«Big Crunch» – warum das Universum doch in einem Krach enden könnte
«All Things Must Pass» sang Ex-Beatle George Harrison im Jahr 1970, «Alles muss vergehen». Das gilt selbst für das Weltall. Seit der Entdeckung in den 1920er-Jahren, dass das Universum nicht statisch ist, sondern expandiert, wissen wir, dass das All einen Anfang hat. Wie es entstanden ist – oder genauer: wie es sich unmittelbar nach dem Urknall entwickelt hat –, beschreiben die Urknalltheorien. Dieser Urknall, bei dem Raum und Zeit aus einer ursprünglichen Singularität entstanden, liegt 13,8 Milliarden Jahre zurück.
Wie das Universum vergehen wird, ist hingegen weit weniger klar. Die Antwort auf diese Frage hängt nach gegenwärtigem Wissensstand unter anderem davon ab, welche Form und welche Energiedichte das All hat und welchen Einfluss bestimmte hypothetische Faktoren wie die sogenannte Dunkle Energie auf den Lauf der Dinge ausüben. Je nachdem wird die Expansion des Alls weitergehen, sich sogar weiter beschleunigen oder sich umkehren. Daraus ergeben sich unterschiedliche Szenarien, die unter den englischen Begriffen «Big Freeze» (oder «Big Chill»), «Big Rip», «Big Crunch» und «Big Bounce» bekannt sind.
Big Crunch («grosses Zusammenkrachen»)
Derzeit sorgen gleich mehrere neue Beobachtungen – zu ihnen weiter unten mehr – für ein Revival der Big-Crunch-These. Das dramatische Szenario des Big Crunch war bis weit in die 1990er-Jahre Favorit der meisten Astrophysiker: Es handelt es sich um ein geschlossenes, endliches Universum, das positiv gekrümmt ist und in dem die Schwerkraft – die als kosmische Bremse die Expansion des Alls verlangsamt – schliesslich die Oberhand gewinnt. Die Energiedichte der Materie reicht in diesem Fall aus, um die Expansion des Alls aufzuhalten und umzukehren. Die Kontraktion lässt das Universum wieder schrumpfen, zunächst langsam, dann immer schneller. Es wird dichter und heisser, bis die gesamte Materie wie in einer kosmischen Schrottpresse auf engstem Raum zusammengedrückt wird.
Der Druck sprengt die Atome und danach sogar die Atomkerne in subatomare Teilchen. Es entstehen Schwarze Löcher, die zu einem einzigen Schwarzen Loch verschmelzen. Beim finalen Kollaps stürzen schliesslich Materie, Zeit und Raum in einem unendlich kleinen Punkt zusammen – eine Art umgekehrter Urknall. Wie bei diesem handelt es sich beim Big Crunch um eine sogenannte Singularität – eine Situation, in der Dichte und Raumkrümmung unendlich gross sind und die daher mathematisch-physikalisch nicht beschreibbar ist.
• positive Krümmung: Die mittlere Materiedichte im All ist grösser als die kritische Dichte (ca. 3 Wasserstoffatome pro m³). Das Universum ist geschlossen; es ist endlich, aber unbegrenzt. Als Analogie kann man sich die Oberfläche einer Kugel vorstellen, die unbegrenzt, aber nicht unendlich ist.
• negative Krümmung: Die mittlere Materiedichte ist kleiner als die kritische Dichte. Das Universum ist offen; es ist unendlich und unbegrenzt. Als Analogie kann die Oberfläche eines Sattels dienen.
• keine Krümmung: Die mittlere Materiedichte ist gleich der kritischen Dichte. Das Universum ist offen; es ist unendlich und unbegrenzt. Eine mögliche Analogie für das «flache» Weltall ist ein Blatt Papier.
Big Bounce («grosser Rückprall»)
Wenn man den Big Crunch als umgekehrten Urknall («Big Bang») betrachtet, könnte man auf die Idee kommen, dass auf die Kontraktion eine erneute Expansion folgen könnte – auf jeden Big Crunch also ein neuer Big Bang. Damit entwirft dieses Szenario namens «Big Bounce» ein zyklisches oder oszillierendes Universum. Dabei ergibt sich jedoch das Problem der Singularität, die ausserhalb der Raumzeit steht und dadurch verhindert, dass überhaupt ein «Davor» denkbar ist.
