Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 11-13, M-Niveau

Dunkle Energie - Physik

Einleitung

Das Universum dehnt sich aus. Seit dem Ende der 1990er-Jahre wissen Forschende außerdem: Diese Ausdehnung wird auf sehr großen Skalen beschleunigt. Der Name Dunkle Energie bezeichnet die noch unbekannte Ursache dieses Effekts. Sie ist weder sichtbar noch direkt im Labor nachgewiesen. Ihre Wirkung wird aus astronomischen Beobachtungen erschlossen.^[1]

Nach dem heute häufig verwendeten ΛCDM-Modell entfallen ungefähr 68 % der gesamten Masse-Energie-Dichte des Universums auf Dunkle Energie, rund 27 % auf Dunkle Materie und knapp 5 % auf gewöhnliche Materie.^[2] Diese Prozentwerte sind Modell- und Messwerte, keine direkt abgewogenen Stoffmengen.

Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du erklären, was mit Dunkler Energie gemeint ist, wie die beschleunigte Expansion erkannt wurde und warum Dunkle Energie nicht dasselbe wie Dunkle Materie ist. Du kannst einfache kosmologische Gleichungen deuten und aktuelle Forschungsergebnisse vorsichtig bewerten.

Expansion des Universums

Hubble-Beziehung

Bei weit entfernten Galaxien gilt näherungsweise die Hubble-Beziehung:

$v = H_{0} \cdot d$

Dabei ist $v$ die Fluchtgeschwindigkeit, $d$ die Entfernung und $H_{0}$ die heutige Expansionsrate. Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto stärker ist ihr Licht im Mittel rotverschoben.

Wichtig: Galaxien fliegen nicht einfach durch einen unveränderten leeren Raum. Auf kosmischen Skalen wächst der Abstand, weil sich der Raum selbst ausdehnt. Gebundene Systeme wie Atome, Planetensysteme oder einzelne Galaxien werden dadurch nicht merklich auseinandergezogen.

Die Abbildung zeigt vereinfacht die Entwicklung des Universums: Zunächst bremste die Gravitation der Materie die Expansion. Später begann die Expansion wieder schneller zu werden.

Skalenfaktor

Kosmologinnen und Kosmologen beschreiben die Größe des Universums mit dem Skalenfaktor $a (t)$ . Er wächst mit der Zeit. Beschleunigte Expansion bedeutet:

$\ddot{a} (t) > 0$

Das heißt nicht automatisch, dass jedes Objekt lokal beschleunigt wird. Die Aussage betrifft die Entwicklung großer kosmischer Abstände.

Wie wurde die Beschleunigung entdeckt?

Supernovae vom Typ Ia

Supernovae vom Typ Ia erreichen nach geeigneter Kalibrierung eine bekannte maximale Leuchtkraft. Deshalb dienen sie als Standardkerzen: Aus ihrer beobachteten Helligkeit lässt sich ihre Entfernung abschätzen. Gleichzeitig zeigt die Rotverschiebung, wie stark sich das Universum seit der Aussendung des Lichts ausgedehnt hat.

In den 1990er-Jahren beobachteten zwei Forschungsteams weit entfernte Supernovae. Sie erschienen schwächer und damit weiter entfernt, als man in einem nur durch Materie gebremsten Universum erwartet hatte. Daraus folgte: Die kosmische Expansion beschleunigt sich. Für diese Entdeckung erhielten Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt und Adam G. Riess 2011 den Nobelpreis für Physik.^[3]

Weitere Beobachtungen

Die Supernova-Daten werden durch andere Messungen ergänzt. Dazu gehören die Kosmische Hintergrundstrahlung, die großräumige Verteilung von Galaxien, baryonische akustische Oszillationen und der Gravitationslinseneffekt. Erst die Kombination verschiedener Methoden macht das kosmologische Modell belastbar.

Woraus besteht das Universum?

Im ΛCDM-Modell wird die heutige Masse-Energie-Dichte ungefähr so aufgeteilt:

Gewöhnliche Materie: Sterne, Planeten, Gas und Lebewesen bilden knapp 5 %.
Dunkle Materie: Sie wirkt gravitativ und unterstützt die Bildung von Galaxien und Galaxienhaufen.
Dunkle Energie: Sie steht für den Anteil, der mit der beschleunigten Expansion verbunden wird.

Die Grafik beruht auf Ergebnissen der ESA-Mission Planck.^[4]

Dunkle Energie und Dunkle Materie

Trotz des ähnlichen Namens sind beide Konzepte verschieden.

