Standardmodell der Kosmologie

Die Entstehungsgeschichte des Universums

Vor rund 14.10⁹ Jahren nahm das Universum mit dem Big Bang, dem Urknall seinen Anfang.

Theory of Everything

In den ersten 10^-43 s (Planckzeit) besteht das Universum aus Strings, alle 4 Wechselwirkungen sind noch in einer fundamentalen Urkraft vereint. Eine Theorie, die diesen Zeitraum beschreibt, eine sogenannte Theory of Everything - ToE - ist eine Quantengravitationstheorie. Die Stringtheorie ist eine solche Theorie.

Grand Unified Theory

Unmittelbar nach der Planckzeit spaltet sich als erstes die Gravitation ab, sodass nach der Grand Unified Theory - GUT - die starke, schwache und elektromagnetische Kraft noch immer in einer einzigen fundamentalen GUT-Kraft vereint sind. Zu diesem Zeitpunkt hatten noch alle Teilchen die Ruhemasse Null, waren nicht unterscheidbar und das Universum war symmetrisch.

Das Higgs-Feld kondensiert, die starke Wechselwirkung spaltet sich von der GUT Kraft ab

10^-36 s nach dem Urknall war das Universum 10²⁸ K heiß, was einem Energieäquivalent von 10¹⁶ GeV entspricht. (Zum Vergleich, der LHC vom Cern erreicht gerade mal 1,3.10⁴ GeV). Es kam zur Aufspaltung der GUT Kraft in die starke Wechselwirkung und in die elektroschwache Wechselwirkung.

Nun war der Zeitpunkt gekommen, an dem der Higgs Mechanismus einsetzte. Durch die Abkühlung des Universums kondensiert das Higgs Feld, die Symmetrie wird gebrochen, die schwach wechselwirkenden Teilchen erhalten ihre Masse und werden langsamer als die Lichtgeschwindigkeit.

Nun ist es aber so, dass das Vakuum einen höheren Energiewert hat, wenn das Higgsfeld Null ist und das Vakuum den niedrigsten Energiewert (Vakuumerwartungswert) hat, wenn das Higgsfeld einen von Null verschiedenen Wert einnimmt. Stichwort: Sombrerokurve. Ein Zustand an dem das Higgsfeld Null ist stellt also einen instabilen Zustand dar, weil es andere, niederenergetischere Zustände gibt.

Theorie des inflationären strahlungsdominierten Universums

Die Theorie des inflationären Universums geht davon aus, dass das Higgsfeld während des kondensierens am - an sich instabilen - Punkt „hängengeblieben“ ist, an dem das Higgsfeld zwar Null und die Energie nicht das Minimum ist. Nachdem sich das Universum weiterhin ausdehnt, entsteht ein „unterkühltes“ Higgsfeld mit einer für die Temperatur des Universums zu hohen Energie.

Während des Zeitraums von 10^-36 s bis 10^-34 s nach dem Urknall erfolgt die Symmetriebrechung der elektroschwachen Wechselwirkung, aber die Masse die entsteht ist zunächst auf Grund der Unterkühlung des Higgsfeldes negativ und hat daher keine anziehende sondern eine abstoßend wirkende Gravitationskraft die bewirkt, dass sich das Universum exponentiell um das ca. 10²⁶ -fache ausdehnt (Inflationäres Universum, kosmische Inflation).

10^-34 s nach dem Urknall nimmt das Higgs Feld letztlich jenen von Null verschiedenen Wert an, bei dem Vakuumerwartungswert ein Minimum ist und es entstehen die Quarks, die Leptonen und die Bosonen, die die gewöhnliche Materie ausmachen. Man spricht vom Quark-Gluonen Plasma, einem Aggregatzustand bei dem das Confinement, welches Quarks und Gluonen aneinander bindet, auf Grund der hohen Temperatur noch nicht wirkt und es daher freue Quarks gibt.

Das strahlungsdominierte Universum dehnt sich nach der Phase der Inflation gemäß den Friedmann Gleichungen aus. Das Universum besteht aus Photonenstrahlung und aus freien relativistischen (v= fast Lichtgeschwindigkeit) Elementarteilchen.