Einige Vertreter der Big-Bounce-Theorie umgehen dieses Problem dadurch, dass sie annehmen, Masse, Zeit und Raum würden beim Kollaps des Vorgängeruniversums auf einen winzigen Punkt zusammengedrängt, der aber nicht ausdehnungslos ist. Bevor die Singularität eintritt, sorgen Quanteneffekte dafür, dass die Gravitation sich von einer anziehenden in eine abstossende Kraft wandelt – die Kontraktion schlägt in Expansion um. Der Big Bounce ist freilich derzeit unter Astrophysikern wenig populär.
Big Freeze («grosses Einfrieren»)
Ab den späten 1990er-Jahren überflügelte das düstere Big-Freeze-Szenario die bis dahin dominierende Big-Crunch-These. Der Grund dafür war die Entdeckung im Jahr 1998, dass das Universum seit 6,1 Milliarden Jahren sogar beschleunigt expandiert. Diese unerwartete Beobachtung, die 2011 mit dem Nobelpreis honoriert wurde, führten die Astrophysiker auf eine noch unbestimmte Dunkle Energie zurück – eine mysteriöse Kraft, von der man annimmt, dass sie die Expansion des Universums antreibt.
Das Big-Freeze-Szenario, auch unter den Bezeichnungen «Big Chill» («grosse Kühle») oder «Big Whimper» («grosses Wimmern») bekannt, ist bedeutend weniger spektakulär als Big Crunch. Es handelt sich entweder um ein offenes, negativ gekrümmtes oder um ein offenes, flaches Universum, das sich in beiden Fällen immer weiter ausdehnt und nicht mehr zusammenzieht.
Die Folgen der steten Expansion sind unerfreulich: Der Abstand zwischen den Sternen und Galaxien wird immer grösser und das Universum kühlt sich ab. Nach Billionen von Jahren ist nicht mehr genug Gas vorhanden, aus dem neue Sterne entstehen können; den bestehenden Sternen geht der Brennstoff aus und sie verlöschen. Von der Erde aus gesehen, würde ein Stern nach dem anderen vom Nachthimmel verschwinden. Nach etwa hundert Billionen Jahren gibt es nur noch ausgebrannte Sterne, kalte, leblose Planeten und Schwarze Löcher.
Möglicherweise werden danach auch die Protonen zerfallen und damit wird alle Materie in Strahlung umgesetzt; einzig die Schwarzen Löcher könnten noch eine Weile – stets weiter voneinander entfernt im immer noch expandierenden All – bestehen bleiben. Schliesslich werden auch sie durch den Effekt der Hawking-Strahlung verdampfen. In 10200 Jahren bleibt nur noch ein trostloses, leeres Universum mit einer geringfügigen Strahlung übrig, dessen Temperatur nur äusserst knapp über dem absoluten Nullpunkt liegt.
Big Rip («grosses Zerreissen»)
Big Rip ist quasi die Radikal-Version von Big Freeze. Auch in diesem Szenario kann die Gravitation die Expansion des Universums nicht umkehren – beim Big Rip nimmt die Beschleunigung der Expansion vielmehr immer mehr zu, da die Dunkle Energie hier die bizarre Form der Phantom-Energie annimmt. Sie überwältigt dann den Einfluss der vier Grundkräfte der Physik – Gravitation, Elektromagnetismus, schwache sowie starke Wechselwirkung – komplett.
Beginnend bei den grössten Strukturen, den Galaxienhaufen, zerreisst die Dunkle Energie das Universum, bis schliesslich nach den Sternen und Planeten selbst die Atome und Elementarteilchen auseinandergerissen werden. Da die Katastrophe also gewissermassen von aussen nach innen verläuft, könnte ein hypothetischer Beobachter dem Vernichtungswerk bei stetig schrumpfendem Beobachtungshorizont zusehen, bis er selber an der Reihe wäre. Dieser Vorgang, der dem Weltall in der kosmologisch relativ kurzen Zeit von 35 bis 50 Milliarden Jahren den Garaus macht, endet in einer Singularität, die in Analogie zum Urknall mitunter auch «Endknall» genannt wird.
Schwächelt die Dunkle Energie?
Das Big-Freeze-Szenario – und auch der verwandte Big Rip – sind jedoch durch jüngste Messungen des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) infrage gestellt. Das Forschungsinstrument im US-Bundesstaat Arizona kann elf Milliarden Jahre zurückblicken und das Wirken der Dunklen Energie über den Grossteil der bisherigen Geschichte unseres Universums rekonstruieren. Gemäss den Anfang Jahr publizierten DESI-Messungen ist die Dunkle Energie nicht konstant stark und könnte in jüngster Zeit sogar schwächer geworden sein.
