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Anmerkung der Redaktion: Diese Geschichte wurde ursprünglich in der Februar-Ausgabe 2004 von Scientific American gedruckt. Wir veröffentlichen diese Geschichte erneut, weil der Autor Adam Riess 2008 von der MacArthur Foundation als MacArthur Fellow ausgewählt wurde.

Von der Zeit Isaac Newtons bis in die späten 1990er Jahre war das bestimmende Merkmal der Schwerkraft ihre anziehende Natur. Die Schwerkraft hält uns auf dem Boden. Sie verlangsamt den Aufstieg von Basebällen und hält den Mond auf seiner Umlaufbahn um die Erde. Die Schwerkraft verhindert, dass unser Sonnensystem auseinanderfliegt, und bindet riesige Galaxienhaufen zusammen. Obwohl Einsteins allgemeine Relativitätstheorie zulässt, dass die Schwerkraft sowohl schieben als auch ziehen kann, betrachteten die meisten Physiker dies als eine rein theoretische Möglichkeit, die für das heutige Universum irrelevant ist. Bis vor kurzem rechneten Astronomen fest damit, dass die Schwerkraft die Expansion des Kosmos verlangsamt.

Im Jahr 1998 entdeckten Forscher jedoch die abstoßende Seite der Schwerkraft. Durch sorgfältige Beobachtung entfernter Supernovae – Sternexplosionen, die für kurze Zeit so hell leuchten wie 10 Milliarden Sonnen – stellten die Astronomen fest, dass sie schwächer waren als erwartet. Die plausibelste Erklärung für diese Diskrepanz ist, dass das Licht der Supernovae, die vor Milliarden von Jahren explodiert sind, eine größere Entfernung zurückgelegt hat, als Theoretiker vorhergesagt hatten. Und diese Erklärung wiederum führte zu dem Schluss, dass sich die Expansion des Universums tatsächlich beschleunigt und nicht verlangsamt. Dies war eine so radikale Erkenntnis, dass einige Kosmologen annahmen, der Rückgang der Supernova-Helligkeit sei das Ergebnis anderer Effekte, wie z. B. intergalaktischer Staub, der das Licht dämpft. In den letzten Jahren haben die Astronomen jedoch den Beweis für die kosmische Beschleunigung erbracht, indem sie immer weiter entfernte Supernovae untersuchten.

Aber hat sich die kosmische Expansion während der gesamten Lebenszeit des Universums beschleunigt, oder ist sie eine relativ neue Entwicklung, die in den letzten fünf Milliarden Jahren oder so stattgefunden hat? Die Antwort hat tiefgreifende Auswirkungen. Wenn die Wissenschaftler herausfinden, dass sich die Expansion des Universums schon immer beschleunigt hat, müssen sie ihr Verständnis der kosmischen Evolution komplett revidieren. Aber wenn sich die Beschleunigung, wie Kosmologen erwarten, als ein neues Phänomen herausstellt, könnten Forscher in der Lage sein, seine Ursache zu bestimmen – und vielleicht die größere Frage nach dem Schicksal des Universums zu beantworten -, indem sie herausfinden, wann und wie die Expansion begann, schneller zu werden.

Schlacht der Titanen
Vor fast 75 Jahren entdeckte der Astronom Edwin Hubble die Expansion des Universums, indem er beobachtete, dass sich andere Galaxien von der unseren entfernten. Er stellte fest, dass sich die weiter entfernten Galaxien schneller entfernten als die nahen, in Übereinstimmung mit dem, was heute als Hubble-Gesetz bekannt ist (Relativgeschwindigkeit gleich Entfernung multipliziert mit Hubbles Konstante). Im Kontext von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie betrachtet, ergibt sich das Hubble-Gesetz aus der gleichmäßigen Ausdehnung des Raums, die lediglich eine Vergrößerung des Universums darstellt.

In Einsteins Theorie gilt die Vorstellung von der Schwerkraft als anziehender Kraft für alle bekannten Formen von Materie und Energie, auch im kosmischen Maßstab. Daher sagt die allgemeine Relativitätstheorie voraus, dass sich die Expansion des Universums mit einer Geschwindigkeit verlangsamen sollte, die von der Dichte der Materie und Energie in ihm bestimmt wird. Aber die allgemeine Relativitätstheorie lässt auch die Möglichkeit von Energieformen mit seltsamen Eigenschaften zu, die eine abstoßende Schwerkraft erzeugen. Die Entdeckung, dass sich die Expansion eher beschleunigt als verlangsamt, hat offenbar das Vorhandensein einer solchen Energieform offenbart, die als dunkle Energie bezeichnet wird.

