65th Lindau Nobel Laureate Meeting, Lindau, Germany Lecture Saul Perlmutter Picture/Credit: Christian Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings

Saul Perlmutter
Picture/Credit: Christian Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings

Genau diese Frage war es, auf die Perlmutter, Adams und Riess eine Antwort finden wollten. Nicht durch theoretische Überlegungen, sondern durch ganz konkrete Messungen. Ihre Messgeräte sollten dabei explodierende Sterne sein und die Ausnutzung einer weiteren sehr simplen, aber fundamental wichtigen physikalischen Tatsache: Licht braucht Zeit, um von einem Ort im Universum zu einem anderen zu gelangen. Den Weg von der Sonne zur Erde legt ein Lichtstrahl in 8 Minuten zurück. Zum nächstgelegenen Stern (Alpha Centauri) ist es schon ganze 4 Jahre lang unterwegs. Und kommt es aus fernen Galaxien zu uns, dann kann es Millionen oder gar Milliarden Jahre unterwegs sein. Der Blick hinaus in die Tiefe des Universums ist also immer auch ein Blick zurück in die Vergangenheit. Die Beobachtung ferner Galaxien erlaubt es den Astronomen herauszufinden, wie der Kosmos vor vielen Milliarden Jahren beschaffen war. Und während sich das Licht auf seiner langen Reise durch das Weltall befindet, wird es von dessen Expansion beeinflusst. Die Ausdehnung des Universums streckt auch das Licht selbst und wenn es bei uns auf der Erde ankommt, ist es deswegen röter als es an seinem fernen Ursprungsort war.

Die Messung dieser Rotverschiebung erlaubt es den Astronomen herauszufinden, wie schnell sich das Universums in der Vergangenheit ausgedehnt hat. Dazu braucht man allerdings kosmische Ereignisse, die hell genug sind, um auch in diesen großen Distanzen noch von der Erde aus gesehen zu werden. Die gibt es allerdings: Wenn großen Sternen am Ende ihres Lebens der Brennstoff ausgeht und sie keine Kernfusion mehr durchführen können, dann vergehen sie in riesigen Explosionen, die kurzfristig heller leuchten als ganze Galaxien voll mit Milliarden Sternen. Will man also wissen, wie schnell sich das Universum in der Vergangenheit ausgedehnt hat um daraus Rückschlüsse auf das zukünftige Verhalten der Expansion zu gewinnen, muss man solche “Supernova”-Explosionen in fernen Galaxien beobachten und bestimmen, wie schnell sie sich von uns fort bewegen.

Das Prinzip dahinter ist einfach und die Aussichten waren vielversprechend: Man konnte durch die Beobachtung der Supernovae tatsächlich messen, wie das zukünftige Schicksal des Universums aussehen wird. Beziehungsweise: Man könnte es messen, wenn man eine Technik hätte, die es einem erlaubt. Denn Supernova-Explosionen lassen sich nicht vorhersagen und man weiß nie, wann und wo sie stattfinden werden.

Bessels Sternwarte in Königsberg

Bessels Sternwarte in Königsberg (Bild: Public Domain)

