Dunkle Energie – einfach erklärt

Begriff und Bedeutung

Dunkle Energie ist in der Kosmologie eine hypothetische Energieform, mit der die beobachtete beschleunigte Expansion des Universums erklärt werden soll. Sie verallgemeinert das Konzept der kosmologischen Konstanten. Ihre physikalische Natur ist weitgehend ungeklärt, und sie wurde bisher nicht direkt experimentell nachgewiesen. Häufig wird sie mit der Energie des Vakuums und dessen Quantenfluktuationen in Verbindung gebracht.

Dunkle Energie darf nicht mit Dunkler Materie verwechselt werden. Dunkle Materie wirkt gravitativ anziehend und trägt unter anderem zur Stabilität und Rotation von Galaxien bei. Dunkle Energie soll dagegen auf großen kosmischen Skalen eine beschleunigte Expansion bewirken.

Beobachtungen und Messwerte

Nachdem die Expansion des Universums anhand der Rotverschiebung von Galaxien festgestellt worden war, erwarteten traditionelle Modelle eine allmähliche Verlangsamung: Die Gravitation der Materie sollte der Expansion entgegenwirken. Entfernungsbestimmungen weit entfernter Supernovae vom Typ Ia zeigten jedoch, dass die Expansion schneller wird.

Den Beobachtungsdaten zufolge trat vor etwa 6,1 Milliarden Jahren eine Umkehr ein. Zuvor war die relative Expansion gebremst (ä < 0), danach beschleunigte sie sich (ä > 0). Zum Zeitpunkt der Umkehr glichen sich die expandierende Wirkung der Dunklen Energie und die zusammenziehende Wirkung der Gravitation genau aus. Unter Vernachlässigung der geringen räumlichen Krümmung und der Strahlung galt dabei:

ΩΛ = Ωm/2 = 1/3.

Das Universum ist heute etwa 13,8 Milliarden Jahre alt. Nach den angegebenen Modellen besteht es gegenwärtig zu 68,3 % aus Dunkler Energie, zu 26,8 % aus Dunkler Materie und zu 4,9 % aus sichtbarer baryonischer Materie. Baryonische Materie ist die gewöhnliche Materie, aus der beispielsweise Atome bestehen. Die Planck-Mission korrigierte 2019 die WMAP-Daten von 2012 etwas. Ihre unabhängig von den Supernova-Messungen gewonnenen Ergebnisse zum Anteil Dunkler Energie stimmen mit diesen überein.

380.000 Jahre nach dem Urknall, zur Entkopplung der Elektronen von der Hintergrundstrahlung, war die Zusammensetzung des Universums noch deutlich anders. Dunkle Energie kann außerdem zur Erklärung der nahezu flachen, also im Wesentlichen euklidischen Geometrie des Universums beitragen: Normale Materie liefert nur 2–5 % der dafür notwendigen Masse, Dunkle Materie höchstens etwa 30 %. Dunkle Energie trägt heute dagegen knapp 70 % zur Gesamtmasse beziehungsweise Gesamtenergie bei.

Für die kosmologische Konstante Λ und die daraus mit der Einsteinkonstante κ bestimmten Größen werden folgende Werte angegeben:

Λ = 1,088 · 10^−52 1/m²

ρΛ = Λ/κ = 5,83 · 10^−27 kg/m³

pΛ = −c²ρΛ = −5,239 · 10^−10 Pa

ΩΛ = 0,685.

Theoretische Grundlage

Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die großräumige Entwicklung des Kosmos. Materie bremst aufgrund ihrer Gravitation die Expansion. Eine positive kosmologische Konstante wirkt dagegen beschleunigend und kann, wenn sie auf großen Skalen gegenüber der Krümmung überwiegt, zu einem flachen Universum führen. Die beobachtete Beschleunigung macht deshalb eine Beschreibung durch die kosmologische Konstante sinnvoll.

In Albert Einsteins frühem Modell eines statischen, nicht expandierenden Universums hatte die kosmologische Konstante einen Wert ungleich null. Sie entsprach einer Vakuumenergie, welche der Gravitation der Materie entgegenwirkte. Nach der Entdeckung der Expansion setzte Einstein sie auf null. Modelle mit einem von null verschiedenen Wert wurden jedoch weiterhin untersucht, etwa das Lemaitre-Universum als Inflexionsmodell.