Elektroschwache Kraft zerfällt in schwache Kernkraft und elektromagnetische Kraft

10^-11 s nach dem Urknall, bei einer Temperatur von 10¹⁵ K zerfiel auch noch die elektroschwache Kraft in die schwache Kernkraft und in die elektromagnetische Kraft, womit alle 4 heutigen Wechselwirkungen individuell ausgeprägt vorliegen.

Nukleosynthese

10^-6 s nach dem Urknall, bei einer Temperatur von 10¹² K bilden sich aus dem Quark-Gluonen Plasma zufolge der Abkühlung zunächst gleich viele Protonen und Neutronen, später überwiegen jedoch die Protonen. 

1 s nach dem Urknall, bei einer Temperatur von 10¹⁰ K kommen etwa 6 Protonen auf ein Neutron und es entsteht zunächst instabiles Deuterium

10 s nach dem Urknall, bei einer Temperatur von 3.10⁹ K liegen etwa 75% Wasserstoff, 25% Helium und Spuren von Deuterium und Lithium vor, wobei  auf jedes Kernteilchen 10¹⁰ Photonen kommen.

Das materiedominierte Universum

10.000 Jahre nach dem Urknall liegt dann ein materiedominiertes Universum vor, in dem die nicht-relativistische Masse dominiert und es bilden sich erste positiv geladene Nukleonen. Deuteron (das einfachste gebundene Nukleonensystem, also der Atomkern vom Deuterium, dem schweren Wasserstoff) entsteht.

Ungefähr 380.000 Jahre nach dem Urknall ist das Universum auf unter 3.000° K abgekühlt und die Epoche der Rekombination (Vereinigung positiver und negativer Ladungsträger = 1. Phasenübergang) beginnt. Teilchen kollidieren und geben dabei kinetische Energie ab und die Gravitation gewinnt die Oberhand. Es bilden sich elektrisch neutrale Wasserstoffatome und Heliumatome. Zu diesem Zeitpunkt gab es im Universum noch nicht einmal Objekte von der Größe eines Staubkorns. Das Universum ist für Photonen teilweise undurchlässig und dunkel.

Nach 10⁸ Jahren beginnen die verdichteten Nebel zu kollabieren und zu rotieren.

Nach 10⁹ Jahren haben sich erste Zwerggalaxien, zunächst aber noch ohne Sterne gebildet, die erst nach weiterer Abkühlung des Universums an den dichtesten Stellen entstehen.

Nach 150 Millionen bis 1 Milliarde Jahren nach den Urknall kommt es zum 2. Phasenübergang der Epoche der Reionisierung, da sich zuvor bereits massereiche Sterne mit hoher Oberflächentemperatur gebildet haben, deren Ultraviolettstrahlung energiereich genug war um den Wasserstoff wieder zurück in ein ionisiertes Plasma zu verwandeln. Aus dem dunklen Universum wird ein lichtdurchlässiges Universum, denn freie Elektronen können keine Energie von Photonen aufnehmen sonder sie allenfalls (selten) streuen.

Bildung von Akkretionsscheiben führt zum Entstehen von Sonnen

Nach 10¹⁰ Jahren bildet sich eine Akkretionsscheibe.  Das ist eine rotierende Scheibe aus Staub und Gas, die spiralförmig auf ihren Schwerpunkt zustrebt und sich dort verdichtet. Während dieser Kollapsphase von ca. 10.000 Jahren entsteht ein zentraler Protostern, der auf Grund des ihn umgebenden Gases nicht sichtbar ist. Diese Protosonne ist noch millionenfach voluminöser als es die daraus entstehende Sonne letztlich sein wird.

Die Protosonne schrumpft unter der Schwerkraft und vereint 99% der Masse der Akkretionsscheibe in Form eines Plasmas. Nach einer weiteren Million Jahren entstehen erste Jets, Ausflüsse und Infrarotstrahlung tritt auf Grund der steigenden Temperatur aus. Dort wo die Jets mit intersellarer Materie kollidieren entstehen Leuchterscheinungen die Herbig-Haro-Objekte genannt werden.