Die Situation, vor der Perlmutter und seine Kollegen in den 1990er Jahren standen, ähnelt der, mit der sich die Wissenschaftler konfrontiert sahen, als sich im 17. Jahrhundert das heliozentrische Weltbild durchgesetzt hatte. Die Frage nach der Rolle der Erde im Gefüge des Kosmos war ähnlich fundamental wie die Frage nach dem Schicksal des Universums. Den Astronomen der damaligen Zeit war auch klar, dass es eine vergleichsweise simple Beobachtung gibt, die ihnen Auskunft über die Ausmaße des Weltalls geben würde. So lange man sich die Erde noch unbewegt im Mittelpunkt des Universums vorstellte, gab es keine Möglichkeit, durch Beobachtungen heraus zu finden, wie weit die Sterne entfernt sind. Aber wenn sich die Erde um die Sonne herum bewegt, dann ändert sich damit auch unser Blickwinkel auf die Sterne am Himmel. Je nachdem, auf welche Seite der Sonne unser Planet sich gerade befindet, schauen wir in unterschiedliche Richtungen hinaus ins All und sollten die Sterne daher auch vor dem Hintergrund scheinbar verschoben sehen. Je näher die Sterne der Erde sind, desto größer musste dieser Effekt sein, der “Parallaxe” genannt wurde. Man musste also nur die Position eines Sterns am Himmel möglichst genau messen und die Daten mit einer zweiten Beobachtung vergleichen, die ein halbes Jahr später durchgeführt wird. Der Unterschied in der Positionsmessung erlaubt dann direkt die Berechnung der Entfernung des Sterns. Das Prinzip war einfach und einfach zu verstehen, genau so wie Perlmutters Idee zur Messung der Expansionsrate des Universums. Und genau wie Perlmutters Idee war sie technisch enorm schwer umzusetzen.

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Kommentare (22)

  1. #1 JKL
    10. Juli 2015

    Florian, hast du was von Big Rip gehört?

  2. #3 KH
    10. Juli 2015

    Wer mehr über die Geschichte hinter dem Nobelpreis erfahren möchte, sollte das Buch “Das 4% Universum” lesen, wurde hier schon einmal vorgestellt (https://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2011/12/21/das-4universum/)

  3. #4 gaius
    11. Juli 2015

    Schöner Artikel!

  4. #5 Artur57
    11. Juli 2015

    Nun, bevor man Annahmen wie diese “dunkle Energie”macht, sollte man sich doch beim Bekannten umsehen. Wir haben da ja diese Raumdehnung, die bewirkt, dass die Beschränkung auf die Lichtgeschwindigkeit ab einer gewissen Distanz nicht mehr gilt. Muss ja so sein, wenn der Partikelhorizont inzwischen 46 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt ist und das Universum nur 13 Milliarden Jahre alt ist.

    Muss nicht das Universum beschleunigt expandieren, wenn man die Raumdehnung berücksichtigt? Oder umgekehrt gefragt: wenn wir die Raumdehnung herausrechnen, bleibt dann etwas übrig, was wir nicht verstehen?

    Die Raumdehnung hat ja jedes einzelne Photon der Hintergrundstrahlung auseinander gezogen, sodass die Temperatur der Strahlung von 2000K auf etwa 3 sank. Da nun ist Energie frei geworden und wo steckt die jetzt? Vielleicht ist das ja die dunkle Energie. Also würde die Raumdehnung die Energie, die sie braucht, aus den Photonen holen?

  5. #6 Alderamin
    11. Juli 2015

    @Artur57

    Muss nicht das Universum beschleunigt expandieren, wenn man die Raumdehnung berücksichtigt?

    Nein. Die Ausdehnung des Weltalls wird durch die Firedmann-Gleichung beschrieben, die aus der allgemeinen Relativitätstheorie folgt, also letztlich dem Gravitationsgesetz. Ohne Dunkle Energie kennt diese drei Möglichkeiten:

    – liegt die Dichte oberhalb eines bestimmten Werts (kritische Dichte), dann verlangsamt sich die Expansion, bis sie sich irgendwann umkehrt und das Weltall wieder kollabiert.

    – liegt die Dichte unter der kritischen Dichte, dann verlangsamt sich die Expansion, aber sie strebt gegen einen konstanten Wert > 0.

    – ist die Dichte genau kritisch, so strebt die Expansionsgeschwindigkeit gegen 0.

    In jedem Fall muss sich die Expansion verlangsamen, weil die Gravitation anziehend wirkt. Im Prinzip ist das ähnlich wie bei einem Ball, den man auf einem Asteroiden hoch wirft. Entweder er kommt zurück (weniger als Fluchtgeschwindigkeit), oder nicht (mehr als oder genau Fluchtgeschwindigkeit). Er wird aber in jedem Fall langsamer werden (und ggf. sogar umkehren).