Merkmal	Dunkle Materie	Dunkle Energie
Hauptwirkung	verstärkt Gravitation in Galaxien und Haufen	steht mit beschleunigter Expansion in Verbindung
Verteilung	bildet Strukturen und Halos	wird im einfachsten Modell als nahezu gleichmäßig angenommen
Direkter Nachweis	bisher nicht gelungen	bisher nicht gelungen
Anteil im ΛCDM-Modell	ungefähr 27 %	ungefähr 68 %

Merksatz: Dunkle Materie hilft Strukturen zusammenzuhalten; Dunkle Energie beeinflusst die Expansion des Raumes.

Physikalisches Modell

Kosmologische Konstante

Die einfachste Beschreibung verwendet Einsteins kosmologische Konstante $Λ$ . Sie entspricht einer konstanten Energiedichte des leeren Raumes. In diesem Modell ändert sich die Dichte der Dunklen Energie bei der Expansion nicht.

Die Zustandsgleichung wird häufig mit

$w = \frac{p}{ρ c^{2}}$

beschrieben. Dabei ist $p$ der Druck und $ρ$ die Energiedichte. Für eine kosmologische Konstante gilt:

$w = - 1$

Der negative Druck trägt in der Allgemeinen Relativitätstheorie zur beschleunigten Expansion bei.

Bedingung für Beschleunigung

Eine vereinfachte Form der Beschleunigungsgleichung lautet:

$\frac{\ddot{a}}{a} = - \frac{4 π G}{3} (ρ + \frac{3 p}{c^{2}})$

Damit $\ddot{a} > 0$ wird, muss der Klammerausdruck negativ sein. Für eine dominierende Komponente bedeutet das näherungsweise:

$w < - \frac{1}{3}$

Für die Schule reicht die Deutung: Ein ausreichend negativer Druck kann die kosmische Expansion beschleunigen. Dunkle Energie ist deshalb nicht einfach eine gewöhnliche Energieform mit positivem Druck.

Mögliche Erklärungen

Kosmologische Konstante: Dunkle Energie ist eine konstante Eigenschaft des Vakuums.
Quintessenz: Ein bisher unbekanntes Feld verändert sich mit der Zeit.
Modifizierte Gravitation: Auf sehr großen Skalen könnte die Gravitation anders wirken als bisher angenommen.

Keine dieser Deutungen ist endgültig bestätigt. Die kosmologische Konstante ist die einfachste Variante und Bestandteil des ΛCDM-Modells. Sie wirft jedoch eine schwierige Frage auf: Theoretische Abschätzungen der Vakuumenergie passen nicht ohne Weiteres zum beobachteten Wert.

Wie wird heute gemessen?

Euclid

Das ESA-Weltraumteleskop Euclid untersucht die Formen, Entfernungen und Verteilung sehr vieler Galaxien. So soll eine dreidimensionale Karte der großräumigen Struktur entstehen. Besonders wichtig sind schwache Gravitationslinsen und die räumliche Verteilung von Galaxien.^[5]

DESI

Das DESI misst Spektren von Millionen Galaxien und Quasaren. Aus den Rotverschiebungen entsteht eine große 3D-Karte des Universums. Besonders wichtig sind baryonische akustische Oszillationen, die als kosmischer Standardmaßstab dienen.^[6]

Ergebnisse aus den Jahren 2025 und 2026 liefern Hinweise darauf, dass sich Dunkle Energie möglicherweise mit der Zeit verändert. Diese Hinweise sind noch kein sicherer Nachweis. Das ΛCDM-Modell bleibt deshalb ein zentraler Vergleichsmaßstab.^[7]

Mögliche Zukunft des Universums

Das Schicksal des Universums hängt davon ab, wie sich Dunkle Energie langfristig verhält.

Big Freeze: Bei anhaltender Expansion entfernen sich nicht gebundene Galaxien immer weiter voneinander.
Big Rip: Bei einer extrem stärker werdenden Form Dunkler Energie könnten später sogar gebundene Strukturen aufgelöst werden.
Big Crunch: Falls die beschleunigende Wirkung nachlässt und Gravitation wieder dominiert, wäre theoretisch eine Umkehr der Expansion möglich.

Heute lässt sich keine dieser Zukunftsvarianten endgültig beweisen. Im ΛCDM-Modell mit konstanter Dunkler Energie ist ein langfristiger Big Freeze die naheliegende Entwicklung.