Bild

© ESA/Webb, NASA & CSA, Tazaki et al.

Bildbeschreibung: Ein Nahaufnahmebild der protoplanetaren Scheibe HH 30. Teile des Bildes sind mit „Jet“ (über und unter der Scheibe), „Konischer Ausfluss“, „Mögliche Spirale“, „Dunkle Gasse“, „Scheibe“ und „Schwanz“ beschriftet. Eine Skalenmarkierung unten links ist mit „300 AE“ beschriftet; sie ist etwas breiter als die Scheibe selbst, aber weniger breit als die konischen Ausflüsse über und unter der Scheibe.

Sobald die Temperatur im Plasma über 3 Millionen Grad erreicht, fusioniert statistisch ein bestimmtes Proton ¹H im Schnitt nach 14.10⁹ Jahren (zum Glück so selten = Lebensdauer der Sonne!) mit einem zweiten Proton ¹H, zu einem Deuteriumkern ²H (1 Proton, 1 Neutron; „schwerer Wasserstoff“), wobei zusätzlich ein Positron, ein Elektronneutrino und Energie frei werden. Der junge Stern zündet die Kernfusion von Wasserstoff und wird zu einem Hauptreihenstern. Das System gilt nach etwa 10 Millionen Jahren nicht mehr als „protostellar“.

Der Stern beginnt, durch seine Strahlung die aus der Akkretionsscheibe verbliebene Materie fortzublasen. Daraus wiederrum entstehen protoplanetare Scheiben, als dichte Strukturen aus denen sich Planeten, Monde und Asteroide bilden.

1,4.10¹⁰ Jahre = heute : Das Universum ist auf 2,7 K abgekühlt. Die Hitze der Kernfusion baut einen von innen nach außen gerichteten Gasdruck auf. Durch die Rotation der Sterne entsteht zudem eine von innen nach außen gerichtete Zentrifugalkraft. Die thermonukleare Fusion setzt eine 3. nach außen gerichtete Strahlung in Form von Photonen frei, die beim Auftreffen auf andere Objekte einen Strahlungsdruck erzeugen. Diese 3 Drücke wirken der nach innen gerichteten Gravitation entgegen, sodass sich ein sogenanntes hydrostatisches Gleichgewicht einstellt, welches verhindert, dass die Sonne unter ihrer eigenen Gravitation kollabiert und stabil ist.

Stabile Sonnen und Planeten entstehen

In der Folge entstehen auch noch die Planeten aus den Überresten der Akkretionsscheibe und Sonnensysteme wie das von unserer Sonne. 

Unsere Sonne ist vor ca. 4,5 Milliarden Jahren entstanden und wird noch ca. 6 Milliarden Jahre weiter Wasserstoff zu Helium brennen. In 1 Milliarde Jahren wird die Sonne um 10% heller sein und die Erde so erhitzen, dass alle Kontinente nur mehr von Wüsten bedeckt sein werden. In 3,5 Milliarden Jahren wird die Sonne um 40% heller sein und das Wasser der Meere verdampft haben. In 7,5 Milliarden Jahren wird sich die Sonne zu einem Roten Riesen aufblähen und sich, abhängig davon wie viel und wie schnell die Sonne Masse ins Universum abgibt, sogar bis zur Erdumlaufbahn ausdehnen. In 7,7 Milliarden Jahren wird im Kern der Sonne das Heliumbrennen einsetzen und die Sonne wird sich letztlich in einen Weißen Zwerg bestehend aus Sauerstoff, Helium und Kohlenstoff verwandeln. Einige weitere Milliarden Jahre später wird dieser Weiße Zwerg dann kalt und dunkel sein.

