Komplexe Strukturen, die wir heute sehen, entstanden aus einem kleineren, heißeren, dichteren, einheitlicheren Zustand in der Vergangenheit. Es muss eine neue Form von Energie geben, die die gegenwärtige Phase der beschleunigten Expansion antreibt, jenseits der bekannten Materie und Strahlung. C. Faucher-Giguère, A. Lidz, and L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)

Materie und Energie sagen der Raumzeit, wie sie sich krümmen soll; die gekrümmte Raumzeit sagt der Materie und Energie, wie sie sich bewegen soll. Das ist die Kardinalregel der Allgemeinen Relativitätstheorie, und sie gilt für alles im Universum, auch für das gesamte Universum selbst. In den späten 1990er Jahren hatten wir genügend Daten von weit entfernten Galaxien im Universum gesammelt, um zu dem Schluss zu kommen, dass sie sich nicht nur von uns wegbewegten, sondern dass sich ihr Rückzug beschleunigte. Das Raumgefüge dehnte sich nicht nur aus, sondern die Ausdehnung beschleunigte sich.

Die Entfernung (x-Achse) steht im Einklang mit einem Universum, das sich in der Vergangenheit schneller ausdehnte, aber auch heute noch expandiert. Dies ist eine moderne Version von Hubbles ursprünglicher Arbeit, die Tausende Male weiter reicht als diese. Beachten Sie die Tatsache, dass die Punkte keine gerade Linie bilden, was auf die Veränderung der Expansionsrate im Laufe der Zeit hinweist. Ned Wright, basierend auf den neuesten Daten von Betoule et al. (2014)

Die einzige Erklärung war, dass es im Universum mehr an Materie und Energie geben musste, als wir bisher angenommen hatten. In einem expandierenden Universum – wie dem, in dem wir leben – wird nicht nur die Krümmung durch Materie und Energie bestimmt, sondern auch, wie sich die Expansionsrate mit der Zeit verändert. Die Bestandteile des Universums, die wir vor 20 Jahren kannten, waren normale Materie, dunkle Materie, Neutrinos und Strahlung. Das Universum kann sich mit diesen Komponenten gut ausdehnen, aber entfernte Galaxien sollten sich nur verlangsamen.

Die Beobachtung der Beschleunigung bedeutete, dass es noch etwas anderes gab, und dass es nicht nur vorhanden war, sondern dominierte.

und der Sonne in unserem Sonnensystem, müssen bei allen Beobachtungen, die ein Raumfahrzeug oder ein anderes Observatorium machen würde, berücksichtigt werden. Die Auswirkungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, selbst die subtilen, können nicht ignoriert werden. NASA/JPL-Caltech, für die Cassini-Mission

Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie krümmt sich das Raumgefüge selbst positiv oder negativ als Reaktion auf die Materie, die sich darin verklumpt und anhäuft. Ein Planet wie die Erde oder ein Stern wie unsere Sonne führt zu einer Verformung des Raumgefüges, während ein dichteres, massereicheres Objekt eine stärkere Krümmung des Raums bewirkt. Wenn es in Ihrem Universum nur ein paar Materieklumpen gibt, reicht diese Beschreibung aus.

Wenn es dagegen viele Massen im Universum gibt, die ungefähr gleichmäßig über das ganze Universum verteilt sind, spürt die gesamte Raumzeit eine globale Gravitationswirkung. Würde sich das Universum nicht ausdehnen, würde die Gravitation dazu führen, dass alles auf einen einzigen Punkt zusammenfällt. Die Tatsache, dass das Universum dies nicht getan hat, lässt uns sofort zu dem Schluss kommen, dass etwas diesen Kollaps verhindert hat. Entweder wirkt etwas der Schwerkraft entgegen oder das Universum dehnt sich aus.

unterstützt das Bild des expandierenden Universums und des Urknalls. Die geringe Anzahl von Eingangsparametern und die große Anzahl von Beobachtungserfolgen und Vorhersagen, die nachträglich verifiziert wurden, gehören zu den Kennzeichen einer erfolgreichen wissenschaftlichen Theorie. Die Friedmann-Gleichung beschreibt dies alles. NASA / GSFC

Hierher stammt die Idee des Urknalls. Wenn wir überall, in allen Richtungen und in nahen, mittleren und fernen Entfernungen Materie in etwa gleichen Mengen sehen, dann wissen wir, dass eine unglaublich große Gravitationskraft versuchen muss, sie alle wieder zusammenzuziehen. Da das Universum noch nicht kollabiert ist (und auch nicht dabei ist, zu kollabieren), gibt es nur zwei Möglichkeiten: Die Gravitation ist falsch, oder das Universum dehnt sich aus.

