In den letzten Jahren habe ich den Eindruck gewonnen, dass sich die Physik immer weiter von dem Ziel entfernt, in nächster Zeit ihren Heiligen Gral, die Theory of Everything, zu finden. Durch bessere Geräte, mit denen das Universum beobachtet werden kann, werden immer neue Beobachtungen gemacht, die nicht mit den bisherigen Erkenntnissen der Quantenphysik beschrieben werden können. Bereits länger bekannt sind dabei zwei Phänomene, die mit den Begriffen "dunkle Materie" und "dunkle Energie" beschrieben werden. In jüngerer Zeit sind zwei weitere „dunkle“ Geheimnisse dazugekommen, das "dunkle Loch" und der "dunkle Fluss", siehe dazu weiter unten in diesem Text.

Dunkle Materie: Bereits in den dreißiger Jahren des vorigen Jahrhunderts wunderten sich die Astronomen, dass die Sterne in den Galaxien viel stärker um die jeweiligen Zentren rotieren, als sie das eigentlich dürften. Die Galaxien müssten auseinanderfliegen, wenn die Masse der Galaxien ausschließlich aus der der sichtbaren Elemente bestehen würde. Aus diesem Grund vermutet man hypothetische Teilchen, die sich nur über ihre Masse und die davon erzeugte Gravitation bemerkbar machen und so die Galaxien zusammenhalten. Diese Masse muss etwa um den Faktor fünf bis zehn größer sein als die der sichtbaren Bestandteile.

Dunkle Energie: Als Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie formulierte, führte er dort eine kosmologische Konstante ein. Dabei ging Einstein noch von einem statischen Universum aus, das seine Größe im Laufe der Zeit nicht ändert. Da aber die Gravitation aller Bestandteile des Universums anziehend wirkt, musste es eine gleich starke Gegenkraft geben, die diese Anziehung genau kompensiert. Inzwischen ist bekannt, dass sich das Universum fortwährend vergrößert (genau, der Urknall!). Die Ursache der ununterbrochenen Entstehung neuen Raums – die Galaxien fliegen nicht auseinander, sondern es entsteht zwischen ihnen neuer Raum – wird als dunkle Energie bezeichnet. Diese muss ein negatives Vorzeichen haben, damit sie nach E=mc^2 negativer Masse entspricht. Nur so kann sie antigravitativ wirken. Der beste Kandidat für diese dunkle Energie ist die Energie des Vakuums. Darauf kommt man, weil genauere Messungen ergeben haben, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt. Wenn neuer Raum entsteht, dann enthält dieser neues Vakuum, und wenn dieses nicht „dünner“ ist als das bereits bestehende, muss die antigravitative Wirkung im Laufe der Zeit immer stärker wirken und das Universum immer stärker auseinander treiben.

Überschlägige Berechnungen und Vergleiche der Einflüsse der normalen Materie mit der dunklen Materie und der dunklen Energie ergeben, dass die normale Materie etwa 4% des Universums ausmacht, die dunkle Materie 23% und die dunkle Energie 73%. Die heutige Quantenphysik enthält also aus kosmologischer Sicht nur Modelle für etwa 4% der Materie bzw. Energie des für uns beobachtbaren Universums.

Dunkles Loch: Aus dem Versuch, die Quantentheorie auf die Vorgänge unmittelbar nach dem Urknall anzuwenden, ergaben sich Vorhersagen für die zeitliche Entwicklung der im Universum enthaltenen Strukturen: Sternenbildung, Galaxienentstehung und die räumliche Anordnung von noch größeren Strukturen wie Galaxienhaufen, Clustern und Superclustern. Nach diesen Modellen und Berechnungen dürfte es ein unlängst gefundenes dunkles Riesenloch nicht geben. In einem Gebiet mit einem Durchmesser von etwa einer Milliarde Lichtjahre gibt es absolut nichts, keine Sterne, keine Materie, keine dunkle Materie, die sich alle über gravitative Wechselwirkungen mit der Strahlung bemerkbar machen würden, die dieses Gebiet durchqueren.

Das vierte mysteriöse Phänomen, über das erstmals 2008 publiziert wurde, ist inzwischen mit hoher statistischer Sicherheit durch neue Beobachtungen und Berechnungen bestätigt worden, der „dunkle Fluss“. Über ihn gibt es in „Bild der Wissenschaft“ 5/2010 einen ausführlichen Artikel. Als „dunkler Fluss“ wird in diesem Artikel und von den das Phänomen untersuchenden Wissenschaftlers die Beobachtung bezeichnet, dass sich eine Vielzahl von Galaxien auf einen Punkt zubewegt, der außerhalb unseres Beobachtungshorizonts des Universums liegen muss.

Millionen bis zu 2,5 Milliarden Lichtjahre ferne Galaxien, verteilt über den ganzen Himmel, streben mit rund 700 bis 1000 Kilometern pro Sekunde in dieselbe Richtung. Das hat Alexander Kashlinsky vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, herausgefunden -„zu seiner großen Überraschung“, wie er selbst sagt.