Das Kosmologische Prinzip oder Super-Strukturen im Universum

Lange Zeit ging man davon aus, dass das kosmologische Prinzip zutrifft, welches besagt, dass die Materie im Universum annähernd gleichmäßig verteilt ist. Doch es gibt Hinweise, dass das Universum auch anders strukturiert sein könnte:

Unser Sonnensystem, bestehend aus der Sonne und den acht Planeten Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun, hat einen Durchmesser von etwa 18 Milliarden Kilometern. Dieses Sonnensystem ist Teil der Milchstraße, einer Galaxie mit einer geschätzten Masse von etwa 950 Milliarden Sonnenmassen. Davon entfallen etwa 15 % auf die 300 Milliarden Sterne der Galaxie und 85 % auf die unsichtbare Dunkle Materie.

Die Milchstraße selbst gehört zu einer Ansammlung von Galaxien, der sogenannten Lokalen Gruppe, die sich über etwa 10 Millionen Lichtjahre erstreckt. Diese Gruppe ist Teil des größeren Virgo-Galaxienhaufens, der wiederum zum noch umfangreicheren Laniakea-Supercluster gehört. Dieser Supercluster könnte Teil einer noch größeren Struktur sein, die als Basin of Attraction (BoA) bezeichnet wird. In diesem Fall würde der Laniakea-Supercluster zur Shapley-BoA gehören, die eine beeindruckende Ausdehnung von etwa 3,3 Milliarden Lichtjahren hat.

Eine mögliche Erklärung für diese riesigen kosmischen Strukturen könnten Fluktuationen während der kosmischen Inflation sein. Diese Phase fand in einem winzigen Zeitfenster, zwischen 10⁻³⁶ Sekunden und 10⁻³⁴ Sekunden nach dem Urknall, statt und beeinflusste möglicherweise die großräumige Verteilung der Materie im Universum.

Ein Blick in die Zukunft unserer Milchstraße

Unsere Milchstraße ist etwa 13,6 Milliarden Jahre alt, das Universum selbst ist mit 13,8 Milliarden nur geringfügig älter. In etwa 4,5 Milliarden Jahren könnte unsere Galaxie mit der Andromedagalaxie (auch M31 genannt) kollidieren.
Diese gewaltige Spiralgalaxie ist derzeit rund 2,5 Millionen Lichtjahre entfernt und bewegt sich mit etwa 100 km/s auf uns zu. Eine Kollision ist laut aktuellen Beobachtungen durchaus wahrscheinlich. Sie würde jedoch nicht in Form eines direkten Zusammenpralls wie zwischen festen Körpern geschehen, sondern in einer allmählichen Verschmelzung beider Galaxien, die schließlich eine neue, größere Galaxie bilden könnte – möglicherweise eine sogenannte elliptische Riesengalaxie.

Die Große und Kleine Magellansche Wolke sind Zwerggalaxien, die sich in der näheren Umgebung der Milchstraße befinden – in etwa 160.000 bzw. 200.000 Lichtjahren Entfernung.
Beide sind gravitativ an unsere Galaxie gebunden und bewegen sich auf spiralähnlichen Bahnen um sie. Dabei verlieren sie fortlaufend Gas und Sterne, die einen sogenannten Magellanschen Strom bilden – ein gigantischer Strom aus Wasserstoffgas, der sich über Hunderttausende Lichtjahre erstreckt und die Zwerggalaxien mit der Milchstraße verbindet.

Langfristig – also im Verlauf mehrerer Milliarden Jahre – könnte insbesondere die Große Magellansche Wolke mit der Milchstraße verschmelzen, was zu weiteren gravitativen Wechselwirkungen und Sternentstehungsprozessen führen würde.

Während die Andromedagalaxie und die Magellanschen Wolken auf uns zu kommen, entfernen sich alle anderen Galaxien im beobachtbaren Universum zunehmend von der Milchstraße. Dies ist eine Folge der kosmischen Expansion, also der Ausdehnung des Universums selbst – ein Effekt, der durch die sogenannte dunkle Energie beschleunigt wird.

End of Everything

Das Universum dehnt sich etwa zufolge der hypothetischen negativen Gravitation der Dunklen Energie immer weiter aus. Materie und Energie verdünnen sich und wandeln sich zufolge dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zunehmend in Wärme um, wodurch die Entropie (das ist ein Maß für die Menge der atomaren Unruhe) zunimmt, ein Vorgang der irreversibel ist.

