Dunkle Energie: Die Kraft hinter 68 % des Universums

Etwa 68 % von allem, was existiert, ist etwas, das noch kein Instrument je direkt nachgewiesen hat: die Dunkle Energie. Kosmologen setzen den Anteil der Dunklen Materie derzeit auf 27 % und den der gewöhnlichen Atome – den Stoff, aus dem Sterne, Planeten und Menschen bestehen – auf lediglich 5 %. Obwohl sie alles andere zusammen überwiegt, blieb die Dunkle Energie bis in die letzten Jahre des zwanzigsten Jahrhunderts unbenannt und unbemerkt.

Das änderte sich 1998, als zwei rivalisierende Teams bei der Untersuchung explodierender Sterne herausfanden, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt statt verlangsamt. Das Ergebnis war so unerwartet, dass es Physiker zu einer Idee zurückführte, die Albert Einstein Jahrzehnte zuvor eingeführt und dann wieder verworfen hatte.

Dieser Artikel geht durch, was diese Beobachtungen tatsächlich zeigten, wie das älteste Licht des Universums sie bestätigt, und warum die Erklärung der Dunklen Energie immer noch als eines der schwierigsten offenen Probleme der Physik gilt.

Die Aufteilung 68/27/5 ist die derzeit beste Bilanz der Kosmologie über alles, was existiert, und sie wird mit besseren Instrumenten laufend verfeinert. Daten des Planck-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) setzten den Anteil der Dunklen Materie auf 26,8 % – fast ein Fünftel höher, als frühere Schätzungen nahelegten – ein Zeichen dafür, dass selbst die „gesicherten" Zahlen der Kosmologie noch bewegliche Ziele sind.

Das Seltsame an der Dunklen Energie ist, wie sie das kosmische Budget dominiert, obwohl sie kaum vorhanden ist. Ihre Dichte liegt bei etwa 7×10⁻³⁰ Gramm pro Kubikzentimeter, was ungefähr 6×10⁻¹⁰ Joule pro Kubikmeter an Masse-Energie entspricht – weit unter dem, was gewöhnliche Materie oder Dunkle Materie erreichen, wenn sie in einer Galaxie konzentriert sind. Sie gewinnt die Bilanz nicht, weil sie irgendwo konzentriert wäre, sondern schlicht, weil sie überall gleichzeitig vorhanden ist, sodass ihre Gesamtwirkung mit dem Universum selbst wächst.

Lange bevor jemand eine Beschleunigung maß, hatte Einstein bereits das mathematische Werkzeug entwickelt, das sie später beschreiben sollte. Er fügte seinen Gravitationsgleichungen einen zusätzlichen Term hinzu, speziell um ein statisches, unveränderliches Universum zuzulassen – die damals gängige Annahme seiner Zeit. Als spätere Beobachtungen zeigten, dass sich der Kosmos stattdessen ausdehnt, verwarf Einstein seine eigene Korrektur und bezeichnete sie als Fehler.

Dieser aufgegebene Term geriet weitgehend in Vergessenheit, bis der Kosmologe Michael S. Turner das Konzept unter einem neuen Namen wiederbelebte. In einem 1998 zusammen mit Saul Perlmutter und Martin White verfassten Artikel prägte Turner den Begriff „Dunkle Energie" für die Kraft, die die neu entdeckte Beschleunigung antrieb – und rehabilitierte damit genau jene Idee, die Einstein verworfen hatte.

Der Durchbruch kam 1998, als zwei rivalisierende Gruppen – auf der einen Seite das Supernova Cosmology Project, auf der anderen das High-Z Supernova Search Team – unabhängig voneinander weit entfernte Supernovae vom Typ Ia nutzten, um zu verfolgen, wie sich das Tempo der kosmischen Expansion über Milliarden von Jahren verändert hat.

Diese besonderen Supernovae sind zuverlässige kosmische Maßstäbe, weil sie so konsistent explodieren. Sie entstehen, wenn die Masse eines Kohlenstoff-Sauerstoff-Weißen Zwergs auf etwa 1,44 Sonnenmassen ansteigt – die Schwelle, ab der sich der Stern nicht mehr selbst tragen kann. Da diese Grenze von Stern zu Stern nahezu identisch ist, erreichen die entstehenden Explosionen eine vergleichbare Spitzenhelligkeit, was beiden Teams erlaubte, sie zur Entfernungsbestimmung zu nutzen. Als diese Entfernungen mit der Rotverschiebung des Lichts verglichen wurden, ergaben die Zahlen nur Sinn, wenn sich die Expansion selbst beschleunigte.