Häufige Missverständnisse

Dunkle Energie ist nicht Dunkle Materie. Beide Begriffe beschreiben verschiedene Beobachtungsprobleme.
Dunkle Energie ist nicht einfach eine unbekannte Strahlung. Ihr entscheidendes Merkmal ist ihre Wirkung auf die kosmische Expansion.
Die Expansion wirkt nicht überall gleich stark. Lokal gebundene Systeme werden durch Gravitation oder elektromagnetische Kräfte zusammengehalten.
Ein Hinweis ist keine Entdeckung. Neue Messdaten müssen mit unabhängigen Verfahren überprüft werden.

Zusammenfassung

Dunkle Energie ist der Name für die unbekannte Ursache der beschleunigten Expansion des Universums. Der wichtigste historische Beleg stammt aus Messungen weit entfernter Supernovae vom Typ Ia. Im ΛCDM-Modell wird Dunkle Energie als kosmologische Konstante beschrieben und macht ungefähr 68 % der heutigen Masse-Energie-Dichte aus. Ihre physikalische Natur ist offen. Missionen wie Euclid und Messprogramme wie DESI prüfen, ob die kosmologische Konstante ausreicht oder ob ein neues Feld beziehungsweise eine veränderte Gravitation nötig ist.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Beobachtung führte zur Entdeckung der beschleunigten Expansion? (Entfernte Supernovae waren schwächer als erwartet) (!Nahe Sterne waren heller als erwartet) (!Planeten bewegten sich schneller um die Sonne) (!Galaxien verloren plötzlich ihre Masse)

Was beschreibt Dunkle Energie? (Die unbekannte Ursache der beschleunigten kosmischen Expansion) (!Unsichtbare Materie in Galaxienhalos) (!Licht aus Schwarzen Löchern) (!Wärme zwischen den Sternen)

Wie groß ist der Anteil Dunkler Energie im ΛCDM-Modell ungefähr? (Etwa 68 Prozent) (!Etwa 5 Prozent) (!Etwa 27 Prozent) (!Etwa 100 Prozent)

Wozu dienen Supernovae vom Typ Ia in der Kosmologie? (Als Standardkerzen zur Entfernungsbestimmung) (!Als Teilchenbeschleuniger) (!Als Quellen der Hintergrundstrahlung) (!Als Messgeräte für Magnetfelder)

Was bedeutet beschleunigte Expansion? (Der Skalenfaktor wächst mit zunehmender Rate) (!Jede Galaxie wird lokal von einer Kraft angeschoben) (!Die Lichtgeschwindigkeit nimmt ständig zu) (!Alle Planetenbahnen werden größer)

Welcher Wert gilt für die kosmologische Konstante beim Parameter w? (Minus eins) (!Null) (!Plus eins) (!Plus zwei)

Welche Aussage unterscheidet Dunkle Materie von Dunkler Energie? (Dunkle Materie fördert gravitative Strukturbildung) (!Dunkle Materie beschleunigt die Expansion) (!Dunkle Energie bildet Galaxienhalos) (!Dunkle Energie besteht aus gewöhnlichen Atomen)

Was misst Euclid besonders genau? (Formen und Verteilung sehr vieler Galaxien) (!Temperaturen im Erdkern) (!Schallwellen in der Atmosphäre) (!Magnetfelder einzelner Atome)

Was ist DESI? (Ein Instrument zur spektroskopischen Kartierung des Universums) (!Ein Detektor für Erdbeben) (!Ein Teilchen im Standardmodell) (!Ein Teleskop zur Beobachtung der Sonne)

Welche Aussage zur Natur Dunkler Energie ist richtig? (Sie ist physikalisch noch nicht geklärt) (!Sie besteht sicher aus Photonen) (!Sie wurde direkt im Labor erzeugt) (!Sie ist identisch mit Dunkler Materie)

Memory

Dunkle Energie	Beschleunigte Expansion
Typ-Ia-Supernova	Standardkerze
Rotverschiebung	Kosmische Ausdehnung
Lambda	Kosmologische Konstante
Euclid	Schwache Gravitationslinsen
DESI	Galaxienspektren
Dunkle Materie	Galaxienhalo

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Supernova	Entfernungsanzeiger
Rotverschiebung	Expansionshinweis
Gravitationslinse	Lichtablenkung
Euclid	Weltraummission
DESI	Spektroskopische Kartierung

...