Zusammensetzung des Universums gemäß dem Standardmodell der Kosmologie

Gemäß dem Standardmodell der Kosmologie setzt sich das Universum aus 4 Komponenten zusammen. Lediglich über 4% der gewöhnlichen Materie haben wir physikalische Theorien, die auch einer experimentellen Überprüfung standgehalten haben.

• ca. 73% Dunkler Energie
• ca. 23% Dunkler Materie
• ca. 4% Gewöhnliche Materie
• ca. 0,3% Neutrinos

Gewöhnliche Materie im Standardmodell der Kosmologie

Gewöhnliche Materie besteht aus vier stabilen Leptonen bzw. Quarks des Standardmodells und bildet die Bausteine aller sichtbaren Strukturen im Universum, deren Verhalten durch klassische Mechanik, Relativitätstheorie und Quantenphysik beschrieben wird.

Die Bausteine der gewöhnlichen Materie

Unter gewöhnlicher Materie versteht man jene etwa vier Prozent des Energie- und Materieinhalts des Universums, die aus den bekannten Teilchen des Standardmodells bestehen und die wir direkt beobachten können.

Diese Materie setzt sich aus zwei Teilchenfamilien zusammen: den sechs Leptonen sowie den sechs Quarks.

Zu den Leptonen gehören das Elektron und sein Neutrino, das Myon und sein Neutrino sowie das Tau-Lepton mit seinem Neutrino.

Die sechs Quarks tragen die Bezeichnungen Up und Down, Charm und Strange sowie Top und Bottom. Aus ihnen entstehen die Protonen und Neutronen, die wiederum die Atomkerne bilden.

Von diesen zwölf Materieteilchen sind jedoch nur vier stabil: die beiden leichtesten Quarks Up und Down sowie das Elektron und das Elektron-Neutrino. Tatsächlich tragen nur drei davon – Up, Down und Elektron – zum Aufbau aller chemischen Elemente bei, aus denen die uns vertraute Welt besteht. Die übrigen Teilchen, ausgenommen die Neutrinos, zerfallen sehr schnell und kommen unter normalen Bedingungen nicht dauerhaft vor.

Grundlagen unseres Wissens über Materie

Das Verständnis der gewöhnlichen Materie gründet sich auf mehrere große Säulen der Physik. Die klassische Mechanik von Galilei und Newton beschreibt die Bewegung von Körpern, während die Elektrodynamik Maxwells die Wechselwirkung elektrischer und magnetischer Felder erklärt. Die Thermodynamik, entwickelt unter anderem von Carnot, untersucht Wärmeprozesse und Energieumwandlungen. Die Allgemeine Relativitätstheorie Einsteins liefert das moderne Verständnis der Gravitation und Raumzeit, während die Quantenphysik – geprägt von Planck, Heisenberg, Schrödinger, Feynman und Higgs – die Eigenschaften von Teilchen und Feldern auf kleinsten Skalen beschreibt. Zusammengenommen bilden diese Theorien die Grundlage für unser heutiges Wissen über die Struktur und das Verhalten gewöhnlicher Materie.

Gravitation und kosmische Strukturen aus gewöhnlicher Materie

Alle Objekte aus gewöhnlicher Materie üben aufgrund ihrer Masse eine Anziehungskraft aufeinander aus. Ein eindrucksvolles Beispiel dafür ist das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße, Sagittarius A*. Es besitzt etwa die viermillionfache Masse unserer Sonne, ist aber nur ungefähr siebzehnmal so groß wie sie. Dieses Schwarze Loch bindet zahlreiche Sterne an sich, die es aufgrund seiner enormen Gravitationskraft in engen Umlaufbahnen umkreisen. Die Bewegung dieser Sterne liefert zugleich einen direkten Nachweis für die Existenz und Masse des Schwarzen Lochs.