    Man kann messen, dass das Weltall “flach” ist, es hat eine euklidische Geometrie ohne Krümmung (Masse krümmt ja bekanntlich den Raum). Das ist genau dann der Fall, wenn die Dichte gerade die kritische ist. Allerdings findet man nur etwa 30% der dafür notwendigen Masse im All (Dunkle Materie schon eingerechnet). Man hat lange nach dem Rest gesucht.

    Nun entdeckten die oben genannten Herren, dass sich die Expansion beschleunigt, was sich durch einen konstanten Term in der Friedmann-Gleichung hinzufügen lässt. Dies entspricht einer Tendenz des Raums, unter einer Art innerem Druck zu wachsen. Das ist genau, was man beobachtet. Man kann diesem Druck auch eine Energie zuordnen, und die ist interessanterweise genau so groß, wie der vermisste Teil der kritischen Dichte, der das Weltall flach machen würde. Deswegen spricht man von einer “Dunklen Energie”.

    Was das genau ist und wie diese Energie zustande kommt, kann noch niemand erklären. Aber sie erklärt hervorragend die zunehmende Expansionsgeschwindigkeit des Universums und warum das Weltall flach ist. Sie erklärt sogar, warum das Weltall anfangs seine Expansion verlangsamte und dann nach 7 Milliarden Jahren wieder “Gas gab”, denn da hatte die Materiedichte so weit abgenommen, dass die Dunkle Energie die Oberhand über die Gravitation bekam. Das kann bisher keine andere Theorie erklären.

  6. #7 gaius
    11. Juli 2015

    @Alderamin:

    Wieder einmal: aus Deinen Erklärungen könnte (sollte?) man Lehrbücher zusammenstellen.

  7. #8 Steffmann
    12. Juli 2015

    @gaius:
    @Alderamin:

    *subscribe* 🙂

  8. #9 Artur57
    12. Juli 2015

    @Alderamin

    Verstanden. Aber Frage: denkt nicht dieser Friedmann in den Kategorien des absoluten Raums? Den es ja laut ART nicht gibt.

    Und – wie Du schön bewiesen hast – zwingt uns Friedmann zur Annahme einer Dunklen Energie. Was nun keineswegs für zufriedene Gesichter sorgt, wie Florian schon sagte.

    Was spricht gegen die Annahme eines relativen Raums, in dem der Raum (oder die Raumzeit) von den bewegten Massen mitgenommen wird? Das ist mit Rückgriff auf Bekanntes durchaus möglich, denn diese Raumdehnung ist ja unumstritten. Wir haben uns ja schon rechnerisch damit beschäftigt, indem wir eine Ameise auf einem Gummiband laufen ließen.

    Natürlich ergibt sich unter dieser Annahme wieder ein neuer Friedmann, nur eben mit den dazu notwendigen Korrekturen. Ob sich dabei rechnerisch die geforderte Flachheit des Universums ergibt, kann ich natürlich nicht sagen.

  9. #10 Alderamin
    12. Juli 2015

    @Artur57

    Aber Frage: denkt nicht dieser Friedmann in den Kategorien des absoluten Raums? Den es ja laut ART nicht gibt.

    Nein, wie kommst Du darauf? Da die Friedmann-Gleichung eine Lösung der Ensteinschen Feldgleichungen ist, die wiederum aus der Allgemeinen Relativitätstheorie folgen, geht sie genau wie dei ART nicht von einem absoluten Raum aus. Ganz im Gegenteil.

    Was spricht gegen die Annahme eines relativen Raums, in dem der Raum (oder die Raumzeit) von den bewegten Massen mitgenommen wird?

