Physik-Nobelpreis 2011: Kosmische Kerzen bestätigen Einstein

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Das Universum wächst immer schneller - für diese Entdeckung bekommen die Astrophysiker Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt und Adam Riess den Nobelpreis. Beweisen wollten sie ursprünglich das Gegenteil, doch am Ende bestätigten sie eine Idee Albert Einsteins - die er selbst als Fehler verworfen hatte.

Berlin - Die Geschichte des Physik-Nobelpreises 2011 begann als Wettlauf um explodierende Sterne. 1988 startete das Supernova Cosmology Project am Lawrence Berkeley National Lab in Kalifornien. Die Forscher haben den Himmel nach einem speziellen Typ Supernova abgesucht, um Genaueres über die Expansion des Weltalls herauszufinden. 1994 folgte das "High-z Supernova Search"-Team mit demselben Ziel. Die Supernova-Jagd veränderte unser Bild vom Universum - und die Chefwissenschaftler der beiden Projekte, Saul Perlmutter (USA), Brian P. Schmidt (USA und Australien) und Adam Riess (USA), haben jetzt den Nobelpreis für Physik erhalten.

Als die Jagd nach den explodierenden Sternen begann, ahnten die Forscher noch nichts von ihrem Ausgang. Denn ursprünglich waren sie davon ausgegangen, dass die Ausdehnung des Universums an Tempo verliert. Dafür, so glaubte man, würde die ganze Materie im All mit ihrer Gravitationskraft sorgen. Doch dann ergaben die Messungen das genaue Gegenteil: Das Universum dehnt sich immer schneller aus. Mittlerweile haben Physiker auch eine Erklärung für das Phänomen: die mysteriöse Dunkle Energie, die den gesamten Raum erfüllt.

Um die Expansion des Universums genauer untersuchen zu können, konzentrierten sich die Astrophysiker auf eine bestimmte Klasse von Sternenexplosionen, sogenannte Supernovae vom Typ Ia. Sie treten nur in Doppelsternsystemen auf, die aus einem Weißen Zwerg und einem Roten Riesen bestehen. Der Weiße Zwerg - der die Masse unserer Sonne, aber nur die Größe der Erde besitzt - kann dank seiner Gravitation dem Roten Riesen permanent Masse stibitzen.

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Expandierendes Universum: Supernova-Forscher erhalten Physik-Nobelpreis
Erreicht der Zwergstern eine kritische Masse von 1,4 Sonnenmassen, haucht er in einer gigantischen, nur wenige Wochen dauernden Explosion sein Leben aus. Der Sauerstoff und der Kohlenstoff auf dem Stern fusionieren zu Eisen. Das Licht dieser thermonuklearen Explosion kann das Licht einer ganzen Galaxie überstrahlen.

Das Praktische an Supernovae vom Typ Ia ist, dass sie stets eine gleich große Menge an Energie und damit auch an Licht freisetzen. Je weiter die Sternenexplosion entfernt ist, desto weniger Licht erreicht die Erde. Wegen ihrer charakteristischen Eigenschaften nennen Astrophysiker diese Lichterscheinungen auch Standardkerzen.

"Vom Preis völlig überrascht"

In jeder Minute finden im beobachtbaren Weltraum zehn solcher Supernovae statt - das Problem ist jedoch, sie zu finden. Das gelang den Astrophysikern mit einem Trick: Sie fotografierten immer bei Neumond, wenn die Nacht also besonders dunkel ist, mit einer Digitalkamera ein Stück des Himmels, das der Größte eines Daumennagels bei ausgestrecktem Arm entspricht. Etwa 30 Tage später wurde dasselbe Stück Nachthimmel wieder fotografiert.

Dann verglichen die Forscher die beiden Bilder miteinander. Falls in den 30 Tagen nichts geschehen war, war die Differenz gleich null. Eine Supernova hingegen zeigte sich als Punkt - sie wurde dann ausgiebig beobachtet und vermessen. So gelang es den beiden Teams, mehr als 50 Supernovae vom Typ Ia zu erfassen. Manche waren Milliarden Lichtjahre weit entfernt, andere vergleichsweise nah. Und überraschenderweise war das Licht der entfernten Sternenexplosionen schwächer als erwartet - der Beleg dafür, dass das Universum immer schneller expandiert.

"Ich bin von dem Preis völlig überrascht", sagte der frisch gekürte Nobelpreisträger Brian P. Schmidt. "Aber wir waren auch über unser Forschungsergebnis selbst völlig perplex." Schmidt und Adam Riess erhalten je 25 Prozent des Preisgeldes von insgesamt 1,1 Millionen Euro (zehn Millionen Schwedischen Kronen). Perlmutter bekommt die andere Hälfte.

