Wird das Universum dicker? Die beschleunigte Expansion des Universums könnte durch „Supernovae“ verursacht werden …

In den späten 1920er Jahren entdeckte Edwin Hubble, dass die Fluchtgeschwindigkeit von Galaxien proportional zu ihrer Entfernung von der Erde ist. Dabei handelt es sich um das berühmte „Hubble-Gesetz“, das besagt, dass das Universum nicht statisch ist, sondern sich ständig ausdehnt. Diese Entdeckung ist einer der wichtigsten Beweise für die Urknalltheorie.

Doch Astronomen gehen seit langem davon aus, dass sich die Ausdehnung des Universums verlangsamt. Doch erst gegen Ende des letzten Jahrhunderts machten Astronomen eine erstaunliche Entdeckung, die die wissenschaftliche Gemeinschaft wie eine Bombe schockierte: Das Universum dehnt sich wahrscheinlich immer schneller aus.

Um zu erklären, warum sich das Universum immer schneller ausdehnt, müssen wir mit „Supernovas“ beginnen, genauer gesagt mit Supernovas vom Typ Ia. Dabei handelt es sich um einen besonderen Typ Supernova, deren Explosionsmechanismus eine nahezu gleichmäßige Spitzenleuchtkraft bewirkt und daher als „Standardkerzen“ verwendet werden kann. Astronomen messen die Entfernung von der Erde, indem sie die scheinbare Helligkeit von Supernovas vom Typ Ia in unterschiedlichen Entfernungen beobachten und ihre bekannten absoluten Helligkeiten mit der Entfernungsmodulformel kombinieren. In den späten 1990er Jahren versuchten zwei Teams, ihre Schätzung der Hubble-Konstante durch die Beobachtung von Supernovas vom Typ Ia zu verfeinern. Die Hubble-Konstante ist eine wichtige physikalische Größe, die die Expansionsrate des Universums beschreibt. Es stellt die proportionale Beziehung zwischen der Fluchtgeschwindigkeit von Galaxien und ihrer Entfernung dar. Ursprünglich dachten sie, dass sie durch diese Forschung erkennen könnten, wie viel schneller die Expansion des Universums in der Vergangenheit im Vergleich zu heute war. Denn zuvor waren sich die Wissenschaftler einig, dass sich das Universum zu Beginn des Urknalls zu schnell ausdehnte und die Schwerkraft keine Zeit hatte, es zurückzuhalten. In den langen darauffolgenden Jahren holte die Schwerkraft auf und versuchte, die Ausbreitung zu verlangsamen. Als sie jedoch die weit entfernten Galaxien, in denen Supernovas vom Typ Ia vorkommen, mit ähnlichen Studien nahegelegener Galaxien verglichen, waren sie von den Ergebnissen überrascht. Im Jahr 1998 stellten die beiden Teams fest, dass ihre Beobachtungen darauf hindeuteten, dass sich das Universum in der fernen Vergangenheit langsamer ausgedehnt hatte. Das heißt, das Universum dehnt sich heute schneller aus als in der Vergangenheit, was wir als eine Beschleunigung der Expansion des Universums verstehen können.

Nach dem Hubble-Gesetz ist die Fluchtgeschwindigkeit von Galaxien proportional zu ihrer Entfernung von der Erde. Die Rezessionsgeschwindigkeit kann durch die Rotverschiebung des Galaxienspektrums bestimmt werden. Je größer die Rotverschiebung, desto schneller ist die Galaxienflucht. Bei Beobachtungen einer großen Zahl von Supernovas wurde festgestellt, dass die Rotverschiebung der Supernova umso größer ist, je weiter sie entfernt ist. Weiter entfernte Supernovas sind schwächer und weisen größere Rotverschiebungen auf als erwartet, was bedeutet, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt.

Was also ist die mysteriöse Kraft hinter der beschleunigten Expansion des Universums? Dies ist zu einem der dringendsten Rätsel der modernen Physik geworden. Gemäß der traditionellen Theorie der Materie und der Schwerkraft, das heißt gemäß der bekannten Schwerkraft, die durch gewöhnliche Materie und dunkle Materie erzeugt wird, müsste sich das Universum unter dem Einfluss der Schwerkraft mit einer allmählich abnehmenden Geschwindigkeit ausdehnen und könnte schließlich sogar schrumpfen. Daher spekulieren Wissenschaftler, dass es eine beispiellose mysteriöse Energie mit antigravitativen Eigenschaften gibt, die die Gravitationskraft zwischen Materie überwinden und die beschleunigte Expansion des Universums vorantreiben kann. Diese mysteriöse Energie wird „Dunkle Energie“ genannt.