    Nichts, das ist genau die Annahme. Diese ganze Geschichte mit der kritischen Dichte der Materie, die den Raum beeinflusst, ist ja nur zu verstehen, wenn man davon ausgeht, dass die Materie den Raum mit sich zieht. Wenn sie dabei unter ihrer wechselseitigen Gravitation langsamer wird, dann auch die Raumexpansion. Eben weil Masse den Raum deformieren kann, wie ein Gummituch. Das habe ich früher lange nicht verstanden – was soll denn die Raumexpansion mit der Anziehung der Massen zu tun haben? Alles, weil alles aus der ART (dem Gravitationsgesetz) folgt.

    Sogar die Dunkle Energie. Man kann sie so verstehen: Wenn ich etwas gegen einen positiven (nach außen wirkenden) Druck komprimiere und dabei den Druck weiter erhöhe (etwa die Luft in einer Luftpumpe), dann leiste ich Arbeit gegen den Druck, die dann in dem komprimierten Medium steckt. Arbeit ist Energie, Energie ist mit Masse äquivalent und die hat eine Schwerkraft. D.h., ein positiver Druck erzeugt eine anziehende Schwerkraft (ein Physiker würde eher sagen, dass der Druck im Energie-Impuls-Tensor enthalten ist, und dieser bestimmt die Raumkrümmung und somit Gravitation).

    Umgekehrt erzeugt ein negativer (nach innen ziehender) Druck gemäß der ART eine abstoßende Gravitation. Das scheint zunächst widersinnig, wenn der Druck doch zieht, warum zieht der die Massen nicht zusammen? Weil er überall gleich zieht: in einem tiefen See drückt der Wasserdruck das Wasser ja auch nicht nach oben, Druck führt nur da zu einer Bewegung, wo eine Druckdifferenz besteht, also z.B. gegen eine im Wasser befindlichen Hohlkörper mit geringerem Innendruck als draußen. Insofern bewirkt ein überall gleich großer negativer Druck zuerst mal gar nichts, außer einen abstoßenden Gravitation.

    Und die Annahme ist, dass das Vakuum genau einen solchen negativen Druck hat und sich deshalb aufbläht. Das ist die Dunkle Energie. Sie ist die kleine Schwester der kosmischen Inflation, die zu Beginn des Universums, als der negative Druck noch viel größer war, den Raum explosionsartig vergrößert hat, bis das Vakuum auf einen niedrigeren Energiezustand fiel und die überschüssige Vakuumenergie auf einen Schlag als Strahlung frei setzte. Und aus der entstand die Materie und Strahlung im Universum. So die Inflationstheorie.

    Wie allerdings dieser Druck zustande kommt, ist bisher ungeklärt. Nicht einmal den Betrag der Vakuumenergie kann man aus den Quantentheorie herleiten. Das theoretische Ergebnis ist um den Faktor 10^120 zu groß. Da fehlt wohl noch ein Puzzlestückchen.

    @gaius, Steffmann: 🙂

  10. #11 Steffmann
    12. Juli 2015

    @Yogi:

    Florian, wann endet das Universum?

    Hier wurde alles zu dem Thema ausführlich erklärt:
    https://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2014/10/06/big-rip-big-bounce-und-waermetod-wie-endet-das-universum/

  11. #12 Florian Freistetter
    12. Juli 2015

    @Steffmann: Denn “Florian, wann geht die Welt unter”-Typ ignorieren. Das ist ein Spammer, der mir diesen Quatsch pro Tag 10-20 Mal in den Blog schreibt (manchmal lässt der Spamfilter leider aus) und das immer mit gefakter Mailadresse. Wenn er tatsächlich an Antworten interessiert wäre, dann hätte er die alle schon vor Wochen bekommen. Aber egal was man ihm sagt, er ignoriert alles und spammt immer wieder mit der gleichen Frage alles voll (man könnte fast denken, es wäre ein Bot oder so)

  12. #13 Steffmann
    12. Juli 2015

    @Florian:

    Ok, danke für die Aufklärung.

  13. #14 Betty
    13. Juli 2015

    Vielleicht wirken Supernouven ja wie riesige Druckwellen, wodurch die Expansionen beschleunigt werden und in den ersten 7 Millionen Jahren wahren die Sterne einfach noch zu jung zum Sterben wodurch die Gravitation die Expansion langsam aufhob.

