er daran, wie die Sterne explodierten, nicht an den Nobelpreis. Als Adam Riess sein Studium anfing, dachte er daran, wie sich der Kosmos bis heute entwickelte. Als Saul Permutter sein Labor überzeugte, sein Supernova-Experiment durchzuführen, wollte er das Universum wiegen. Und wenn Bob Kirshner Hunderte von Studenten zu seinen Astronomie-Kursen in Harvard anzieht, wird er ihnen über entfernte Objekte und Ereignisse beibringen, die unglaublich weit entfernt von unserem Alltag zu sein scheinen.

Aber ihre Leidenschaft für die Wissenschaft führte sie zu einer Entdeckung, die einen Nobelpreis wert war. Dies erinnert uns daran, dass die Vereinigten Staaten immer noch einer der Führer in der Spitzenforschung und auch in der Ausbildung künftiger Wissenschaftler sind.

Diese Entdeckung fordert unsere besten Theoretiker heraus und zieht intelligente junge Menschen zur Wissenschaft an. Und eines Tages in der Zukunft, zu verstehen, wie dunkle Energie eine Eigenschaft des leeren Raums im Universum sein kann, hat vielleicht einen tiefen Einfluss auf unser Leben hier auf der Erde.

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