Mit seiner Entscheidung hat das Nobel-Komitee einmal mehr die Forschergemeinde verblüfft. Hatten viele doch mit ganz anderen Preisträgern gerechnet, etwa mit dem Österreicher Anton Zeilinger, der als "Mister Beam" Quanten verschränkt hat. "Ich bin überwältigt", meinte Dieter Breitschwerdt von der TU Berlin. Er habe nicht erwartet, dass nach 2006 schon wieder ein Nobelpreis an Astrophysiker geht. "Als ich die Namen hörte, dachte ich: 'Ja, das war fällig'", ergänzte Lutz Wisotzki vom Astrophysikalischen Institut Potsdam.

Direkt zur Dunklen Energie

Dass die Messungen der drei Nobelpreisträger unser Bild vom Universum entscheidend verändert haben, bezweifelt kaum ein Physiker. Letztlich führten sie direkt zur Hypothese von der Dunklen Energie, die etwa drei Viertel des Universums ausmachen soll.

Kurioserweise bestätigen die Forschungsergebnisse auch die Existenz der Kosmologischen Konstante, die Albert Einstein 1915 in der Allgemeinen Relativitätstheorie eingeführt hatte. Einstein brauchte die Konstante, damit das Universum in seiner Theorie aufhört zu expandieren. Er war aber unglücklich darüber, solch eine Konstante überhaupt einführen zu müssen - und bezeichnete sie später als Fehler.

Seit den Arbeiten von Perlmutter, Schmidt und Riess wissen Astrophysiker, dass die ursprünglich aus anderen Gründen von Einstein eingeführte Konstante eine brillante Idee war - und sie können sie inzwischen sogar bestimmen. Denn in den Gleichungen ist es genau diese Konstante, die dafür sorgt, dass sich der Kosmos immer schneller ausdehnt. Unklar ist allerdings, ob sich die Konstante eventuell in der Geschichte des Universums verändert hat.

Wolfgang Sandner, der Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG), sieht auf jeden Fall noch eine Menge Arbeit für die nächsten Astrophysiker-Generationen. "Dieser Nobelpreis wird weitere nach sich ziehen", sagte er auf einem DPG-Empfang in Berlin. Denn es gelte zu klären, was Dunkle Energie und Dunkle Materie eigentlich seien.

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Woraus der Kosmos besteht
Klassische Materie
Nur etwa fünf Prozent des Universums bestehen aus jener Materieform, wie wir sie kennen. Alle Sterne, Planeten und auch der Mensch bestehen aus dieser Materieform. Sie ist in der Regel sichtbar und hat eine gravitative Wirkung.
Dunkle Materie
Sie hat ähnliche Eigenschaften wie normale Materie - übt also Gravitationskraft aus. Allerdings ist Dunkle Materie unsichtbar, nachweisen kann man sie nur über die von ihr ausgeübten Kräfte. Ihr Anteil am Universum soll bei etwa 20 Prozent liegen. Bei der Dunklen Materie könnte es sich um spezielle Elementarteilchen handeln - so eine Hypothese der Astrophysiker.
Dunkle Energie
Bis zu drei Viertel des Universums sollen aus Dunkler Energie bestehen. Sie erfüllt den kosmischen Raum vollständig und wirkt wie ein Energiefeld, das den Kosmos immer schneller auseinandertreibt. Was genau hinter der dunklen Energie steckt, weiß bislang jedoch niemand.
Physik-Nobelpreisträger seit 1999
2012
David Wineland (USA) und Serge Haroche (Frankreich) für ihre Arbeit zur Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Ihnen war es gelungen, einzelne Quantenpartikel zu messen und zu kontrollieren, ohne sie zu zerstören, was den Weg zu revolutionären Quantencomputern ebnen könnte.
2011
Die Amerikaner Saul Perlmutter und Adam Riess sowie der US-Australier Brian Schmidt für ihre Forschungen zur Ausdehnung des Universums durch die Beobachtung ferner Sternenexplosionen, sogenannter Supernovae.
2010
Andre Geim und Konstantin Novoselov erhalten die Auszeichnung für die fundamentale Entdeckung der zweidimensionalen Kohlenstoffstruktur Graphen
2009
Charles Kuen Kao für seine Arbeit auf dem Gebiet der schnellen Datenübertragung durch Glasfasern. Willard Boyle und George Smith teilen sich die zweite Hälfte des Preises für die Erfindung des lichtempfindlichen CCD-Chips, der heute in den meisten Digitalkameras eingebaut ist.
2008
Yoichiro Nambu (USA), Makoto Kobayashi (Japan) und Toshihide Maskawa (Japan) für die Entdeckung und Erklärung sogenannter Symmetriebrechungen in der Teilchenphysik, die das Verständnis der Natur entscheidend verbessert haben.
2007
Peter Grünberg (Deutschland) und Albert Fert (Frankreich) für die Entdeckung des "Riesenmagnetowiderstands" , durch den sich die Speicherkapazität von Computer-Festplatten drastisch erhöhen ließ.
2006
John C. Mather und George F. Smoot (beide USA) für die Entdeckung der Saat der Galaxien in der kosmischen Hintergrundstrahlung, dem "Echo des Urknalls".
2005
Roy J. Glauber (USA) für Grundlagen der Quantenoptik sowie John L. Hall (USA) und Theodor W. Hänsch (Deutschland) für die Entwicklung einer laserbasierten Präzisionsmesstechnik für Lichtfrequenzen.
2004
David J. Gross , H. David Politzer und Frank Wilczek (alle USA) für Erkenntnisse zur Kraft zwischen den kleinsten Materieteilchen im Atomkern, den Quarks.
2003
Alexej Abrikosow (USA und Russland), Vitali Ginsburg (Russland) und Anthony Leggett (USA und Großbritannien) für bahnbrechende Arbeiten zu Supraleitern und Supraflüssigkeiten.
2002
Raymond Davis (USA), Masatoshi Koshiba (Japan) und Riccardo Giacconi (USA) für die Entdeckung kosmischer Röntgenstrahlen und Neutrinos.
2001
Wolfgang Ketterle (Deutschland), Eric A. Cornell (USA) und Carl E. Wieman (USA) für die Erschaffung des Bose-Einstein- Kondensats, der fünften Erscheinungsform der Materie neben fest, flüssig, gasförmig und dem Plasma.
2000
Herbert Kroemer (Deutschland), Zhores Alferow (Russland) und Jack Kilby (USA) für die Herstellung integrierter Schaltkreise und des Halbleiter-Lasers.
1999
Gerardus 't Hooft und Martinus J.G. Veltman (beide Niederlande) für ihre Beiträge zur Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung.

