Wird das Universum auseinandergerissen? Der Übeltäter könnte das leere Vakuum sein!

Vielleicht ist das leere Vakuum der Schuldige für die Ausdehnung des Universums?

Ein mit dunkler Energie gefülltes Vakuum könnte die Ausdehnung des Universums verursachen

Hier abgebildet ist eine künstlerische Darstellung des kosmischen Netzes. Seine Struktur ähnelt einem riesigen Spinnennetz mit zahlreichen violetten und einigen orangefarbenen Fäden auf schwarzem Hintergrund. (Bildnachweis: Volker Springel et al., Max-Planck-Institut für Astrophysik)

Neue Forschungsergebnisse legen nahe, dass riesige Flächen fast völlig leeren Raums, die den größten Teil des Universums ausmachen, möglicherweise für eine beschleunigte Ausdehnung des Universums verantwortlich sind. Dies bedeutet, dass diese riesigen Mengen an leerem Raum die Existenz dunkler Energie erklären könnten, einer mysteriösen Kraft, die das Universum auseinanderreißt.

Willkommen in der Welt des Vakuums

Würde man die gesamte Materie im Sonnensystem und der Milchstraße entfernen, würde man ein interessantes Phänomen entdecken: das kosmische Netz, die größte Struktur der Natur. In diesem Maßstab ist sogar eine ganze Galaxie nur ein Punkt einer Lichtstruktur. Die von ihnen beobachteten langen, dünnen Stränge bezeichnen Astronomen als filamentartige Strukturen, die dichteren Stränge als Clusterstrukturen, wobei der Raum zwischen ihnen fast völlig leer ist. Diese Räume sind riesige kosmische Vakua. Der kleinste Hohlraum ist 20 Millionen Lichtjahre lang, der größte Raum mehr als 160 Millionen Lichtjahre.

Das Vakuum nimmt, wie die Lücken in einem Spinnennetz, den größten Teil des Volumens des Universums ein, obwohl es fast leer ist. Tatsächlich ist das kosmische Vakuum neben dem kosmischen Netz, das sich bis zum Ende des beobachtbaren Universums erstreckt, auch das größte Ding im Universum.

Energie der Leere

Ende der 1970er Jahre entdeckten Astronomen erstmals das kosmische Vakuum, doch das Ergebnis wurde seitdem ignoriert. Stattdessen konzentrierten sich Astronomen und Kosmologen damals vor allem auf die Erforschung der physikalischen Struktur des sichtbaren Teils des Universums, beispielsweise von Galaxien und Sternhaufen. Durch diese Studien entdeckten Astronomen in den 1990er Jahren eine Überraschung: dunkle Energie.

Die Dunkle Energie verdankt ihren Namen der beschleunigten Expansion des beobachtbaren Universums. Dies bedeutet, dass sich das Universum nicht nur jeden Tag ausdehnt, sondern auch immer schneller.

Die Astronomen dieser Zeit hatten keine Ahnung, warum sich die Ausdehnung des Universums beschleunigte, außer dass sie vor etwa 5 Milliarden Jahren begann. Daher der Begriff „Dunkle Energie“ – ein riesiges kosmologisches Rätsel mit einem coolen Namen.

Welche Beziehung besteht zwischen Vakuum und dunkler Energie? Erstens sind die Auswirkungen der beschleunigten Expansion innerhalb von Sternsystemen oder Galaxien nicht spürbar, da die Gravitationskraft zwischen Materie viel stärker ist. Beispielsweise werden weder unser Sonnensystem noch die Milchstraße aufgrund der dunklen Energie größer, aber da der Raum zwischen der Materie fast völlig leer ist, ist er anfälliger für diese Ausdehnung. Daher ist es äußerst wichtig, die Eigenschaften dieser beschleunigten Expansion dort zu untersuchen, wo der Expansionseffekt am stärksten ist.

Ein neues Forschungspapier, das von einem Team iranischer theoretischer Physiker veröffentlicht wurde, hat diese Idee weiterentwickelt. In diesem Artikel, der im Juli in der Datenbank arXiv vorab veröffentlicht und schließlich in den Monthly Notices of the Royal Astronomy: Letters veröffentlicht wurde, argumentierten die Autoren, dass dunkle Energie nicht im Vakuum gefunden werde, sondern dass das Vakuum die Entstehung dunkler Energie verursache.

Im Dunkeln

Wie bewirken diese riesigen Vakuumbereiche eine beschleunigte Expansion des Universums? Laut dem Autor liegt die Antwort nicht nur darin, dass das kosmische Vakuum existiert, sondern auch darin, dass das Vakuum Energie erzeugt.

Das kosmische Vakuum existiert nicht nur, sondern ist wie andere große Strukturen im Universum langsam von einem niedrigeren Ausgangspunkt zu seiner heutigen riesigen Struktur gewachsen. Vor Milliarden von Jahren war die gesamte Materie im Universum gleichmäßig verteilt und wies an verschiedenen Orten ähnliche Dichten auf. Mit der Zeit begannen Bereiche mit mehr Materie mehr Materie anzuziehen als Bereiche mit gleichmäßiger verteilter Materie. Da sich in diesen Bereichen immer mehr Materie ansammelte, wurde die Schwerkraft stärker und die Wachstumsrate beschleunigt. Im Laufe von Milliarden von Jahren sammelte sich Materie an und bildete Galaxien, Sterngruppen und Sternhaufen.

Bei der Herstellung dieser Art strukturierter Materie wird der Vakuumbereich allmählich größer. Doch anstatt es als passiven Prozess zu betrachten, können wir das Wachstum des Vakuums messen, indem wir den Druck messen, den es auf die umgebende Materie ausübt. Wenn beispielsweise der Vakuumbereich größer wird, werden die Grenzen der Galaxien allmählich dünner, bis sie verschwinden und das gesamte Vakuum miteinander verschmilzt. Im Laufe der nächsten Milliarden Jahre wird das Vakuum das kosmische Netz auflösen und die gesamte Materie in Vakuumcluster von Hunderten Millionen Lichtjahren Länge aufspalten.

Dieser Druck kann, wie alle andere Materie und Energie im Universum, das Vakuum von Raum und Zeit verzerren. Die Verzerrung von Raum und Zeit führt dazu, dass die Vakuumausdehnung die Grenzen der Galaxien verschiebt und zu ihrer Trennung führt.

Die Autoren fanden heraus, dass alle großräumigen Vakua im Universum zusammen das kosmische Netz auflösen und so eine beschleunigte Expansion des Universums verursachen. Diese beschleunigte Ausdehnung der vakuumgetriebenen Kraft entspricht der aktuellen Hypothese der dunklen Energie.

Um diesen Punkt zu beweisen, müssen die Astronomen noch weitere Forschungen durchführen. Einerseits benötigen wir mehr Vakuummessungen, um den Gesamtdruck, der durch das Vakuum erzeugt wird, besser berechnen zu können, und andererseits müssen wir mehr über die dunkle Energie wissen, insbesondere darüber, ob sich ihre Energie in den letzten Milliarden Jahren verändert hat. Alternativ gibt es eine interessante Idee: Vielleicht wird dunkle Energie nicht durch irgendeine externe Kraft oder einen externen Prozess im Universum erzeugt, sondern ist einfach ein Nebenprodukt der normalen Entwicklung des kosmischen Vakuums.

Dieser Artikel erschien zuerst in der Zeitschrift Life Sciences.

VON: Paul Sutter

FY: Alle möglichen Dinge

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