Angesichts der Tatsache, dass die Allgemeine Relativitätstheorie jeden Test, den wir mit ihr gemacht haben, bestanden hat, ist es schwierig zu behaupten, dass sie falsch ist. Vor allem, weil bei einem Universum voller Materie und Strahlung alles, was man braucht, eine anfängliche Expansion ist, um ein Universum zu haben, das heute:

• expandiert,
• abkühlt,
• weniger dicht wird,
• voll mit rotverschobenem Licht,
• und eine heiße, dichte Vergangenheit hatte.

Ein Universum, das heiß und dicht war und sich ausdehnte, aber mit Materie und Energie gefüllt war, würde sehr ähnlich aussehen wie unser Universum heute.

Abbildungen) entsprechen alle einem Universum, in dem die Materie und Energie gegen die anfängliche Expansionsrate ankämpft. In unserem beobachteten Universum wird die kosmische Beschleunigung durch eine Art dunkler Energie verursacht, die bisher nicht erklärt wurde. Alle diese Universen werden durch die Friedmann-Gleichungen bestimmt. E. Siegel / Jenseits der Galaxie

Die Expansion beginnt schnell, und die Gravitation zieht die Dinge wieder zusammen. Es gibt drei Möglichkeiten, wie sich das Universum im Laufe der Zeit entwickeln wird:

1. Die Gravitation gewinnt: Das Universum dehnt sich anfangs schnell aus, aber es gibt genug Schwerkraft, um die Dinge schließlich wieder zusammenzuziehen. Die Expansion erreicht ein Maximum, stoppt und kehrt um, um zu einem erneuten Zusammenbruch zu führen.
2. Gravitation und Expansion sind gleich stark: Die anfängliche Expansion und die Gravitation wirken einander genau entgegen. Mit einem Proton mehr im Universum würde es rekolabieren, aber dieses Proton ist nicht da. Stattdessen geht die Expansionsrate gegen Null, und die fernen Galaxien entfernen sich immer langsamer.
3. Die Expansion gewinnt: Der schnellen Expansion wirkt die Schwerkraft entgegen, aber nicht ausreichend. Im Laufe der Zeit entfernen sich die Galaxien immer weiter voneinander, und obwohl die Schwerkraft die Ausdehnung verlangsamt, hört sie nie auf.

Aber was wir tatsächlich beobachten, ist eine vierte. Wir sehen, dass das Universum in den ersten paar Milliarden Jahren auf diesem „kritischen“ Weg zu sein schien, und dann begannen die entfernten Galaxien plötzlich, sich schneller voneinander zu entfernen. Theoretisch gibt es einen zwingenden Grund, warum das so sein könnte.

Die Hyperwand der Society im Jahr 2017, zusammen mit der ersten Friedmann-Gleichung rechts. Perimeter Institute / Harley Thronson

Es gibt eine sehr einfache (nun ja, für die Relativitätstheorie) Gleichung, die bestimmt, wie sich das Universum ausdehnt: die erste Friedmann-Gleichung. Obwohl sie kompliziert aussehen mag, haben die Begriffe in der Gleichung reale Bedeutungen, die leicht zu verstehen sind.

heute geschrieben (in moderner Notation), wobei die linke Seite die Hubble-Expansionsrate und die Entwicklung der Raumzeit angibt und die rechte Seite alle verschiedenen Formen von Materie und Energie sowie die Raumkrümmung enthält. LaTeX / public domain

Auf der linken Seite befindet sich das Äquivalent der Expansionsrate (zum Quadrat) oder das, was umgangssprachlich als Hubble-Konstante bezeichnet wird. (Sie ist keine echte Konstante, da sie sich ändern kann, wenn sich das Universum im Laufe der Zeit ausdehnt oder zusammenzieht.) Sie gibt an, wie sich die Struktur des Universums in Abhängigkeit von der Zeit ausdehnt oder zusammenzieht.