Kreuzworträtsel

Expansion	Wie heißt die Ausdehnung des Universums?
Supernova	Welche Sternexplosion dient als Standardkerze?
Vakuumenergie	Welche Energie des leeren Raumes könnte Dunkle Energie erklären?
Lambda	Wie heißt der griechische Buchstabe der kosmologischen Konstante?
Rotverschiebung	Welcher Effekt zeigt gedehnte Lichtwellen ferner Galaxien?
Euclid	Welche ESA-Mission kartiert das dunkle Universum?

LearningApps

Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

Begriffsnetz: Erstelle ein Begriffsnetz mit Dunkler Energie, Dunkler Materie, Expansion, Supernova und Rotverschiebung.
Bildanalyse: Beschreibe eine Medienabbildung dieses aiMOOCs in fünf eigenen Sätzen.
Modellversuch: Markiere Punkte auf einem Luftballon, blase ihn auf und erkläre, was das Modell gut und schlecht darstellt.
Erklärkarte: Gestalte eine Karte mit der Frage „Was ist Dunkle Energie?“ und einer Antwort für jüngere Lernende.

Standard

Datenvergleich: Vergleiche die drei Anteile gewöhnliche Materie, Dunkle Materie und Dunkle Energie in einem selbst gezeichneten Kreisdiagramm.
Supernova-Modell: Erkläre mit einer Taschenlampen-Analogie, wie scheinbare Helligkeit zur Entfernungsmessung genutzt werden kann.
Videoanalyse: Wähle ein eingebettetes Video und notiere drei gesicherte Aussagen sowie eine offene Forschungsfrage.
Fehlercheck: Prüfe die Aussage „Dunkle Energie drückt jede Galaxie wie ein Motor nach außen“ und formuliere sie physikalisch genauer.

Schwer

Mathematische Deutung: Erkläre, warum $w < - \frac{1}{3}$ in der Beschleunigungsgleichung eine beschleunigte Expansion ermöglichen kann.
Modellvergleich: Vergleiche kosmologische Konstante, Quintessenz und modifizierte Gravitation anhand selbst gewählter Kriterien.
Forschungsplakat: Gestalte ein Plakat zu Euclid oder DESI mit Messmethode, Ziel, Daten und Unsicherheiten.
Wissenschaftskommunikation: Produziere ein dreiminütiges Erklärvideo, das Beobachtung, Modell und offene Frage klar voneinander trennt.

Lernkontrolle

Modellkritik: Beurteile das Luftballonmodell der Expansion. Nenne zwei Stärken und zwei Grenzen.
Transfer: Erkläre, warum die beschleunigte Expansion nicht bedeutet, dass die Erde sich von der Sonne entfernt.
Dateninterpretation: Eine entfernte Supernova erscheint schwächer als in einem Modell ohne Dunkle Energie erwartet. Leite eine mögliche kosmologische Deutung ab.
Begriffsabgrenzung: Entwickle ein Beispiel, das den Unterschied zwischen Dunkler Materie und Dunkler Energie verständlich macht.
Theorievergleich: Erläutere, welche Beobachtung eine zeitlich veränderliche Quintessenz von einer konstanten Vakuumenergie unterscheiden könnte.
Urteilsbildung: Bewerte die Aussage „DESI hat bewiesen, dass Dunkle Energie veränderlich ist“ und begründe Dein Urteil mit dem Unterschied zwischen Hinweis und Nachweis.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du:

die beschleunigte Expansion in eigenen Worten erklären,
Supernovae vom Typ Ia als Standardkerzen deuten,
Dunkle Energie und Dunkle Materie sicher unterscheiden,
die Größen $a (t)$ , $H_{0}$ und $w$ grundlegend einordnen,
mindestens zwei Messmethoden nennen und erklären,
offene Fragen und Messunsicherheiten angemessen darstellen,
eine Transferaufgabe zu kosmologischen Modellen bearbeiten.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

Dunkle Energie - Physik

aiMOOC-Projekte

Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
Baden-Württemberg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Mittlere Reife Der Markisenmann - Jan Weiler oder Als die Welt uns gehörte - Liz Kessler Ein Schatten wie ein Leopard - Myron Levoy oder Pampa Blues - Rolf Lappert	Abitur Dorfrichter-Komödie über Wahrheit/Schuld; Roman über einen Ort und deutsche Geschichte. Mittlere Reife Wahllektüren (Roadtrip-Vater-Sohn / Jugendroman im NS-Kontext / Coming-of-age / Provinzroman).
Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.