Ob sich die Expansion nun verlangsamt oder beschleunigt, hängt von einem Kampf zwischen zwei Titanen ab: der anziehenden Gravitationskraft der Materie und dem abstoßenden Gravitationsschub der dunklen Energie. Was in diesem Wettstreit zählt, ist die Dichte der beiden. Die Dichte der Materie nimmt mit der Ausdehnung des Universums ab, weil das Volumen des Raums zunimmt. (Nur ein kleiner Teil der Materie liegt in Form von leuchtenden Sternen vor; man nimmt an, dass der größte Teil dunkle Materie ist, die nicht in spürbarer Weise mit gewöhnlicher Materie oder Licht wechselwirkt, aber eine anziehende Gravitation besitzt.) Obwohl wenig über die dunkle Energie bekannt ist, wird erwartet, dass sich ihre Dichte bei der Expansion des Universums langsam oder gar nicht ändert. Gegenwärtig ist die Dichte der dunklen Energie höher als die der Materie, aber in der fernen Vergangenheit sollte die Dichte der Materie größer gewesen sein, so dass sich die Expansion damals verlangsamt haben sollte.

Kosmologen haben noch andere Gründe zu erwarten, dass sich die Expansion des Universums nicht immer beschleunigt hat. Wäre das der Fall, könnten sich die Wissenschaftler die Existenz der heute im Universum beobachteten kosmischen Strukturen nicht erklären. Nach der kosmologischen Theorie entwickelten sich Galaxien, Galaxienhaufen und größere Strukturen aus kleinen Inhomogenitäten in der Materiedichte des frühen Universums, die sich in den Temperaturschwankungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) zeigen. Die stärkere anziehende Schwerkraft der überdichten Materieregionen stoppte ihre Expansion und ermöglichte ihnen, gravitativ gebundene Objekte zu bilden – von Galaxien wie unserer eigenen bis hin zu großen Galaxienhaufen. Wäre die Expansion des Universums aber immer beschleunigt gewesen, hätte sie die Strukturen auseinandergerissen, bevor sie sich zusammensetzen konnten. Außerdem würden bei einer beschleunigten Expansion zwei Schlüsselaspekte des frühen Universums – das Muster der CMB-Variationen und die Häufigkeiten der leichten Elemente, die Sekunden nach dem Urknall entstanden sind – nicht mit den aktuellen Beobachtungen übereinstimmen.

Dessen ungeachtet ist es wichtig, nach direkten Beweisen für eine frühere, langsamere Phase der Expansion zu suchen. Solche Beweise würden helfen, das kosmologische Standardmodell zu bestätigen und den Wissenschaftlern einen Hinweis auf die Ursache der gegenwärtigen Periode der kosmischen Beschleunigung geben. Da Teleskope in der Zeit zurückblicken, während sie Licht von weit entfernten Sternen und Galaxien sammeln, können Astronomen die Expansionsgeschichte des Universums erforschen, indem sie sich auf weit entfernte Objekte konzentrieren. Diese Geschichte ist in der Beziehung zwischen den Entfernungen und den Rückzugsgeschwindigkeiten von Galaxien kodiert. Wenn sich die Expansion verlangsamt, wäre die Geschwindigkeit einer entfernten Galaxie relativ größer als die durch das Hubble-Gesetz vorhergesagte Geschwindigkeit. Wenn sich die Expansion beschleunigt, würde die Geschwindigkeit der fernen Galaxie unter den vorhergesagten Wert fallen. Oder anders ausgedrückt: Eine Galaxie mit einer gegebenen Rezessionsgeschwindigkeit ist weiter entfernt als erwartet – und damit schwächer -, wenn sich das Universum beschleunigt.