  14. #15 Alderamin
    13. Juli 2015

    @Betty

    Nein, anfangs war die Materie noch dichter und näher zusammen, da wirkte die Anziehungskraft noch verlangsamend (aber eben nicht genug, um die Expansion des Universums zu stoppen und umzukehrne). Je weiter das All expandierte, desto geringer wurden Dichte und gegenseitige Anziehung, umso stärker jedoch der Effekt der dunklen Energie. Denn die expandiert eine Strecke um einen festen Prozentwert pro Zeiteinheit (also etwa um 10% in 1 Milliarde Jahren; die Zahl ist jetzt einfach als Beispiel genannt, bin gerade zu faul zum Nachrechnen); dann wächst 1 km um 100 m, aber 1000 km um 10 km in derselben Zeit, d.h. je weiter zwei Galaxien anfangs voneinander entfernt sind, desto mehr wächst die Entfernung in Lichtjahren im gleichen Zeitraum. Und nach 7 Milliarden Jahren waren die Entfernungen im All so groß, dass die Dunkle Energie die Galaxien schneller auseinander trieb, als die Gravitation sie abbremsen konnte. Seitdem wird die Expansion immer schneller.

  15. #16 mr_mad_man
    13. Juli 2015

    ob die Welt irgendwo ein Ende hat. Oder irgendwann.
    Auch wenn ich den Artikel (wie fast alle hier) sehr schön geschrieben und informativ finde, möchte ich doch ein bischen bemäkeln, dass er sich bei der Beantwortung der oben gestellten Fragen, nur auf das zeitliche Ende konzentriert.

    Hier scheint die Antwort nach einem Ende mit BigRip-Ja beantwortet zu sein. Aber wie sieht es mit einem räumlichen Ende aus? Man sagt es sei unendlich. Ein etwas schwammiger Begriff wie ich finde und erklären möchte: unendlich im Sinne von es gibt keine Wand oder ähnliches wo das Universum einfach aufhört. Oft wird das Luftballon-Beispiel gebracht. Die Oberfläche sei der Raum, hat keine Grenz, also kein Ende, und wenn man ihn aufbläst, entfernen sich alle Punkte (wenn man welche draufgemalt hat) voneinander. Ja das erklärt unendlich und man kann sich auch die Expansion vorstellen. Aber ist das Universum unendlich groß? Wenn das so ist, kann es ja nicht noch größer werden, denn da wohin es sich ausdehnen würde, wäre es ja schon. Wenn es aber nicht unendlich groß ist, müsste man sein Gesamtvolumen angeben können (zumindest theoretisch). Und wenn das so ist, dann war früher das Gesamtvolumen kleiner als heute. Und wie groß war das Gesamtvolumen beim Urknall? Das müsste nach den gängigen Erklärungen dann null oder Planck-nahe null gewesen sein. Wie ich aber in einigen Artikeln und Kommentaren (hier) gelernt habe, darf man sich den Urknall nicht als Explosion von einem Punkt aus vorstellen. Der Ürknall haber “überall” stattgefunden. Und da frage ich mich wo überall, es gab doch nichts. Zweifelsfrei ist es sehr faszinierend über so etwas nachzudenken und wie im Artikel so schön steht:
    “sondern in ihrer Grundlegenheit auch so simpel sind, dass jeder darüber nachdenken kann.” Aber ich lande bei all diesen Überlegungen leider immer wieder bei diesem oben beschriebenen Denk-Dilemma.

  16. #17 Florian Freistetter
    13. Juli 2015

    @mr_mad_man: “möchte ich doch ein bischen bemäkeln, dass er sich bei der Beantwortung der oben gestellten Fragen, nur auf das zeitliche Ende konzentriert.”

    Naja, man kann haltnicht immer zu allem was sagen.

