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Kosmologie:Nachrichten aus dem Dunkel

Die Astrophysik ist voller Fragen: Was geschah am Anfang des Universums? Was treibt seine Expansion an? Neue Experimente könnten mehr Klarheit liefern.

Von außen ist manchmal schwer zu erkennen, warum viele Kosmologen und Astrophysiker davon schwärmen, in einem goldenen Zeitalter ihrer Disziplin zu leben. Schließlich stolpert doch jeder, der sich in den schlecht ausgeleuchteten Bereich der Kosmologie begibt, immer schon nach ein paar Metern über irgendeine vollkommen ungelöste Frage. Kaum hat man sich wieder aufgerappelt, stößt man sich den Ellbogen an einem offenen Rätsel, und dann das Knie an einem fundamentalen Problem. Fühlt sich so ein goldenes Zeitalter an?

Trotzdem ist die Stimmung derzeit ziemlich gut in der Kosmologie, einem der "Key Topics" der diesjährigen Nobelpreisträger-Tagung in Lindau. Denn an die Mysterien des Kosmos haben sich Physiker mittlerweile gewöhnt. Dass das Universum zu 72 Prozent aus der sogenannten "dunklen Energie" besteht, ohne dass es eine stimmige Erklärung dafür gäbe: geschenkt. Dass es zu weiteren 23 Prozent mit Dunkler Materie angefüllt ist, von der man nur weiß, dass sie für Teleskope unsichtbar ist: was soll's. 95 Prozent Ratlosigkeit also, na und?

Für Forscher heißt das nur: Es gibt viel zu tun, umso besser. Und dank einer Flut neuer, entscheidender Messmethoden, die es erlauben, nie zuvor beobachtete Dinge zu untersuchen, steigen die Chancen, dass früher oder später auch die eine oder andere fundamentale Erkenntnis herausspringt. Damit könnten die großen Rätsel sich möglicherweise doch endlich lösen lassen: Was geschah in den ersten Momenten nach dem Urknall? Wie entstanden die Strukturen im Kosmos? Was sind seine "dunklen" Elemente? Und wie sieht die Zukunft des Universums aus? Ähnlich wie die Teilchenphysiker haben Kosmologen zwar ein weithin akzeptiertes Standardmodell, mit dem sie die Welt recht gut beschreiben können, aber vieles daran ist offen, unklar oder unbefriedigend. "Das Standardmodell der Kosmologie funktioniert, aber wir haben keineswegs eine vollständige Vorstellung davon, wie sich sichtbare zur dunklen Materie verhält", sagte Nobelpreisträger David Gross in Lindau.

In seinem Vortrag wurde er sehr grundsätzlich: Wird die Erkundung der grundlegenden Gesetze des Universums je ein Ende finden? Ist der menschliche Verstand überhaupt dazu in der Lage? Es sei schließlich noch nicht einmal klar, ob der Ozean des Unwissens überhaupt Grenzen habe. Vielleicht sei alles auch nur wie das Pellen einer Zwiebel, meinte Gross: Man dringt Schale für Schale weiter ins Innere vor. Doch das erklärt am Ende nichts, man hat nur Tränen in den Augen.

Illustration: Christian Tönsmann

Doch mit den neuen Messerfolgen könnten sich durchaus einige Fragen beantworten lassen. "Momentan ist in der Gravitationsforschung wirklich sehr viel los", sagt etwa Jan Steinhoff vom Albert-Einstein-Institut in Potsdam. Der größte Durchbruch ist für ihn ganz klar die Entdeckung von Gravitationswellen vor einigen Jahren: "Wir werden ganz neue Sachen lernen über Astrophysik, am Ende wahrscheinlich auch über Kosmologie", sagt er.

Im September 2015 hatten Forscher der internationalen Ligo-Kollaboration erstmals mit zwei Detektoren in den USA das Erzittern der Raumzeit aufgefangen - die erste Messung von Gravitationswellen (siehe Text "Lauschangriff aufs All"). Dieser erstaunliche Messerfolg brachte gleich ungefähr ein halbes Dutzend Fortschritte auf einmal. Vor allem markierte er den Beginn der Gravitationswellen-Astronomie, die seither stetig an Fahrt aufnimmt.

Dehnt sich das Universum noch schneller aus als gedacht? Schon möglich

Vielleicht am spannendsten könnte das sein für die Arbeit eines Forschers, der dieser Tage auch in Lindau war, weil er bereits einen Nobelpreis erhalten hat: Der US-Amerikaner Adam Riess, ausgezeichnet im Jahr 2011 für den Nachweis, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt - mutmaßlich angetrieben von der mysteriösen Dunklen Energie. Man könnte sich nach so einem Erfolg durchaus zurücklehnen und fortan nur noch als Vortragsreisender in eigener Sache unterwegs sein, aber das scheint nichts für Riess zu sein. Seit Jahren arbeitet er mit einigen Kollegen intensiv daran, die sogenannte Hubble-Konstante immer genauer zu messen.

Diese Konstante gibt die Geschwindigkeit an, mit der sich das Universum in einer bestimmten Entfernung ausdehnt. Aber Riess' Messung, die er mit seinem Team stetig verbessert, scheint partout nicht zu dem bisher auf andere Art ermittelten Wert zu passen. Dahinter könnte ein banaler Messfehler stehen, auch wenn Riess in Lindau energisch darauf beharrte, dass sein Ergebnis korrekt sei. Oder aber das Universum funktioniert doch anders als angenommen, vielleicht mit einer Dunklen Energie, deren Kraft über die Zeit zunimmt. Sollte es so kommen, müsste ein neues kosmologisches Modell her - und Riess wäre ein aussichtsreicher Kandidat für einen zweiten Nobelpreis. Doch dafür braucht es eine klare Bestätigung der Messung, und die ist schwer zu bekommen. Alle derartigen Messungen mit diesem oder jenem Teleskop beruhen auf Annahmen, die das Ergebnis verfälschen können. Eine Lösung könnte womöglich eines Tages eine alternative Messung mit Hilfe von Gravitationswellen sein. Das wäre eine wirklich unabhängige Methode.

