Big Rip

Der Endknall (engl.: final big bang oder Big Rip) ist in der Kosmologie – neben dem Big Crunch, dem Big Chill und der ewigen Expansion – ein viertes hypothetisches Ende des Universums. Das Szenarium geht von einer immer stärker zunehmenden und schließlich extrem ansteigenden Entstehung neuen Raumes aus, so dass sich alle Objekte immer schneller voneinander entfernen und nicht mehr in Wechselwirkung treten können. Dieses finale „Zerreißen“ wird als „Knall“ bezeichnet, weil man annimmt, dass die Geschwindigkeit der Raumentstehung ab einem bestimmten Punkt explosionsartig divergiert. Die Explosion erfolgt „in den Raum hinein“.

Allgemeine Annahmen

Das Universum dehnt sich seit seiner Entstehung in sich selbst aus. Aufgrund heute noch nicht verstandener Ursachen entsteht überall gleichmäßig neuer Raum, was dazu führt, dass sich jede Galaxie von jeder anderen entfernt. Konstant bleiben jedoch Größe und Dichte von kosmologischen Objekten wie Galaxien, Sternen und Planeten, weil die Gravitation diese Ausdehnung kompensieren kann. So verändern sich Größe und Dichte von Galaxien nicht, weil ihre Bestandteile stärker als die entgegengerichtete Raumausdehnung zum gemeinsamen Schwerpunkt gezogen werden. So kommt auch in dem Raum, den die Erde einnimmt, ständig eine sehr geringe, durch die Hubble-Konstante bezeichnete „Menge“ neuen Raumes hinzu, die aber so gering ist, dass sie durch die Schwerkraft sofort kompensiert wird und sich die Dichte der Erde nicht verändert. Sollte sich die „Entstehung von neuem Raum“ jedoch beschleunigen, wird sie „spürbar“. Dabei werden zunächst galaktische Strukturen ausgedünnt oder „auseinandergerissen“, weil sie aus großen Massen bestehen, die sich nicht mehr schnell genug zum Mittelpunkt bewegen können.

Bei noch stärkerer Beschleunigung der Raumausdehnung sind auch Sternsysteme und einzelne Objekte betroffen. Ihre Masse bleibt konstant, aber die Dichte und Temperatur sinkt. Kommt es schließlich zu einem explosionsartigen Ansteigen der Raumausdehnung, werden auch Planeten oder massive Körper betroffen, weil ihre (teilchengetragenen) Bindekräfte zu schwach werden, um den Ausdünnungseffekt aufhalten zu können. Übersteigt die Ausdehnungsgeschwindigkeit die quantenphysikalischen Fähigkeiten von Teilchen innerhalb der Atome, zerfallen auch diese in ihre Bestandteile bzw. in kleine, neu entstehende Strukturen. Kommt schließlich mehr Raum pro Zeiteinheit hinzu, als durch lichtschnelle Teilchen in dieser Zeiteinheit durchquert werden kann, verlieren auch masselose Teilchen ihre Fähigkeit, mit anderen Teilchen in Wechselwirkung treten zu können. In diesem Fall würden auch supermassive Objekte wie Neutronensterne oder schwarze Löcher an Volumen zunehmen, an Dichte verlieren und in ihre Bestandteile „vereinzelt“. Man geht in diesem Fall von der Bildung neuer Teilchen aus, die unter diesen Bedingungen die kleinsten noch existenzfähigen Strukturen darstellen und selbst nicht mehr aus kleineren Strukturen kombiniert sind. Im Endresultat steht ein sehr eigenartiges, zeitloses Universum, in dem jedes dieser Teilchen für sich allein existiert und keinen Kontakt mehr zu anderen Teilchen bekommen kann. Dieses hypothetische Szenarium hängt von vielen, derzeit unbekannten Faktoren ab, würde aber zu einer grundlegenden Strukturänderung führen, die sich auch auf die physikalischen Grundkräfte erstreckt und das Universum prinzipiell unbewohnbar macht.

Modelle des Big Rip

Nach dem Modell von Robert Caldwell (Dartmouth College, New Hampshire) aus dem Jahre 2003 würde eine kontinuierliche Expansion des Universums in sich selbst unter Umständen nicht ewig dauern, sondern könnte instabil werden und zu einem Big Rip entarten. Dieses Modell geht davon aus, dass die hypothetische dunkle Energie für die Raumentstehung verantwortlich ist und alle Materie progressiv beschleunigt. Ihre Gegenkraft, die Gravitation, kann die Strukturen nur zusammenhalten, solange sie die Wirkung der dunklen Energie übertrifft. Je mehr dunkle Energie entsteht, desto schwächer wird der Einfluss konventioneller Massen.

Die Autoren dieses Modells erhalten folgende Formel für die Zeit vom jetzigen Zeitpunkt, t₀, bis zum Zeitpunkt der explosionsartigen Divergenz, $t_{\rm {rip}}\,:$

$t_{\rm {rip}} - t_0 \approx \frac{2}{3\,|1+w|\,H_0\sqrt{1-\Omega_m}}\,.$

Dabei ist w ein Maß für die Expansionstärke infolge der Dunkelenergie; H₀ ist die Hubble-Konstante und Ω_m der reduzierte Wert für die gegenwärtige Materiedichte im Universum. In der Arbeit wird ein Beispiel mit w = − 1,5 durchgerechnet.