Dunkle Materie im Standardmodell der Kosmologie

Dunkle Materie ist eine unsichtbare, nicht aus Standardmodell-Teilchen bestehende Materieform, deren Gravitation die Strukturbildung des Universums ermöglicht und sich durch keine Ansammlung gewöhnlicher Objekte wie Sterne oder Schwarze Löcher erklären lässt. Man versucht sie durch neue, bislang unentdeckte Teilchen wie Axionen oder WIMPs zu erklären.

Dunkle Materie im Standardmodell der Kosmologie

Dunkle Materie ist eine unsichtbare, nicht aus den bekannten Teilchen des Standardmodells der Teilchenphysik bestehende Materieform. Ihre Gravitation spielt eine entscheidende Rolle für die großräumige Strukturbildung im Universum und kann nicht durch Ansammlungen gewöhnlicher Objekte wie Sterne oder Schwarze Löcher erklärt werden.

Die beobachtbare Materie – einschließlich aller Sterne, Gaswolken, Planeten und Schwarzer Löcher – reicht nicht aus, um die Dynamik des Universums zu beschreiben. Sowohl die hohen Umlaufgeschwindigkeiten der Sterne in Galaxien, als auch die Stärke des Gravitationslinseneffekts, lassen sich nicht allein durch die Schwerkraft sichtbarer Materie erklären. Diese Diskrepanz führt dazu, dass eine zusätzliche, gravitativ wirksame, aber unsichtbare Materiekomponente postuliert werden muss: die dunkle Materie.

Rolle der Dunklen Materie in der Strukturbildung

Dunkle Materie bildet das unsichtbare Grundgerüst, an dem sich gewöhnliche Materie anlagert. Sie ermöglicht die Entstehung von Strukturen unterschiedlichster Größenordnungen – von Galaxien und Galaxienhaufen bis hin zu Superhaufen und den größten bekannten Formationen wie den mehrere Milliarden Lichtjahre großen Quasargruppen, zwischen denen sich weiträumige kosmische Leerräume erstrecken. Solche filamentartigen Strukturen können nur entstehen, wenn bereits im frühen Universum dichte Konzentrationen von Dunkler Materie existierten, die durch ihre Gravitation baryonische, also gewöhnliche Materie anzogen.

Was Dunkle Materie nicht ist

Obwohl dunkle Materie Masse besitzt, setzt sie sich nicht aus den bekannten Bausteinen der gewöhnlichen Materie zusammen. Sie besteht weder aus Protonen, Neutronen oder Elektronen noch aus astrophysikalischen Objekten wie ausgebrannten Sternen oder Schwarzen Löchern. Solche Objekte tragen zwar zur Gesamtmasse des Universums bei, können jedoch weder die beobachteten Rotationskurven noch die kosmische Strukturbildung erklären.

Axionen und WIMPs: Kandidaten für Dunkle Materie

Zu den am intensivsten untersuchten hypothetischen Teilchen gehören extrem leichte Axionen sowie die sogenannten Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs). Ihre Masse und Eigenschaften würden nicht durch den bekannten Higgs-Mechanismus entstehen, sondern durch neue physikalische Prozesse jenseits des Standardmodells.

Axionen sind äußerst leichte, elektrisch neutrale Teilchen, die nur minimal mit gewöhnlicher Materie wechselwirken. Sie wurden ursprünglich zur Lösung eines theoretischen Problems der starken Wechselwirkung vorgeschlagen, eignen sich aber aufgrund ihrer Stabilität, ihrer erwarteten Häufigkeit und ihrer extrem schwachen Kopplungen sehr gut als Kandidaten für dunkle Materie.

WIMPs hingegen wären ungewöhnlich schwere Teilchen, deren Masse bei einigen hundert Protonenmassen liegen könnte. Zwei WIMPs könnten sich bei einer Kollision gegenseitig vernichten und dabei unter anderem hochenergetische Gammastrahlen erzeugen. Diese Gammastrahen werden im Bereich von 20 GeV vermutet. Das wäre eine extrem hohe Energie, etwa 10.000-mal höher als bei Röntgenstrahlung oder Gammastrahlung aus radioaktiven Zerfällen. Nach solchen charakteristischen Signalen sucht man beispielsweise mit dem Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop, insbesondere in Regionen mit vermuteter hoher Dichte dunkler Materie wie dem Zentrum der Milchstraße.