In Lindau saß Riess auf einem Podium mit David Gross und drei weiteren Laureaten, die ebenfalls für ihre Arbeit zur Struktur des Universums ausgezeichnet wurden. "Es gibt mehr im Universum als Augen und Teleskope wahrnehmen können", sagt Riess. Indem man es sozusagen durch die Brille der Gravitation betrachtet, zeigen sich die wahren Strukturen: "Wir sollten nicht erwarten, dass das Universum gemacht wurde, damit wir alles darin sehen können."

Während die Dunkle Energie den Physikern noch Kopfschmerzen bereitet, sind sie zuversichtlich, in den kommenden Jahren ein weiteres, derzeit noch unerklärliches kosmisches Phänomen aufzuklären: die Dunkle Materie - nicht zu sehen, aber durch ihre Gravitation spürbar. Ein möglicher Kandidat für die Dunkle Materie wäre eine neue Teilchenart, oft WIMP genannt, ein nur schwach wechselwirkendes, massives Partikel. Dieses müsste im Universum so häufig sein, dass die Gesamtmasse aller WIMPs die Masse der Sterne und Planeten fast um das 50-fache übertrifft. Dieses Teilchen zu entdecken, wäre auch mindestens einen Nobelpreis wert.

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Nobelpreisträger sowie zwei Turing-Preisträger nehmen an der 69. Lindauer Tagung teil, die am 30. Juni begonnen hat und am 5. Juli zu Ende geht. Die Laureaten treffen auf 580 Studierende, Doktoranden und Post-Docs aus 89 Ländern. Das Treffen ist turnusgemäß der Physik gewidmet. Zu den großen Themen in diesem Jahr zählen Kosmologie, Gravitationswellen, Laserphysik. Es geht aber auch um wissenschaftliche Karrieren oder Lehrmethoden, um große Fragen wie Kernkraft und kleinste Teilchen wie Quarks.

Während das jedoch bislang nicht gelungen ist, kommen aus einer anderen Richtung stetig neue Erfolge. Der beeindruckendste darunter war das erste Bild eines Schwarzen Loches, das im April dieses Jahres um die Welt ging. Diese Aufnahme, zusammengesetzt in monatelanger Arbeit aus den Messungen von Radiowellen-Teleskopen überall auf der Welt, war nicht nur für sich genommen ein Durchbruch. Es war auch eine Sternstunde der Radioastronomie. Die Galaxie M87, in deren Zentrum das riesige Schwarze Loch zu finden war, liegt 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Um auf eine solche Entfernung etwas erkennen zu können, war eine Auflösung nötig, mit der man auch von Deutschland aus eine Zeitung in New York lesen könnte. Oder eine Orange auf dem Mond betrachten.

Weil Gas und Staub rings um das Schwarze Loch kein sichtbares Licht durchlassen, konnte man es nur im Bereich der längeren Radiowellen beobachten. Für die nötige Auflösung mussten Radioteleskope überall auf der Welt zu einem einzigen, virtuellen Empfänger zusammengeschaltet wurden - eine Antenne mit dem Durchmesser der Erde namens "Event Horizon Telescope". Das macht die Datenauswertung technisch enorm anspruchsvoll, aber es ist gelungen.

"Die Teleskope sind um Größenordnungen besser als in der Vergangenheit", sagt Anton Zensus vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie, der an der Messung beteiligt war. Auch optische oder Infrarot-Teleskope und Gammastrahlen-Empfänger im Weltraum haben sich verbessert. "Es ist ein nicht endender Wettlauf von neuen Möglichkeiten", sagt Zensus. Erst kürzlich hat sich wieder gezeigt, was plötzlich geht, wenn Teleskope in verschiedensten Wellenlängen-Bereichen gemeinsam arbeiten: Australische Forscher konnten erstmals mit Radio- und optischen Teleskopen die Quelle eines einzelnen, schnellen Radioblitzes orten. Bei diesen kosmischen Radiowellen-Explosionen wird in Sekundenbruchteilen mehr Energie ins All geschleudert, als die Sonne in Jahrzehnten abgibt. Dass nun eine Quelle dazu gefunden wurde, am Rande einer fernen Galaxie, ist der erste Schritt, um zu verstehen, wie diese mysteriösen Ausbrüche entstehen, und was sie zu bedeuten haben.

Fragt sich nur, ob - oder wann - all diese Fortschritte auch zu einem tieferen Verständnis des Kosmos führen werden. Oder ob sie letztlich doch nur dazu dienen werden, Details aufzuklären, ein exotischer Neutronenstern hier, ein Strahlungsblitz dort, während das große Ganze ein Rätsel bleibt. Anton Zensus jedenfalls ist optimistisch, dass es nicht beim Erwartbaren bleibt. "Wenn man so fantastische Instrumente hat wie wir heute, und so viele Leute mit Ideen und Kreativität, dann wird es auch weiter neue Durchbrüche geben, unvorhergesehene Ergebnisse, mit denen niemand gerechnet hat", sagt er.