Dass sich das Universum ausdehnt, wissen die Forscher, seit der US-Astronom Edwin Hubble 1929 die sogenannte Nebelflucht entdeckte. Er hatte herausgefunden, dass sich die Galaxien fast ausnahmslos von unserer Milchstraße entfernen – und zwar umso schneller, je weiter sie weg sind. Genau genommen erweitert sich der Raum und trägt dabei die Sterneninseln davon. Das gleicht dem Teig eines Kuchens: Wenn dieser im Ofen aufgeht, bewegen sich eingestreute Rosinen darin voneinander weg.

Offenbar dehnt sich das All aber mit zwei Geschwindigkeiten aus: In der Frühzeit, kurz nach dem Urknall, der vor 13,8 Milliarden Jahren stattfand, verlief die Expansion deutlich langsamer als heute. Das ergab sich aus Messdaten der Raumsonde „Planck“ der europäischen Raumfahrtagentur Esa sowie des Hubble-Weltraumteleskops. Was den Unterschied verursacht, ist den Forschern jedoch ein Rätsel. Mit herkömmlicher Physik lässt es sich nicht erklären.

Grundlage für die Berechnung ist die sogenannte Hubble-Konstante. Sie gibt an, mit welchem Tempo das All auseinanderfliegt. Gemessen wird sie in Kilometern pro Sekunde und Megaparsec. Ein Megaparsec umfasst 3,26 Millionen Lichtjahre. Mit jedem Megaparsec Abstand von der Milchstraße nimmt die Fluchtgeschwindigkeit ferner Galaxien also um den ermittelten Wert zu.

Etwa 74 Kilometer pro Sekunde

Hubble selbst hatte errechnet, dass sich eine Galaxie, die 3,26 Millionen Lichtjahre von uns entfernt ist, in jeder Sekunde um 500 Kilometer von uns entfernt. Eine 6,52 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie dagegen ist doppelt so schnell. Der Wert erwies sich aber als über siebenmal zu hoch. Nach dem Start des Hubble-Weltraumteleskops 1990 konnten die Kosmologen den Fehler auf zehn Prozent eingrenzen.

Der nächste Schritt erfolgte 2016. Eine Forschergruppe um den Nobelpreisträger Adam Riess von der Johns Hopkins University in Baltimore, USA, hatte die Entfernungen zu einzelnen Sternen gemessen, die sich in 19 Galaxien befinden. Dabei handelte es sich um veränderliche Sterne – sogenannte Cepheiden – und Sterne, die in einer bestimmten Art von Supernova-Explosion verglühen. Ihre absolute Helligkeit ist nahezu konstant, deshalb gelten sie in der Astronomie als „Standard-Kerzen“. Durch Messungen lässt sich ermitteln, wie schnell sie sich entfernen. Aus den Daten errechneten Riess und seine Kollegen 73,02 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec als neuen Wert für die Hubble-Konstante. Also nicht 500 Kilometer, wie Hubble berechnet hatte.

Aber die Forscher um Riess hatten ein Problem: Ihr Wert wich um fünf bis neun Prozent von Daten aus dem frühen Universum ab. Diese stammen von der Sonde „Planck“ der europäischen Raumfahrtagentur Esa. Sie maß die kosmische Hintergrundstrahlung, die etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall freigesetzt wurde. Daraus ergab sich ein Wert von 67,4 Kilometern pro Sekunde und Megaparsec. Die Diskrepanz lässt nur eine Schlussfolgerung zu: Im Lauf der Äonen nahm die Expansionsrate zu, so dass sich das All heute schneller ausdehnt als in seiner Urzeit.

Aufregendste Entwicklung in der Kosmologie

Jüngst legte Riess eine weitere Studie vor, die das Rätsel noch vertiefte. Mit dem Hubble-Weltraumteleskop hatte er 70 pulsierende Cepheiden in der Großen Magellanschen Wolke beobachtet. Diese Zwerggalaxie begleitet die Milchstraße in 162.000 Lichtjahren Abstand. Der daraus abgeleitete Wert für die Hubble-Konstante von 74,03 Kilometern pro Sekunde und Megaparsec bestätigte das frühere Ergebnis, mit noch größerer Messgenauigkeit. Die Hoffnung vieler Astronomen, die Abweichung in den Messungen könne auf Instrumentenfehlern oder fehlerhaften Methoden beruhen, war damit zerstoben. „Der Unterschied zwischen dem jungen und dem heutigen Universum könnte die aufregendste Entwicklung in der Kosmologie seit Jahrzehnten sein“, sagt Studienleiter Riess. „Die Diskrepanz ist gewachsen und lässt sich jetzt nicht mehr als Zufall abtun.“

Eine Vermutung über die Ursache der Differenz hegen die Forscher schon länger: Die mysteriöse Dunkle Energie könnte das Universum beschleunigt auseinander treiben. Tatsächlich bestehen gerade 4,9 Prozent der Massen im Universum aus sichtbarer Materie – also aus Sternen, Galaxien sowie kosmischem Gas und Staub – und 26,8 Prozent aus Dunkler Materie. Der weitaus größte Teil, nämlich 68,3 Prozent, entfällt jedoch auf die Dunkle Energie.

Das Wesen dieser Energieform ist nach wie vor unklar. Es könnte sich um jene Kraft handeln, die Albert Einstein unter der Bezeichnung „Kosmologische Konstante“ in seine Allgemeine Relativitätstheorie einfügte und die wie eine Art Antigravitation wirkt. Sie ist aber unveränderlich und würde eine gleichmäßige Ausdehnung des Raums bewirken. Deshalb steht ein anderes Modell im Vordergrund, bei dem sich die Stärke der Dunklen Kraft im Lauf der Äonen ändert. Dafür sprechen frühere Analysen, die ergaben, dass die kosmische Expansion seit etwa fünf Milliarden Jahren an Tempo gewinnt.

Entwicklung in drei Akten

Ende 2018 entwarfen US-Astrophysiker eine weitere Variante dieser Theorie. Sie beschreibt die Entwicklung des Universums in drei Akten. Demnach gab es eine erste Episode mit Dunkler Energie kurz nach dem Urknall, die das Universum schnell expandieren ließ. Dann folgte eine Abbremsung, weil sich die Dunkle Energie abschwächte. Die dritte Phase begann vor knapp neun Milliarden Jahren mit einer erneut beschleunigten Ausdehnung. Die Existenz der „frühen Dunklen Energie“, glaubt Riess, könne die Diskrepanz zwischen den beiden Werten der Hubble-Konstante bewirken.

Er zieht aber auch noch weit exotischere Erklärungen in Betracht. So könnte ein neues subatomares Teilchen, das sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegt, den Raum beschleunigt auseinander treiben. Es wäre der Dunklen Materie zuzurechnen. Diese unsichtbare Form von Materie, die nicht aus Protonen, Neutronen und Elektronen besteht, interagiert womöglich stärker mit normaler Materie als bislang vermutet.

Eine Alternative wäre die „Dunkle Strahlung“. Sie soll aus „Dunklen Lichtteilchen (Photonen)“ bestehen, deren Existenz sich aus einigen Theorien ergibt. Möglicherweise hat sie die Energiebalance im frühen Universum gestört. Diese Partikel könnten einem ganzen verborgenen Bereich der Materie angehören, der aus vielen Teilchen besteht. „Unsere überraschende Entdeckung könnte der Schlüssel zu diesen mysteriösesten Komponenten des Universums sein, die 95 Prozent von allem ausmachen und kein Licht aussenden“, konstatiert Riess. Die Suche nach der Ursache geht weiter.