Die Ursachen der Raumausdehnung sind jedoch bis heute nicht verstanden. Ob dieses Szenario eintreten kann, hängt davon ab, ob sich (a) die Raumausdehnung (Neuentstehung von Raum) überhaupt beschleunigt, (b) ob sie exponentiell verläuft und (c) ob oder wo sie eine obere Grenze findet. Diese Grenze kann z.B. durch die Dichte der Dunklen Energie gesetzt sein, die die Raumausdehnung erzeugt, sofern sie ebenfalls mit ausdünnt. Der Big Rip könnte demnach auch als eine weitere, zeitlich begrenzte inflationäre Phase ablaufen, die sich wieder in eine konventionelle Raumausdehung rückbildet, so dass kleinere masseführende Strukturen wie Sterne, Planeten oder Atome doch nicht „zerrissen“ werden.

Der mögliche Zeitpunkt für einen solchen „Endknall“ wurde zunächst einfach exponentiell hochgerechnet und in 22 Milliarden Jahren prognostiziert. Ausgangspunkt dieser Überlegung geht auf die Beobachtung des Hubble-Weltraumteleskopes im Jahre 2001 zurück, bei der die bisher entfernteste Supernova-Explosion beobachtet wurde. Diese Daten legten zunächst die Vermutung nahe, die Expansionsrate des Kosmos sei in der Vergangenheit langsamer gewesen und beschleunige sich daher. Ursache der Beschleunigung sei die anwachsende Phantom-Energiedichte – die wohl bizarrste Form der Dunklen Energie. Ihre Dichte könne in endlicher Zeit über alle Maßen anwachsen.

Neuere Messdaten des Hubble-Teleskops (Riess et al. 2004 und 2006) belegen jedoch, dass die Dunkle Energie auf den betrachteten kosmologischen Distanzen kaum variierte. Dies lässt den Schluss zu, dass sich diese Energie – wenn überhaupt – nur sehr langsam ändert. Der Big Rip wird nunmehr eher in dem Zeitraum zwischen 30 und 50 Milliarden Jahren in der Zukunft angenommen. Im Vergleich zu den Zeiträumen, die für den entropischen Wärmetod des Universums (Big Freeze) veranschlagt werden, liegt dies jedoch in nächster Zukunft, in der noch genug konventionelle Materie, Sterne und Galaxien vorhanden sein werden, um Zeitzeugen und potentielle Beobachter beherbergen zu können.

Unwahrscheinlich sind Annahmen, dass sich derartige zerreißende Ereignisse lokal ereignen könnten, weil das Universum auf großen Skalen homogen ist und somit auch die zur Entstehung von neuem Raum führenden Prozesse überall gleichmäßig ablaufen dürften. Unter der Annahme, dass Dunkle Energie (oder ihre exotischen Spezialformen) für die Raumausdehnung verantwortlich ist, könnte die Explosion aber in Gebieten, in denen die Bedingungen zur Entstehung dunkler Energie günstig waren, eher anlaufen, darauf begrenzt bleiben oder vorerst nicht auf das restliche Universum übergreifen. Es wäre denkbar, dass vorerst nur einzelne Galaxien oder Galaxienhaufen betroffen sind. Dort, wo sie sich befinden, wäre „mehr Raum“ enthalten als geometrisch zu erwarten, d. h., der Umfang dieser Gebiete wäre kleiner als ihr Durchmesser mal π.

Weil Lichtquanten einen sich explosionsartig neu bildenden lokalen Raum nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit durchqueren und daher nicht verlassen können, wären lokal ablaufende Rips nicht direkt beobachtbar. Sofern sich das Phänomen aber nicht unbegrenzt schnell in die Umgebung fortpflanzt und Licht entkommen kann, könnte ein solches Ereignis unter Umständen durch die Rotverschiebung beobachtet werden. Bei raschem, ständigem Absinken der Dichte und steigendem Innendurchmesser würden von diesen Gebieten auch keine Gravitationswellen mehr ausgehen können.

Alternativen

Der Big Crunch gilt nach den neuesten Daten als eher unwahrscheinliches Szenario. Ob letztlich eine der Theorien zur ewig unbeschleunigten Expansion (Big Freeze) oder doch eher der Big Rip das Rennen um die Zukunft unseres Universum machen wird, kann derzeit noch nicht genau genug abgeschätzt werden.

Der Unterschied zwischen Big Rip und Big Freeze besteht darin, dass beim Big Freeze die kosmischen Massen zunächst kompakt bleiben und sich in sehr langer, aber endlicher Zeit in Strahlung umwandeln. Je nach Hochrechnung geht man davon aus, dass bei einem Alter zwischen 10¹⁵⁰ und 10¹⁰⁰⁰ Jahren der endgültige Wärmetod eintritt, d .h. alle Protonen zerfallen und jegliche Strahlung soweit ausgedünnt ist, dass ein falsches Vakuum bei 0 K vorliegt. Der Big Rip würde diesen Zustand in wesentlich kürzerer Zeit und schlagartig herbeiführen und auch kombinierte Teilchen mit unendlich großer Halbwertszeit zerreißen, die hypothetisch existieren könnten und dann auch in einem ewig expandierenden Universum vereinzelt vorkommen. Vermutlich wären auch supermassive Objekte wie Quasare oder noch größere kosmische Schwarze Löcher, die im Big Freeze zwischen 10⁴⁰ bis 10¹⁰⁰ Jahre überdauern könnten, bei einem Big Rip sofort verschwunden.

Weblinks

• Szenario für das Ende des Universums bei Astro News
• Big Rip, Big Crunch und Big Whimper als mögliches Ende des Universums