Supernova-Jagd
Um diese einfache Tatsache zu nutzen, müssen astronomische Objekte gefunden werden, die eine bekannte Eigenleuchtkraft haben – die Menge an Strahlung pro Sekunde, die das Objekt erzeugt – und die im gesamten Universum zu sehen sind. Eine bestimmte Klasse von Supernovae, die als Typ Ia bekannt sind, eignen sich gut für diese Aufgabe. Diese Sternexplosionen sind so hell, dass Bodenteleskope sie auf halbem Weg durch das sichtbare Universum sehen können, und das Hubble-Weltraumteleskop kann sie aus noch größerer Entfernung betrachten. Im letzten Jahrzehnt haben Forscher die Eigenleuchtkraft von Supernovae des Typs Ia sorgfältig kalibriert, so dass die Entfernung zu einer dieser Explosionen aus ihrer scheinbaren Helligkeit bestimmt werden kann.

Astronomen können die Rückzugsgeschwindigkeit einer Supernova ableiten, indem sie die Rotverschiebung des Lichts der Galaxie messen, in der sie sich befindet. Die Strahlung von sich zurückziehenden Objekten wird zu längeren Wellenlängen verschoben; so verdoppelt sich zum Beispiel die Wellenlänge des Lichts, das ausgesendet wurde, als das Universum nur halb so groß war wie heute, und es wird röter. Durch die Messung der Rotverschiebung und der scheinbaren Helligkeit einer großen Anzahl von Supernovae, die sich in verschiedenen Entfernungen befinden, können Forscher eine Aufzeichnung der Expansion des Universums erstellen.

Leider sind Supernovae vom Typ Ia selten und treten in einer Galaxie wie der Milchstraße im Durchschnitt nur einmal alle paar Jahrhunderte auf. Die Technik, die die Supernova-Jäger anwenden, besteht darin, einen Himmelsausschnitt mit Tausenden von Galaxien wiederholt zu beobachten und dann die Bilder zu vergleichen. Ein flüchtiger Lichtpunkt, der in einem Bild erscheint, aber nicht in einem früheren, könnte eine Supernova sein. Die Ergebnisse von 1998, die Hinweise auf eine kosmische Beschleunigung zeigten, basierten auf den Beobachtungen von zwei Teams, die Supernovae untersuchten, die explodierten, als das Universum etwa zwei Drittel seiner heutigen Größe hatte, also vor etwa fünf Milliarden Jahren.

Einige Wissenschaftler fragten sich jedoch, ob die Teams die Daten der Supernovae richtig interpretiert hatten. War es möglich, dass ein anderer Effekt neben der kosmischen Beschleunigung die Supernovae schwächer erscheinen ließ als erwartet? Staub, der den intergalaktischen Raum füllt, könnte die Supernovae ebenfalls schwächer erscheinen lassen. Oder vielleicht wurden antike Supernovae einfach schwächer geboren, weil die chemische Zusammensetzung des Universums anders war als heute, mit einem geringeren Vorkommen der schweren Elemente, die durch Kernreaktionen in Sternen erzeugt werden.

Glücklicherweise ist ein guter Test der konkurrierenden Hypothesen verfügbar. Wenn Supernovae schwächer als erwartet erscheinen, weil es eine astrophysikalische Ursache dafür gibt, wie zum Beispiel eine durchdringende Staubschicht, oder weil vergangene Supernovae schwächer geboren wurden, dann sollten die vermeintlichen Verdunkelungseffekte mit der Rotverschiebung der Objekte zunehmen. Wenn die Verdunkelung jedoch das Ergebnis einer kürzlichen kosmischen Beschleunigung ist, die auf eine frühere Ära der Verlangsamung folgte, würden Supernovae aus der Zeit der Verlangsamung relativ heller erscheinen. Daher könnten Beobachtungen von Supernovae, die explodierten, als das Universum weniger als zwei Drittel seiner heutigen Größe hatte, den Beweis dafür liefern, welche der Hypothesen richtig ist. (Es ist natürlich möglich, dass ein unbekanntes astrophysikalisches Phänomen die Effekte sowohl der Beschleunigung als auch der Verlangsamung genau treffen könnte, aber Wissenschaftler lehnen solche künstlich abgestimmten Erklärungen im Allgemeinen ab)