Auf der rechten Seite befindet sich buchstäblich alles andere. Da ist die ganze Materie, die Strahlung und alle anderen Formen von Energie, aus denen das Universum besteht. Da ist die Krümmung, die dem Raum selbst innewohnt, je nachdem, ob das Universum geschlossen (positiv gekrümmt), offen (negativ gekrümmt) oder flach (nicht gekrümmt) ist. Und dann gibt es noch den Begriff „Λ“: eine kosmologische Konstante, die entweder eine Form von Energie oder eine dem Raum innewohnende Eigenschaft sein kann.

Die kosmologische Konstante (unten) entwickelt sich in einem expandierenden Universum mit der Zeit E. Siegel / Beyond The Galaxy

Diese beiden Seiten müssen gleich sein. Wir dachten, die Ausdehnung des Universums würde sich verlangsamen, weil die Energiedichte (auf der rechten Seite) mit der Ausdehnung des Universums abnimmt und daher die Expansionsrate des Raums sinken muss. Aber wenn es eine kosmologische Konstante oder eine andere Form von dunkler Energie gibt, muss die Energiedichte gar nicht abnehmen. Sie kann konstant bleiben oder sogar zunehmen, und das bedeutet, dass die Expansionsrate konstant bleibt oder ebenfalls zunimmt.

So oder so würde dies bedeuten, dass eine weit entfernte Galaxie schneller zu werden scheint, wenn sie sich von uns entfernt. Die dunkle Energie beschleunigt das Universum nicht aufgrund eines nach außen drängenden Drucks oder einer Antigravitationskraft; sie beschleunigt das Universum aufgrund der Art und Weise, wie sich seine Energiedichte ändert (oder, genauer gesagt, nicht ändert), während sich das Universum weiter ausdehnt.

Unser tatsächliches, beschleunigendes Schicksal, rechts dargestellt. Nachdem genügend Zeit verstrichen ist, wird die Beschleunigung jede gebundene galaktische oder supergalaktische Struktur im Universum völlig isoliert zurücklassen, während alle anderen Strukturen unwiderruflich wegbeschleunigt werden. NASA & ESA

Wenn sich das Universum ausdehnt, wird mehr Raum geschaffen. Da die dunkle Energie eine Form von Energie ist, die dem Raum innewohnt, nimmt die Energiedichte nicht ab, wenn wir mehr Raum schaffen. Dies ist ein grundlegender Unterschied zu normaler Materie, dunkler Materie, Neutrinos, Strahlung und allem anderen, was wir kennen. Und deshalb beeinflusst es die Expansionsrate auf andere Weise als all diese anderen Arten von Materie und Energie.

entwickelt/dehnt sich in gleichen Zeitschritten, wenn Ihr Universum von Materie, Strahlung oder der dem Raum selbst innewohnenden Energie dominiert wird, wobei letzteres unserem von dunkler Energie dominierten Universum entspricht. E. Siegel

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine neue Energieform die Expansionsrate des Universums auf eine neue Weise beeinflussen kann. Es hängt alles davon ab, wie sich die Energiedichte im Laufe der Zeit verändert. Während Materie und Strahlung mit der Ausdehnung des Universums an Dichte verlieren, ist der Raum immer noch Raum und hat überall die gleiche Energiedichte. Das Einzige, was sich geändert hat, ist unsere automatische Annahme, die wir gemacht haben: dass die Energie gleich Null sein sollte. Nun, das sich beschleunigende Universum zeigt uns, dass sie nicht gleich Null ist. Die große Herausforderung für die Astrophysiker besteht nun darin, herauszufinden, warum sie diesen Wert hat. In dieser Hinsicht ist die dunkle Energie immer noch das größte Rätsel des Universums.

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