Einordnung im Teilchenspektrum

Würde dunkle Materie tatsächlich aus solchen neuen massereichen oder extrem leichten Teilchen bestehen, würde sie neben den sechs Leptonen und sechs Quarks des Standardmodells eine dritte grundlegende Klasse von Materieteilchen bilden. Ihre Existenz ist bislang ausschließlich indirekt über ihre gravitative Wirkung oder über charakteristische Gammastrahlung  im Falle von WIMPs nachweisbar. 

Dunkle Energie im Standardmodell der Kosmologie

Dunkle Energie ist eine gleichmäßig verteilte, strukturlos erscheinende Energieform des leeren Raums, deren effektiv abstoßende Gravitationswirkung die beschleunigte Expansion des Universums verursacht und die sich als kosmologische Konstante oder als dynamisches skalares Feld deuten lässt.

Beobachtete beschleunigte Expansion des Universums

Beobachtungen weit entfernter Galaxien zeigen anhand ihrer Rotverschiebung, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt, sondern dies mit zunehmender Geschwindigkeit tut. Entgegen der ursprünglichen Erwartung, dass die Gravitation diese Expansion im Laufe der Zeit verlangsamen müsste, beschleunigt sie sich sogar. Es scheint also eine Art „Anti-Gravitation“ zu geben, die den Raum immer schneller auseinandertreibt.

Eigenschaften und Wirkung dunkler Energie

Dunkle Energie ist der Sammelbegriff für das bislang unbekannte physikalische Prinzip, das diese beschleunigte Expansion verursacht. Sie wird als ein im gesamten Universum verteiltes Energiefeld verstanden, das aufgrund einer effektiv negativ wirkenden Gravitationskraft den Raum beschleunigt auseinanderzieht. Anders als dunkle Materie bildet dunkle Energie keinerlei Strukturen, sondern ist nach heutigem Verständnis vollkommen gleichmäßig im Kosmos verteilt und bleibt zeitlich nahezu konstant. Da sie nicht aus Teilchen besteht, kann sie sich auch nicht zu Galaxien oder anderen Objekten zusammenballen.

Quintessenz: Dunkle Energie als skalares Feld

Eine mögliche theoretische Erklärung ist die sogenannte „Quintessenz“. Dabei handelt es sich um ein hypothetisches skalares Feld, das dem Higgs-Feld ähnelt, jedoch dynamisch und zeitlich veränderlich wäre. Ein solches Feld könnte in der sehr frühen Phase des Universums zur inflationären Ausdehnung beigetragen haben und wäre heute stark verdünnt. Anders als beim Higgs-Feld stünde bei der Quintessenz die Entwicklung der Expansion im Vordergrund.

Kosmologische Konstante und historische Einordnung

Das wichtigste Indiz für die Existenz dunkler Energie bleibt die beobachtete beschleunigte Expansion. Interessanterweise hatte bereits Albert Einstein im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie von 1915 eine zusätzliche Größe eingeführt, die genau diesen Effekt beschreiben kann: den sogenannten Lambda-Term oder die kosmologische Konstante. Diese Größe beschreibt eine konstante Energiedichte des leeren Raums. Ein negativer Lambda-Term würde die Gravitation verstärken, ein positiver hingegen – genau wie die dunkle Energie – eine abstoßende Wirkung besitzen und so die kosmische Expansion beschleunigen.

Neutrinos im Standardmodell der Kosmologie

Neutrinos sind extrem leichte, elektrisch neutrale Teilchen, die kaum mit Materie wechselwirken, in riesigen Mengen im Universum vorkommen. Ihre experimentell bestätigte Masse hat das Standardmodell der Kosmologie tiefgreifend erweitert.

Neutrinos

Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen, die nur äußerst schwach mit anderer Materie wechselwirken und eine sehr kleine, aber eindeutig von null verschiedene Ruhemasse besitzen. Aufgrund dieser extrem geringen Masse und ihrer schwachen Wechselwirkung durchdringen sie nahezu ungehindert ganze Planeten oder sogar Sterne, ohne dabei messbar beeinflusst zu werden.