Es ist jedoch schwierig, solche alten und weit entfernten Supernovae zu finden. Eine Supernova vom Typ Ia, die explodierte, als das Universum noch halb so groß war wie heute, ist etwa ein Zehnmilliardstel so hell wie Sirius, der hellste Stern am Himmel. Bodengebundene Teleskope können die Objekte nicht zuverlässig aufspüren, wohl aber das Hubble-Weltraumteleskop. Im Jahr 2001 gab einer von uns (Riess) bekannt, dass das Weltraumteleskop bei wiederholten Beobachtungen zufällig eine extrem weit entfernte Supernova vom Typ Ia (genannt SN 1997ff) abgebildet hatte. Angesichts der Rotverschiebung des Lichts dieser Sternexplosion – die sich vor etwa 10 Milliarden Jahren ereignete, als das Universum noch ein Drittel seiner heutigen Größe hatte – erschien das Objekt viel heller, als es nach der Hypothese des staubigen Universums der Fall gewesen wäre. Dieses Ergebnis war der erste direkte Beweis für die Verlangsamungsepoche. Wir beide schlugen vor, dass die Beobachtung weiterer hochverschobener Supernovae den endgültigen Beweis liefern und den Übergang von der Verlangsamung zur Beschleunigung genau bestimmen könnte.

Die Advanced Camera for Surveys, ein neues Abbildungsinstrument, das 2002 am Weltraumteleskop installiert wurde, ermöglichte es den Wissenschaftlern, Hubble in eine Supernova-Jagdmaschine zu verwandeln. Riess leitete einen Versuch, die benötigte Stichprobe von sehr weit entfernten Supernovae des Typs Ia zu entdecken, indem er den Great Observatories Origins Deep Survey huckepack nahm. Das Team fand sechs Supernovae, die explodierten, als das Universum weniger als die Hälfte seiner heutigen Größe hatte (vor mehr als sieben Milliarden Jahren); zusammen mit SN 1997ff sind dies die am weitesten entfernten Supernovae vom Typ Ia, die jemals entdeckt wurden. Die Beobachtungen bestätigten die Existenz einer frühen Verlangsamungsperiode und platzierten den Übergangspunkt zwischen Verlangsamung und Beschleunigung bei etwa fünf Milliarden Jahren. Dieser Befund stimmt mit den theoretischen Erwartungen überein und ist daher für die Kosmologen beruhigend. Die kosmische Beschleunigung war eine Überraschung und ein neues Rätsel, das es zu lösen galt, aber sie ist nicht so überraschend, dass wir vieles von dem, was wir über das Universum zu verstehen glaubten, neu überdenken müssten.

Unser kosmisches Schicksal
Die antiken Supernovae lieferten auch neue Hinweise auf die dunkle Energie, die Ursache für die kosmische Beschleunigung. Der führende Kandidat zur Erklärung der Effekte der dunklen Energie ist die Vakuumenergie, die mathematisch äquivalent zur kosmologischen Konstante ist, die Einstein 1917 erfand. Weil Einstein glaubte, ein statisches Universum modellieren zu müssen, führte er seinen „kosmologischen Fudge-Faktor“ ein, um die anziehende Schwerkraft der Materie auszugleichen. In diesem Rezept war die Dichte der Konstante halb so groß wie die der Materie. Aber um die beobachtete Beschleunigung des Universums zu erzeugen, müsste die Dichte der Konstante doppelt so hoch sein wie die der Materie. Woher könnte diese Energiedichte kommen? Die Unschärferelation der Quantenmechanik verlangt, dass das Vakuum mit Teilchen gefüllt ist, die mit geliehener Zeit und Energie leben, die in die Existenz hinein- und wieder herausspringen. Doch wenn Theoretiker versuchen, die mit dem Quantenvakuum verbundene Energiedichte zu berechnen, kommen sie auf Werte, die mindestens 55 Größenordnungen zu groß sind. Wäre die Energiedichte des Vakuums wirklich so hoch, würde alle Materie im Universum sofort auseinanderfliegen und Galaxien hätten sich nie gebildet.

Diese Diskrepanz wurde als die größte Peinlichkeit in der gesamten theoretischen Physik bezeichnet, aber sie könnte tatsächlich das Zeichen einer großen Chance sein. Obwohl es möglich ist, dass neue Versuche, die Energiedichte des Vakuums abzuschätzen, genau die richtige Menge ergeben, um die kosmische Beschleunigung zu erklären, glauben viele Theoretiker, dass eine korrekte Berechnung unter Einbeziehung eines neuen Symmetrieprinzips zu dem Schluss führen wird, dass die mit dem Quantenvakuum verbundene Energie null ist. (Sogar das Quanten-Nichts wiegt nichts!) Wenn das stimmt, muss etwas anderes die Expansion des Universums beschleunigen.