Die Geschichte der Dunklen Energie führt auch durch das älteste Licht, das Astronomen beobachten können. Die kosmische Hintergrundstrahlung wurde 1965 vollkommen zufällig entdeckt, als zwei Forscher der Bell Labs, Arno Penzias und Robert Wilson, einer Quelle von Funkstörungen nachjagten und dabei stattdessen auf ein schwaches Glühen stießen, das den gesamten Himmel bedeckte.

Dieses Glühen ist eine Momentaufnahme des Kosmos von etwa 375.000 Jahren nach seinem Beginn, aus einer Zeit, als alles noch eine heiße, dichte Suppe aus Teilchen war. Während sich der Raum seither ausgedehnt hat, hat sich auch das Licht selbst gedehnt und ist auf Mikrowellenwellenlängen abgekühlt, die heute nur noch 2,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt entsprechen. 1992 stellte der Cosmic-Background-Explorer-Satellit der NASA fest, dass dieses Glühen nicht vollkommen gleichmäßig ist – es weist winzige Temperaturschwankungen über den Himmel auf, und das immer präzisere Kartieren dieser Schwankungen führte die Kosmologen letztlich zu dem heutigen 68/27/5-Rezept.

Zu wissen, dass die Dunkle Energie existiert, ist eine Sache; zu erklären, was sie tatsächlich ist, bleibt weit schwieriger. Eine führende Idee betrachtet sie als die intrinsische Energie des leeren Raums, das Vakuum, wie es die Quantenfeldtheorie beschreibt. Das Problem ist, dass das Ergebnis, wenn Physiker berechnen, wie viel Energie dieses Vakuum tragen sollte, das tatsächlich Beobachtete um etwa 120 Größenordnungen übersteigt – eine so gewaltige Lücke, dass manche Forscher sie als die ungenaueste Berechnung der Physikgeschichte einstufen. Keine Anpassung der Mathematik hat diese Lücke bislang geschlossen, was ein wesentlicher Grund dafür ist, dass die Dunkle Energie weiterhin als ungelöstes Problem behandelt wird.

Wenn die Dunkle Energie nicht real ist, muss etwas anderes die Beschleunigung erklären – und die führende Alternative besagt, dass Einsteins eigene Gravitationstheorie bei ausreichend großen Entfernungen versagt, sodass sich der Raum schneller ausdehnt, als die Schwerkraft ihn zurückhalten kann. Diese Möglichkeit auszuschließen dauerte Jahrzehnte und wurde erst möglich, als Astronomen Gravitationswellen direkt messen konnten.

GW170817, die erste Gravitationswelle, die auch durch nicht-gravitative Beobachtungen genau bestimmt wurde, erlaubte es Physikern, die Geschwindigkeit der Schwerkraft präzise genug zu bestimmen, um viele der modifizierten Gravitationstheorien auszuschließen, die als Alternativen zur Dunklen Energie vorgeschlagen worden waren.

Die Geschichte ist noch nicht abgeschlossen. Die Kollaboration des Dark Energy Spectroscopic Instrument berichtete im März 2025, dass die Stärke der Dunklen Energie möglicherweise nicht konstant ist. Durch die Kombination der Daten zu baryonischen akustischen Oszillationen des Instruments mit Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung, Schwachlinsen-Durchmusterungen und Supernova-Katalogen fand das Team Hinweise auf eine Dunkle Energie, die sich mit der Zeit verändert, mit einer statistischen Signifikanz, die je nach kombinierten Datensätzen zwischen 2,8 und 4,2 Sigma lag.

Dieses Ergebnis ist faszinierend, aber noch nicht endgültig gesichert, sodass die wahre Natur der Dunklen Energie Jahrzehnte nach Turners erster Namensgebung eine offene Frage bleibt.

• NASA: WMAP-Überblick
• ESA: Planck enthüllt ein fast perfektes Universum
• Phys.org: Die Suche nach der Lösung des Rätsels um Einsteins Theorie
• Scientific American: Das Ende der Kosmologie?
• Wikipedia: Dunkle Energie
• Wikipedia: Beschleunigte Expansion des Universums
• Wikipedia: Kosmologische Konstante
• Wikipedia: Supernova Typ Ia