Zwei Dinge an dieser Beobachtung sind dabei besonders merkwürdig: Zum einen dürfte es eine so geordnete bewegung so vieler Galaxien nach dem kosmologischen Standardmodell gar nicht geben. Aus den zufälligen Quantenfluktuationen nach dem Urknall sollten nach dem Herausrechnen ihrer gegenseitigen gravitativen Beeinflussungen eher zufällige Bewegungen in beliebige Richtungen resultieren. Zum anderen schließt dasselbe Modell ebenso derart starke Massekonzentrationen aus, wie sie als Ursache der geordneten Bewegung in Frage kommen.

Noch weiß niemand, was den Dunklen Fluss anzieht. Natürlich kann man viel spekulieren – über kosmische Mahlströme, exotische Gravitationsfallen im Raum oder sogar Kollisionsfronten zwischen verschiedenen Universen. Fest steht: Die mysteriöse Schwerkraftquelle muss sich weit jenseits unseres kosmischen Beobachtungshorizonts befinden, der gut 45 Milliarden Lichtjahre entfernt ist – vielleicht 500 Mal so weit, schätzen die Forscher. Im beobachtbaren All gibt es keine solche gigantische Materie-Ansammlung. Und wenn das kosmologische Standardmodell richtig ist, dürfte sie auch gar nicht entstanden sein. „Da wir uns auf Messungen konzentrieren, versuchen wir uns mit Erklärungen zurückzuhalten“, sagt Kashlinsky. „Aber wir sind scharf darauf, die Messungen so präzise wie möglich zu machen, um verschiedene Hypothesen überprüfen zu können.“

Beobachtungshorizont: Wegen des Alters des Universums von ungefähr 13,7 Milliarden Jahren kann Licht maximal so lange zu uns unterwegs gewesen sein. Aber die Objekte, die dieses Licht vor dieser langen Zeit ausgesandt haben, sind heute wegen der Expansion des Universums viel weiter von uns entfernt als damals, der Abstand zwischen ihnen und uns nimmt inzwischen etwa mit der dreifachen Lichtgeschwindgkeit zu und beträgt derzeit etwa die besagten 45 Milliarden Lichtjahre. Oder mit einfacheren Worten: Wir werden sie niemals wiedersehen.

Das Bild zeigt eine mögliche Erklärung für den dunklen Fluss: Die von uns innerhalb des Beobachtungshorizontes vermessenen Galaxien bewegen sich auf einen sehr massereichen Punkt außerhalb zu. Im Artikel heißt es weiter dazu:

Es ist also durchaus denkbar, dass das Universum im großen Maßstab nicht gleichförmig ist. Dann würde das Kosmologische Prinzip nicht gelten, das seit Albert Einsteins Pionierarbeit 1917 von den meisten Kosmologen vorausgesetzt wird. Vielleicht ist der Ort der Milchstraße mitsamt ihrem weiten Umkreis untypisch: eine Region unterdurchschnittlicher Materiedichte. Wir könnten uns in einer großen Höhle des Alls befinden – ähnlich einem Loch, das von (unsichtbarem) Schweizer Käse umschlossen wird.

Im weiteren Text des Artikels werden noch andere Erklärungsversuche genannt: Eine fraktale Organisation des Alls, andere Schwerkraftmodelle, bei denen die Gravitation nicht, wie sonst vorausgesetzt, mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, und natürlich dürfen Spekulationen über den Einfluss anderer Universen nicht fehlen. Jedenfalls heißt es gegen Ende des Artikels:

Was auch immer den Dunklen Fluss antreibt – er weist darauf hin, dass unser Universum Teil eines Größeren ist. Auch wenn das All in großem Maßstab homogen erscheint wie ein riesiger Ozean, der von Horizont zu Horizont gleichförmig aussieht -der Dark Flow zeigt, dass dieser Eindruck täuscht. Es ist so, als würde man im Golfstrom schwimmen und irgendwann entdecken, dass man abtreibt. Und vielleicht reicht der Golfstrom des Alls sogar bis in die Milchstraße.

Noch ist zwar unklar, was alles zum Dunklen Fluss gehört und wie weit er sich erstreckt. Aber: Falls das beobachtbare Universum von der düsteren Dynamik beherrscht wird, könnte sie sich auch diesseits der fernen Röntgen-Haufen bemerkbar machen. Tatsächlich gibt es seit den ersten Messungen der amerikanischen Astronomin Vera Rubin 1976 viele Anstrengungen, die Dynamik der Galaxien in der weiteren Nachbarschaft zu erfassen und die regionalen Schwerkraft-Wechselwirkungen herauszurechnen. So bewegt sich die Lokale Gruppe der Galaxien – die Milchstraße, der Andromeda-Nebel und gut drei Dutzend gravitativ gebundene Zwerggalaxien – mit 600 Kilometern pro Sekunde gegenüber der Kosmischen Hintergrundstrahlung. Außerdem rast sie in Richtung eines knapp 200 Millionen Lichtjahre fernen Galaxien-Superhaufens, der deswegen Großer Attraktor heißt, sowie eines versetzt dahinter liegenden, noch massereicheren Superhaufens, Shapley Supercluster genannt, der eine Distanz von 650 Millionen Lichtjahren hat.