Theoretiker haben eine Vielzahl von Ideen vorgeschlagen, die vom Einfluss zusätzlicher, verborgener Dimensionen bis zur Energie reichen, die mit einem neuen Feld der Natur verbunden ist, manchmal Quintessenz genannt. Im Allgemeinen gehen diese Hypothesen von einer dunklen Energiedichte aus, die nicht konstant ist und normalerweise mit der Ausdehnung des Universums abnimmt. (Es wurde aber auch die Vermutung geäußert, dass die Dichte der dunklen Energie tatsächlich zunimmt, wenn sich das Universum ausdehnt.) Die vielleicht radikalste Idee ist, dass es überhaupt keine dunkle Energie gibt, sondern dass Einsteins Gravitationstheorie modifiziert werden muss.

Da die Art und Weise, wie die Dichte der dunklen Energie variiert, vom theoretischen Modell abhängt, sagt jede Theorie einen anderen Zeitpunkt für den Übergangspunkt voraus, an dem die Expansion des Universums von der Verlangsamung zur Beschleunigung übergeht. Wenn die Dichte der dunklen Energie mit der Expansion des Universums abnimmt, dann tritt der Umschaltpunkt zeitlich früher ein als bei einem Modell, das eine konstante Dichte der dunklen Energie annimmt. Auch theoretische Modelle, in denen die Gravitation modifiziert wird, führen zu einer erkennbaren Signatur im Umschaltzeitpunkt. Die neuesten Supernova-Ergebnisse stimmen mit Theorien überein, die eine konstante dunkle Energiedichte voraussetzen, aber sie stimmen auch mit den meisten Modellen überein, die eine variierende dunkle Energiedichte annehmen. Nur Theorien, die große Schwankungen in der Dichte der Dunklen Energie voraussetzen, wurden ausgeschlossen.

Um die Bandbreite der theoretischen Möglichkeiten einzugrenzen, sammelt das Hubble-Weltraumteleskop weiterhin Supernova-Daten, die die Details der Übergangsphase festhalten könnten. Obwohl das Weltraumteleskop das einzige Mittel bleibt, um die frühe Geschichte der kosmischen Expansion zu erforschen, versuchen mehr als ein halbes Dutzend bodengestützter Programme, die Präzision der Messung der jüngsten kosmischen Beschleunigung so weit zu verbessern, dass die Physik der dunklen Energie enthüllt werden kann. Das ehrgeizigste Projekt ist die Joint Dark Energy Mission (JDEM), die vom U.S. Department of Energy und der NASA vorgeschlagen wurde. JDEM ist ein Zwei-Meter-Weitwinkel-Weltraumteleskop, das Tausende von Supernovae vom Typ Ia entdecken und genau vermessen soll. Supernova-Jäger hoffen, dass JDEM zu Beginn des nächsten Jahrzehnts gestartet wird; bis dahin müssen sie sich auf das Hubble-Teleskop verlassen, um die am weitesten entfernten Sternexplosionen aufzuspüren.

Die Lösung des Geheimnisses der kosmischen Beschleunigung wird das Schicksal unseres Universums offenbaren. Wenn die Dichte der dunklen Energie konstant ist oder mit der Zeit zunimmt, werden in etwa 100 Milliarden Jahren alle bis auf ein paar hundert Galaxien viel zu rotverschoben sein, um gesehen zu werden. Aber wenn die Dichte der dunklen Energie abnimmt und die Materie wieder dominant wird, wird unser kosmischer Horizont wachsen und mehr vom Universum enthüllen. Es sind sogar noch extremere (und tödlichere) Zukünfte möglich. Wenn die Dichte der dunklen Energie eher zunimmt als abnimmt, wird das Universum schließlich eine „Hyperbeschleunigung“ erfahren, die Galaxien, Sonnensysteme, Planeten und Atomkerne in dieser Reihenfolge auseinanderreißen würde. Oder das Universum könnte sogar rekolabieren, wenn die Dichte der dunklen Energie auf einen negativen Wert fällt. Die einzige Möglichkeit, unsere kosmische Zukunft zu prognostizieren, ist, die Natur der dunklen Energie herauszufinden.