Quantenvakuum als Dunkle Energie?

Neues zur Dunklen Energie: Beobachtungen in der Kosmischen Hintergrundstrahlung liefern neue Hinweise darauf, woraus die rätselhafte Dunkle Energie bestehen könnte – die Kraft, die die Ausdehnung unseres Universums vorantreibt. Forscher schließen aus den Beobachtungsdaten, dass die Dunkle Energie durch das sogenannte Quantenvakuum entstehen könnte – eine spezielle Eigenheit des Raums im Quantenmaßstab.

Nach gängiger Theorie sind fast drei Viertel des Kosmos mit einer exotischen Form der Energie, der Dunklen Energie erfüllt. Sie soll dafür verantwortlich, dass sich das Universum ausdehnt – und dies immer schneller. Was aber die Natur dieser geheimnisvollen Gegenkraft zur Gravitation ist, bleibt bisher unbekannt. Den Hypothesen nach könnte es ein unbekanntes Feld sein, dessen Dichte mit der Zeit zunimmt, auch eine Form der Vakuumenergie oder eine geheimnisvolle „Quintessenz“ werden diskutiert.

Weder Quintessenz noch Phantomfeld

Jetzt haben Spyros Basilakos von der Akademie Athen und Joan Solà von der Universität Barcelona neue Hinweise in dieser Frage entdeckt. Sie werteten dafür Daten zweier Raumsonden aus, die die Kosmische Hintergrundstrahlung kartieren, einem Relikt der Strahlung aus der Zeit kurz nach dem Urknall. Aus den Daten der Satelliten Planck und WMAP ergibt sich nach Ansicht der Forscher, dass weder eine Quintessenz noch ein Phantomfeld nötig sind, um die Natur der Dunklen Energie zu erklären.

„Unser theoretische Studie demonstriert, dass die Gleichung zum Zustand der Dunklen Energie ein Quintessenz- oder Phantomfeld simulieren kann, ohne dass in der Realität eines vorliegt“, erklärt Solà. Die Effekte, die man in den Daten von Planck und WMAP sehe, ließen sich am ehesten dadurch erklären, dass die Dunkle Energie ein Effekt des Quantenvakuums sei.

Die Expansion des Universums hat sich beschleunigt - die Triebkraft dafür ist vermutlch die Dunkle Energie. © NASA

Fluktuationen im scheinbaren Nichts

Ein solches Quantenvakuum ist nicht leer, wie der Begriff Vakuum suggeriert. Stattdessen ist nach der Quantentheorie auch der scheinbar leere Raum voller Teilchen, die aber nur kurzzeitig existieren. Diese Partikel tauchen plötzlich auf, nur um Sekundenbruchteile später wieder zu verschwinden. „Nichts ist daher voller als das Quantenvakuum, seine Fluktuationen tragen fundamental zu den Werten bei, die wir beobachten und messen“, so Solà. Und diese Fluktuationen könnten auch die Quelle der Dunklen Energie sein.

Diese Hypothese könnte auch erklären, warum das Universum vor etwa sechs Milliarden Jahren begann, sich immer schneller auszudehnen: Weil die Vakuumenergie eine Eigenschaft des Raumes selbst ist, nimmt sie zu, wenn es mehr Raum gibt. Ab einer bestimmten Expansion hat sich die Dichte der Materie und damit auch die Wirkung ihrer Gravitation so weit vermindert, dass die Dunkle Energie die Übermacht gewinnen konnte.

Allerdings: Bisher liegen grobe Abschätzungen der Stärke dieser Energie des Quantenvakuums weit jenseits der beobachtbaren Effekte. Diese Diskrepanzen räumen auch Basilakos und Solà ein. „Aber die Quintessenz und das Phantomfeld sind noch problematischer, daher wäre eine Erklärung auf Basis des dynamischen Quantenvakuums die einfachere und natürlichere“, so Solà. Klar ist aber: Die Frage, was genau die Dunkle Energie wirklich ist, ist noch weit davon entfernt, beantwortet zu sein. (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, in press; arXiv:1402.6594)

(Plataforma SINC, 28.03.2014 – NPO)