Historische Entdeckung und experimentelle Bestätigung

Die Existenz von Neutrinos wurde 1930 von Wolfgang Pauli vorgeschlagen, um die Energie- und Drehimpulserhaltung beim Beta-Zerfall zu retten. Anfangs galten sie als rein theoretische Notlösung und wurden zudem für masselos gehalten. Erst 1967 gelang im berühmten Davis-Experiment der erste direkte Nachweis von Elektron-Neutrinos aus der Sonne, wofür später der Nobelpreis 2002 verliehen wurde.

In den 1990er-Jahren zeigten mehrere Experimente, dass Neutrinos zwischen verschiedenen „Sorten“ Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino hin- und herwechseln können. Solche Neutrino-Oszillationen sind nur möglich, wenn Neutrinos Masse besitzen. Dafür wurde 2015 erneut der Nobelpreis vergeben. Seitdem ist klar, dass die ursprünglich angenommene Masselosigkeit falsch ist.

Masse und Rolle im Standardmodell

Neutrinos sind die leichtesten bekannten Teilchen im Standardmodell. Ihre Masse liegt deutlich unter einem Millionstel der Elektronenmasse; aktuelle Messungen von 2022 geben eine obere Grenze von etwa 0,8 Elektronenvolt an. Da Neutrinos den sogenannten schwachen Isospin tragen, können auch ihre Massen grundsätzlich durch den Higgs-Mechanismus entstehen, wenn auch über einen deutlich schwächeren Kopplungsparameter als etwa bei Elektronen oder Quarks.

Neutrinos sind zugleich die häufigsten massetragenden Teilchen im Universum. Alleine aus unserer Sonne treffen pro Quadratzentimeter und Sekunde rund siebzig Milliarden Neutrinos auf die Erde. Ein typischer Erwachsenen, dessen sonnenzugewandte Fläche wir mit etwa 0,5 m² ansetzen, wird somit von 350.000.000.000.000 Neutrinos pro Sekunde durchdrungen. Zum Glück kitzeln Neutrinos nicht.

Kosmische Hintergrundstrahlung

Bevor sich die nach außen elektrisch neutralen Atome bildeten, war das Universum im thermischen Gleichgewicht, bei einer Temperatur von ca. 3.000 K, da es von einem elektrisch geladenen heißen Gas (Plasma aus freien Elektronen und Protonen) und von Photonen erfüllt war, die sich in der GUT Ära bei der Annihilation von Materie und Antimaterie gebildet hatten. GUT steht für Grand Unified Theory, sie vereinigt die starke und die schwache Wechselwirkung mit der elektromagnetischen Wechselwirkung. Die GUT Ära liegt zeitlich nach der Planck-Ära und vor der Inflation des Universums.

In der Epoche der Rekombination, also ca. 380.000 Jahre nach dem Urknall fangen die ionisierten Atomkerne die freien Elektronen ein und bilden Atome. Dadurch werden Strahlung und Materie entkoppelt, und die Photonen der GUT-Ära fliegen nun ungehindert durch das „durchsichtig“ gewordene Universum.

Die Strahlung die damals bei 3000 K ins Universum ausgesendet wurde, hat sich durch die zwischenzeitliche Expansion des Universums auf eine Schwarzkörperstrahlung von 2,7 K abgekühlt und wurde rotverschoben.

\(T = 2,725\,\,K\)

Die damals entstandene „kosmische Hintergrundstrahlung“ kann seit dem Jahr 1964 als Mikrowellenstrahlung gemessen werden

Obwohl die Strahlung hochgradig gleichförmig aus allen Richtungen des Universums ist, gibt es dennoch kleinste Schwankungen im Bereich von 10^-6 K , deren Ursache in der unterschiedlichen Dichte des Universums in der Epoche der Rekombination gesehen wird. In Regionen aus denen die Hintergrundstrahlung geringfügig stärker ist, findet sich auch eine höhere Massendichte (Galaxien,..) als in Regionen niederer Temperatur.