Die Bewegungen reichen noch weiter, wie kürzlich ein Astronomenteam um Hume A. Feldman von der University of Kansas in Lawrence und Richard Watkins von der Willamette University in Salem, Oregon, entdeckte. Alle Galaxien im Umkreis von etwa 500 Millionen Lichtjahren bewegen sich demnach mit 416 plus/minus 78 Kilometern pro Sekunde zum Sternbild Vela neben Centaurus. Sie zielen also alle ungefähr in dieselbe Richtung wie der Dunkle Fluss, wenn auch nur etwa halb so schnell. Ob es einen Zusammenhang beziehungsweise Übergang gibt, ist unklar. Die verschiedenen voneinander unabhängigen Daten widersprechen sich jedenfalls nicht. Und: „Unsere Resultate erfordern zwar keine Verletzung des Kosmologischen Prinzips, aber sie setzen auch nicht seine Gültigkeit voraus“, sagt Feldmann. „Doch es muss stärkere Dichteunterschiede im All geben, als sie das Standardmodell vorsieht.“

Einige mehr erkenntnistheoretische Anmerkungen. Auf der Wikipediaseite  Beobachtbares Universum liest man:

Der etwa 60 Milliarden Lichtjahre entfernte kosmologische Ereignishorizont begrenzt den Teil des Universums, aus dem uns jemals Informationen erreichen können. Da über Bereiche jenseits des kosmologischen Ereignishorizonts keine falsifizierbaren Aussagen gemacht werden können, sind sie nicht Gegenstand der Physik.

Diese Aussage ist falsch, aber es hält sich sowieso niemand daran. Dass sie offensichtlich falsch ist, zeigt das Beispiel des dunklen Flusses. Wir beobachten innerhalb des Bereichs, der unseren Messgeräten zugänglich ist, ein Phänomen, und schlussfolgern darauf auf Ursachen, die außerhalb dieses Beobachtungsbereiches liegen. Die aufgestellten Theorien sind auch falsifizierbar, denn man kann von ihnen zusätzlich gemachte Voraussagen mit weiteren Beobachtungsdaten prüfen. Nichts anderes passiert zum Beispiel in der Quantenphysik, denn auch Atome und ihre Bestandteile sind unserer unmittelbaren Anschauung nicht zugänglich.

An den aktuellen Grenzen der Physik wird man immer metaphysische Vorstellungen finden, von denen einige zu neuen überprüften Theorien führen werden, während andere später widerlegt zurück ins Reich der Phantasie zurücksinken. An einigen Stellen täte aber eine etwas durchdachtere Verwendung von Begriffen not. Ein Beispiel ist die fast schon inflationäre Verwendung des Begriffs „Multiversum“. Hier im diskutierten Artikel wird die Wechselwirkung mit einem Paralleluniversum als eine mögliche Ursache der verstärkten Anziehung verwendet. An anderen Stellen soll es die besondere Schwäche der Gravitationskraft gegenüber den anderen drei physikalischen Wechselwirkungen erklären.

Man kann derlei (begrifflichen) Unfug eigentlich recht leicht zurückweisen: Angenommen, bei den aktuellen Versuchen im Cern gelingt es das Higgs-Boson zu finden und seine konstituierende Rolle bei der Erklärung der Masse und damit der Gravitation zu finden. Dann definiert dieses Modell der Physik die wechselseitige Anziehung zweier Körper durch den Austausch einer besonderen Art von Bosonen. Zu welchem Universum des Multiversums würde denn ein vermittelndes Higgs-Boson gehören, wenn sich zwei Massen zweier verschiedener Universen gegenseitig anziehen?

Es ist meiner Meinung nach ein rein sprachliches Pseudoproblem, was so aufgetan wird. Wenn man sich darauf verständigt, dass alles, was irgendwie mit uns wechselwirkt, Bestandteil “unseres“ Universums ist, verschwindet es ganz von selbst. Mit ihm übrigens ein weiteres Pseudoproblem: Nämlich die Frage, wieso die in unserem Universum gültige Mathematik, die zur Beschreibung von Natur-, darunter auch physikalischen Problemen benutzt wird, auch in den „Paralleluniversen“ gelten soll. Das schließt natürlich nicht aus, dass es Bereiche des Universums gibt, und nicht nur raumzeitlich von uns getrennte, zu denen wir nur schwer oder gar keinen Zugang finden. Oder zumindest keinen, der mit Methoden der Physik beschrieben werden kann.

Gastbeitrag von: Dr. Ralf Poschmann

Die offenen Fragen der Physik
Alexander Unzicker (Interview)

zum vorherigen Blogeintrag                                                                               zum nächsten Blogeintrag 

Liste aller Texte zum Thema Astronomie