In dieselbe Kerbe schlägt nun auch eine Studie, die diesen Monat in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society erschienen ist: Die Beobachtungen der Astronomen, die hinter dieser Arbeit stehen, deuten darauf hin, dass die Dunkle Energie mit der Zeit schwächer wird. «Unsere Studie zeigt, dass das Universum in der heutigen Zeit bereits in eine Phase der verlangsamten Expansion eingetreten ist und dass sich die Dunkle Energie mit der Zeit viel schneller entwickelt als bisher angenommen», sagte Young-Wook Lee von der Yonsei-Universität in Südkorea, der die Arbeit leitete, dem Guardian. «Wenn sich diese Ergebnisse bestätigen, würde dies einen bedeutenden Paradigmenwechsel in der Kosmologie seit der Entdeckung der Dunklen Energie vor 27 Jahren bedeuten.»
Die neue Studie stellt die Zuverlässigkeit jener Beobachtungen von entfernten Supernovae vom Typ Ia infrage, die zur Entdeckung der Dunklen Energie führten. Deren ausgestrahltes Licht galt als einzigartig gleichmässig, sodass sie als «Standardkerzen» dienen konnten, deren Helligkeit als Mass für ihre Entfernung diente. So konnten Astronomen messen, wie schnell sich verschiedene Teile des Universums entfernten, indem sie die Rotverschiebung (die Dehnung des Lichts aufgrund der Expansion des Universums) von Supernovae im gesamten Kosmos massen. Dabei stellten sie fest, dass entfernte Supernovae schwächer leuchteten, als für ein Universum zu erwarten war, dessen Expansion sich verlangsamte.
Die Wissenschaftler schlossen daraus, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt hatte – und sich weiterhin beschleunigte. Das Forschungsteam um Lee kam jedoch auf eine alternative Erklärung. Es schätzte das Alter von 300 Galaxien, die solche Supernovae beherbergen, mit einer anderen Methode und kam zum Schluss, dass Sterne im frühen Universum andere Eigenschaften haben und daher im Durchschnitt schwächere Supernovae erzeugen. Ihre Analyse ergibt zwar immer noch ein expandierendes Universum, deutet aber darauf hin, dass sich die Expansion verlangsamt hat und die Dunkle Energie abnimmt. Falls sie so weit abnimmt, dass sie negativ wird, wird sich das Universum wieder zusammenziehen und in einem Big Crunch enden.
Big Crunch in 20 Milliarden Jahren?
Die neue Studie dürfte in der Gemeinde der Kosmologen auf grosse Skepsis stossen. Doch die erwähnten DESI-Messungen sind unabhängig davon auf ein ähnliches Resultat gekommen. Und eine im September im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics erschienene Studie kommt sogar zum Schluss, dass das Universum sich nach einer Phase der Expansion wieder zusammenziehen und in einem Big Crunch enden wird.
Das Forschungsteam um Henry Tye von der Cornell University hat ein theoretisches Modell aktualisiert, das unter anderem die sogenannte Kosmologische Konstante beinhaltet. Dieses Konzept, das zuerst von Albert Einstein vorgeschlagen wurde, beschreibt die Expansion des Universums. Die Kosmologische Konstante und die Dunkle Energie hängen eng zusammen und werden oft synonym verwendet.
«In den letzten 20 Jahren glaubten die Menschen, dass die kosmologische Konstante positiv ist und sich das Universum für immer ausdehnen wird», erklärt Tye in einer Mitteilung der Universität. «Die neuen Daten scheinen darauf hinzudeuten, dass die Kosmologische Konstante negativ ist und dass das Universum in einem grossen Knall enden wird.» Die Zukunft des Universums hängt demnach vom Wert der Kosmologischen Konstante ab: Ist er positiv, geht die Expansion unendlich lange weiter. Ist er aber negativ, wird das Universum eine Maximalgrösse erreichen und danach wieder anfangen zu schrumpfen.
Die Berechnungen des Forschungsteams legen das letztere Szenario nahe: Das Universum soll demnach noch weitere 11 Milliarden Jahre expandieren, bevor es sich wieder zusammenzieht und in etwa 20 Milliarden Jahren in einem Big Crunch endet. Die Daten, die das Team für seine Berechnungen verwendet hat, stammen aus Berichten des Dark Energy Survey (DES) in Chile und des DESI.
«Es wurde bereits zuvor gesagt, dass das Universum irgendwann kollabieren wird, wenn die Kosmologische Konstante negativ ist. Das ist nichts Neues», stellt Tye fest. «Dieses Modell sagt Ihnen jedoch, wann das Universum kollabiert und wie es kollabiert.» Wie dem auch sei – dannzumal wird es schon längst kein Leben mehr auf der Erde geben.
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