Nobel-Quiz
AP
Sind Sie fit für den Nobelpreis?
Sagen wir, Sie sind schon Spitzenforscher und müssen nur noch bei der Verleihung eine gute Figur machen. Etikette, Small Talk, die ganze noble Zeremonie - dieses Quiz ist das Trainingslager.
Ehrung mit Weltrang - die Nobelpreise
Der Stifter
Mit der Stiftung der Nobelpreise wollte der schwedische Forscher und Großindustrielle Alfred Nobel (1833-1896) einen Konflikt lösen, der sein Leben bestimmte: Der Dynamit-Erfinder konnte nicht verwinden, dass seine Entdeckung für den Krieg genutzt wurde. Als "Wiedergutmachung" vermachte er sein Vermögen einer Stiftung, aus deren Zinsen Preise für jene finanziert werden sollten, die "im verflossenen Jahr der Menschheit den größten Nutzen geleistet haben". Nobel selbst hatte mehr als 350 Patente angemeldet.
Die Auszeichnungen
Die Preise werden seit 1901 vergeben. Die Dotierung stieg von anfangs 150.800 Kronen auf zehn Millionen Kronen (eine Million Euro), wurde 2012 aber wegen der Wirtschaftskrise wieder auf acht Millionen Kronen gesenkt. Bis zu drei Menschen können sich einen wissenschaftlichen Preis teilen. Der Friedensnobelpreis wird auch an Organisationen verliehen. Höhepunkt ist stets die feierliche Verleihung der Auszeichnungen am 10. Dezember, dem Todestag von Nobel.
Die Kategorien
Die Preisträger für Physik und Chemie werden immer von der Königlich-Schwedischen Akademie der Wissenschaften, die der Medizin vom Karolinska-Institut in Stockholm und die Literaturpreisträger von der Königlich-Schwedischen Akademie der Künste ausgewählt. Die Friedenspreisträger bestimmt ein Ausschuss des norwegischen Parlaments in Oslo.
Die Alternativen
Neben den eigentlichen Nobelpreisen wird seit 1969 eine Ehrung für Wirtschaftswissenschaften in Gedenken an Alfred Nobel verliehen. Sie wurde 1968 von der Schwedischen Reichsbank gestiftet. Seit 1980 vergibt die "Stiftung zur Auszeichnung richtiger Lebensführung" (Right Livelihood Award Foundation) die Right Livelihood Awards, die oft als alternative Nobelpreise bezeichnet werden.