Was genau ist dunkle Energie? Es gibt noch keine Schlussfolgerung. Wissenschaftler spekulieren, dass es etwa 68 % der gesamten Masse-Energie des Universums ausmacht. Nach dem gegenwärtigen Verständnis der Physik ist dunkle Energie keine Materie. Es handelt sich um eine mysteriöse Energieform, die sich grundlegend von Materie unterscheidet. Es kann nicht direkt beobachtet werden und seine Existenz kann nur indirekt durch seinen Einfluss auf die Expansion des Universums erschlossen werden.

Die Ansicht, dass sich das Universum mit zunehmender Geschwindigkeit ausdehnt, ist weithin anerkannt. Dies geht aus den meisten aktuellen Beobachtungsdaten und theoretischen Modellen hervor. Allerdings bestehen weiterhin einige Unsicherheiten und Kontroversen. Erstens sind alle Methoden zur Beobachtung der Ausdehnung des Universums mit gewissen Fehlern behaftet. Beispielsweise können Supernova-Beobachtungen durch interstellaren Staub beeinflusst werden, der Licht absorbiert und streut, wodurch sich die Helligkeit der beobachteten Supernova ändert und es zu ungenauen Entfernungsschätzungen kommt. Und obwohl das Dunkle-Energie-Modell die beschleunigte Expansion des Universums erklären kann, bleibt die Natur der Dunklen Energie ein großes Rätsel. Darüber hinaus konnte die Dunkle Energie bisher nicht direkt nachgewiesen werden, was einige Wissenschaftler hinsichtlich der Erklärung der beschleunigten Expansion des Universums vorsichtig macht.

Viele Menschen fragen sich vielleicht: Wird sich das Universum weiter ausdehnen? Was wird das endgültige Schicksal des Universums sein? Tatsächlich kann die wissenschaftliche Gemeinschaft diese Fragen zum jetzigen Zeitpunkt nicht genau beantworten und kann nur einige Möglichkeiten für die Zukunft des Universums aufzeigen.

Die derzeit vorherrschende Ansicht ist, dass sich das Universum aufgrund der Existenz dunkler Energie weiter ausdehnen wird. Wenn die dunkle Energie weiterhin dominiert, wird sich das Universum mit unendlich zunehmender Geschwindigkeit weiter ausdehnen. In ferner Zukunft werden die Entfernungen zwischen den Galaxien so groß werden, dass ihre Gravitationsverbindung untereinander vollständig unterbrochen wird. Die Sterne werden einer nach dem anderen ihren Brennstoff verbrennen und schließlich erlöschen, und das Universum wird in endlose Dunkelheit und Kälte versinken. Dies ist das sogenannte „Big Freeze“-Ende.

Wenn sich die Eigenschaften der Dunklen Energie jedoch unerwartet ändern, etwa wenn ihre Energiedichte plötzlich abnimmt oder sich in Gravitationsanziehungseigenschaften umwandelt, verläuft der Entwicklungspfad des Universums völlig anders. Es ist möglich, dass das Universum in einen Zustand verlangsamter Expansion zurückkehrt oder sogar beginnt, sich zusammenzuziehen, und dass sich schließlich alle Materie wieder zusammenballt und einen „großen Kollaps“ auslöst, der das Gegenteil des Urknalls ist. Das Universum wird in seinen ursprünglichen Singularitätszustand zurückkehren und auf den nächsten „Reinkarnations“-Ausbruch warten.

Eine weitere, extremere Möglichkeit ist der „Big Rip“, bei dem die abstoßende Kraft der dunklen Energie immer stärker wird und schließlich Galaxien, Sterne und sogar Atome auseinanderreißt und das Universum vollständig zerfällt.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, ob sich das Universum weiter ausdehnt, ob es zu einem „großen Einfrieren“, einem „großen Kollaps“ oder einem „großen Riss“ kommt. Diese Vorhersagen basieren lediglich auf aktuellen kosmologischen Theorien und Beobachtungsdaten, es besteht jedoch immer noch eine große Unsicherheit. Diese Vorhersagen können sich im Zuge der zukünftigen wissenschaftlichen Entwicklung ändern.

Da wir heute fast nichts über dunkle Energie wissen und manche sogar spekulieren, dass dunkle Energie möglicherweise gar nicht existiert, wissen wir wirklich nicht, ob sich das Universum in ferner Zukunft weiter ausdehnen wird und welchen Weg es mit dem Universum einschlagen wird. Vielleicht gelingt es uns eines Tages, das Geheimnis der dunklen Energie zu lösen. Nur dann werden wir in der Lage sein, die Natur der kosmischen Expansion vollständig zu verstehen und das endgültige Schicksal des Universums vorherzusagen.

Autor: Sterne werden Licht

Gutachter: Li Mingtao, Forscher am National Space Science Center der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

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