Ein zentrales ungelöstes Problem ist das Problem der kosmologischen Konstante: Berechnungen der Vakuumenergie in der Quantenfeldtheorie liefern Beiträge zum Energie-Impuls-Tensor, die einer außerordentlich großen kosmologischen Konstanten entsprechen. Ein solcher Wert wird nicht beobachtet.

Mögliche Erklärungen

Die einfachste Erklärung besteht darin, einen passenden Wert der kosmologischen Konstanten als grundlegende Eigenschaft des Universums anzunehmen. Die gegenwärtig bevorzugte Deutung versteht Dunkle Energie als Vakuumenergie des leeren Raumes. Wenn sich das Universum ausdehnt und dadurch mehr Raum entsteht, nimmt demnach auch die gesamte Vakuumenergie zu und treibt die Expansion weiter an. Bis 2026 gibt es dafür jedoch keine überzeugende quantitative Herleitung.

Soll die Vakuumenergie aus Quantenfluktuationen berechnet werden, tritt die sogenannte Vakuumkatastrophe auf: Die übliche theoretische Berechnung weicht um 122 Größenordnungen vom Messwert ab. Die Vakuumenergie soll einen negativen Druck ausüben, der in der allgemeinen Relativitätstheorie gravitativ abstoßend wirkt. Für sie gilt der Faktor w = −1, während für Gas üblicherweise w = 1/3 gilt. Daraus ergibt sich eine dreimal so starke abstoßende wie anziehende gravitative Wirkung.

Eine Alternative ist die Quintessenz, ein zeitlich veränderliches Skalarfeld. Ein Skalarfeld ordnet jedem Ort und Zeitpunkt einen Zahlenwert zu. Seine Fluktuationen breiten sich typischerweise fast mit Lichtgeschwindigkeit aus. Dadurch strömen sie rasch aus überdichten in unterdichte Regionen, sodass das Feld praktisch homogen bleibt und nicht zu gravitativer Klumpenbildung neigt. Die zugehörigen hypothetischen Elementarteilchen wären mit ungefähr 10^−82 Elektronenmassen extrem leicht und würden – abgesehen von der Gravitation – praktisch nicht mit normaler Materie wechselwirken.

Ein weiterer Vorschlag sind „Generic objects of dark energy“ (GEODEs): kompakte Objekte, die wie Schwarze Löcher erscheinen, aber aus Dunkler Energie bestehen sollen. Die erstmals in den 1960er Jahren vorgeschlagene Idee wurde 2020 formalisiert. GEODEs könnten durch den Kollaps sehr früher großer Sterne entstanden sein, sich gegenseitig abstoßen und in den weitgehend leeren intergalaktischen Voids verteilt sein.

Frühes Universum und Forschung

Dunkle Energie und mit ihr verbundene Felder kommen auch als Ursache der Inflation infrage, also der sehr schnellen Ausdehnung in der Frühzeit des Universums. Es ist jedoch unklar, ob eine solche frühe Dunkle Energie mit derjenigen zusammenhängt, die heute zur Erklärung der beschleunigten Expansion angenommen wird.

Ihre Eigenschaften werden vor allem durch großräumige Kartierungen kosmischer Strukturen untersucht, etwa anhand der Verteilung von Galaxien und Galaxienhaufen. Mit terrestrischen Teleskopen laufen unter anderem Forschungsprogramme mit der Hyper Suprime-Cam des Subaru-Teleskops sowie der Dark Energy Survey mit der DECam des Victor-M.-Blanco-Teleskops.

Das russisch-deutsche Röntgenobservatorium Spektr-RG startete am 13. Juli 2019. Sein Hauptinstrument eROSITA wurde vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik entwickelt. Aufgrund des russischen Überfalls auf die Ukraine pausiert das Projekt aktuell. Das Weltraumteleskop Euclid startete am 1. Juli 2023 und soll insbesondere untersuchen, wie sich das Universum bisher ausgedehnt hat.