    Zu deinen Fragen hab ich ja schon mal was geschrieben:

    https://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2014/07/21/ist-das-universum-unendlich-gross/
    https://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2014/07/14/wie-gross-ist-das-universum/

  17. #18 mr_mad_man
    13. Juli 2015

    @FF: Das war auch gar nicht bös gemeint. Die beiden von Dir verlinkten Artikel kenne ich, habe sie damals geradezu verschlungen und dort auch kommentiert. Ich hatte halt gedacht, dass es hier in diesem Artikel auch was (neues) dazu zu lesen gibt, da die Fragestellung das ja “quasi” angekündigt hat. Danke auf jeden Fall für Deine Antwort. Und Danke für den gesamten Blog, den ich fast täglich besuche.

  18. #19 Florian Freistetter
    13. Juli 2015

    @mr_mad_man: Ich habs auch nicht böse aufgefasst. Aber auch ein Nobelpreisträger kann halt nicht über alles reden. Perlmutter hat über das Ende des Universums gesprochen, was in dem Fall eben das zeitliche Ende war. Er als Kosmologe hätte sicher auch was zum räumlichen Ende sagen können – aber in dem Fall hat er das nicht gemacht und ich kann darüber dann auch nicht berichten…

  19. #20 mr_mad_man
    13. Juli 2015

    @FF: Nochmal Danke für Deine Mühe und die Erklärung. Ich nehme mein “bemäkeln” ausdrücklich zurück. Ganz oben schriebst Du ja: “Dieser Artikel erschien dort am 1. Juli 2015 und der Vortrag auf dem er basiert ist hier online verfügbar.” Das hatte ich zwar gelesen (genauer überflogen) aber nicht wirklich realisiert, dass dies eine Inhaltsangabe des Vortrages ist. Klar, was Perlmutter da nicht anspricht, kannst Du hier nicht zusammenfassen.

  20. #21 AG
    Stockholm
    14. Juli 2015

    Hallo Florian,

    sehr schöne Erklärung, die Bemerkung zu den Supernovae ist allerdings ungenau – es wurden Supernovae vom Typ IA gemessen, die durch Akkretion von Material in einem Binärsystem enstehen (weisser Zwerg erhält Material von Begleitstern). Wird eine bestimmte Masse durch die Akkretion ueberschritten, zuendet das Ganze. Die beobachtbare Lichtkurve ist sehr speziell und typisch (zumindest im Modell) fuer diese Art von Supernova, daher als Standardkerze verwendbar – mit “normalen” Supernovae, bei welchen ein sehr grosser Stern ohne Begleiter dahingeht, funktioniert das nicht.

  21. #22 Proletheus
    4. August 2015

    Hallo,
    interessanter Artikel. Für mich kommt aber die Selbstkritik des Herrn Perlmutter zu kurz.. Es wird ein absoluter Eindruck erzeugt. Da hilft mir auch nicht die Aussage:
    “Die Kosmologie ist eine junge Disziplin. Wir haben bis jetzt noch jedes Mal etwas Neues entdeckt, wenn wir die Präzision der Messungen erhöht haben.”
    Sinngemäß verstehe ich das so: “Ich habe zwar recht, aber wie recht ich habe wird sich noch rausstellen.”
    Das mag hoffentlich einer verkürzten Darstellung geschuldet sein.
    Besser finde ich folgenden Beitrag:
    https://www.zarm.uni-bremen.de/kosmologie06/material/HillebrandtRoepke_SUW05.pdf
    In diesem Artikel wird auch auf Schwächen der Erkenntnis hingewiesen, gerade der letzte Absatz ist da interessant.
    Wer jetzt denkt, dass wir doch schon viel weiter sind als 2005, der mag recht haben und soll es schreiben.
    Aber bitte auch selbstkritisch die Schwächen der Erkenntnis erklären.
    Das erhöht die Glaubwürdigkeit ungemein, nimmt einigen den Wind von vornherein aus den Segeln und lenkt Sie vielleicht in eine konstruktive Richtung.