Dunkle Energie: Der kosmische Trickser verändert die Spielregeln

Eine Karte unseres Universums von Desi

Desi hat die bisher größte 3D-Karte unseres Universums erstellt

(Bild: Claire Lamman/DESI )

Die mysteriöse Dunkle Energie scheint nicht konstant zu sein. Steht unser Verständnis vom Universum vor einem Umbruch? Ein Gastbeitrag.

Der große russische Physiker und Nobelpreisträger Lev Landau hat einmal gesagt: "Kosmologen irren sich oft, aber sie zweifeln nie". Wenn wir die Geschichte des Universums erforschen, besteht immer die Möglichkeit, dass wir uns irren, aber wir lassen uns davon nicht in unserer Forschung beirren.

3D-Karte des Universums

Vor wenigen Tagen wurde eine neue Pressemitteilung veröffentlicht, in der bahnbrechende Entdeckungen des Dark Energy Spectroscopy Instrument (Desi), das am Mayall-Teleskop in Arizona installiert ist, bekannt gegeben wurden.

Diese umfassende Durchmusterung, die die Positionen von 15 Millionen Galaxien enthält, ist die bisher größte dreidimensionale Kartierung des Universums. Zur Einordnung: Das Licht der am weitesten entfernten Galaxien im Desi-Katalog wurde vor elf Milliarden Jahren ausgesandt, als das Universum etwa ein Fünftel seines heutigen Alters hatte.

Die Desi-Forscher untersuchten eine Eigenschaft der Galaxienverteilung, die Astronomen als "baryonische akustische Oszillationen" bezeichnen. Durch den Vergleich mit Beobachtungen des frühen Universums und von Supernovae konnten sie vermuten, dass die Dunkle Energie – die geheimnisvolle Kraft, die die Expansion unseres Universums antreibt – in der Geschichte des Universums nicht konstant war.

Eine optimistische Sicht der Dinge ist, dass die Natur der Dunklen Materie und der Dunklen Energie früher oder später entdeckt werden wird. Die ersten Einblicke in die Ergebnisse von Desi geben zumindest einen kleinen Hoffnungsschimmer dafür.

"Neuerfindung" der Kosmologie

Es könnte aber auch nicht sein. Es könnte sein, dass wir weitersuchen, ohne einen Fortschritt in unserem Verständnis zu machen. Dann müssten wir nicht nur unsere Forschung, sondern die gesamte Kosmologie überdenken. Wir müssten ein gänzlich neues kosmologisches Modell finden, das genauso gut funktioniert wie das jetzige, aber auch diese Diskrepanz erklären kann. Das wäre natürlich eine gewaltige Aufgabe.

Für viele Wissenschaftsinteressierte ist dies eine aufregende, möglicherweise revolutionäre Perspektive. Aber eine solche Neuerfindung der Kosmologie und der Wissenschaft insgesamt ist nicht neu, wie in dem Buch The Reinvention of Science argumentiert wird.

Die Suche nach zwei Zahlen

Bereits 1970 schrieb Allan Sandage einen viel zitierten Artikel, in dem er auf zwei Zahlen hinwies, die uns den Antworten auf die Frage nach der Natur der kosmischen Expansion näher bringen. Sein Ziel war es, diese Zahlen zu messen und herauszufinden, wie sie sich mit der kosmischen Zeit verändern. Bei diesen Zahlen handelt es sich um die Hubble-Konstante, H₀, und den Zeitverzögerungsparameter, q₀.

Die erste dieser beiden Zahlen gibt an, wie schnell sich das Universum ausdehnt. Der zweite ist der Gravitationsparameter: Als Anziehungskraft sollte die Gravitation der kosmischen Expansion entgegenwirken. Einige Daten zeigten eine Abweichung vom Hubble-Lemaître-Gesetz, dessen Maß die zweite Sandagesche Zahl q₀ ist.

Bis 1997 konnten keine signifikanten Abweichungen von der Hubble-Geraden beobachtet werden, bis das Supernova Cosmology Project von Saul Perlmutter und das High-Z SN Search Team unter der Leitung von Adam Riess und Brian Schmidt Durchbrüche erzielten. Ziel dieser Projekte war es, Supernovae in weit entfernten Galaxien zu suchen und zu verfolgen.

Diese Projekte fanden eine deutliche Abweichung von der einfachen Geraden des Hubble-Lemaître-Gesetzes, allerdings mit einem wichtigen Unterschied: Die Ausdehnung des Universums beschleunigt sich, anstatt sich zu verlangsamen. Perlmutter, Riess und Schmidt führten diese Abweichung auf Einsteins kosmologische Konstante zurück, die mit dem griechischen Buchstaben Lambda, Λ, bezeichnet wird und mit dem Verzögerungsparameter zusammenhängt.

Für ihre Arbeit erhielten sie 2011 den Nobelpreis für Physik.

Dunkle Energie: 70 Prozent des Universums

Überraschenderweise ist diese Lambda-Materie, auch Dunkle Energie genannt, die dominierende Komponente des Universums. Sie hat die Ausdehnung des Universums so stark beschleunigt, dass sie die Schwerkraft überwindet, und macht fast 70 Prozent der gesamten Dichte des Universums aus.

Über die kosmologische Konstante Λ wissen wir wenig oder gar nichts. Wir wissen nicht einmal, dass sie eine Konstante ist. Einstein sagte zum ersten Mal, dass es ein konstantes Energiefeld gibt, als er 1917 sein erstes kosmologisches Modell aus der Allgemeinen Relativitätstheorie ableitete, aber seine Lösung war weder expandierend noch kontrahierend. Sie war statisch und unveränderlich, also musste das Feld konstant sein.

Es war einfacher, ausgefeiltere Modelle zu konstruieren, die dieses konstante Feld enthielten: Sie wurden von dem belgischen Physiker Georges Lemaître, einem Freund Einsteins, abgeleitet. Die heutigen Standardmodelle der Kosmologie basieren auf Lemaîtres Arbeiten und werden als Λ Cold Dark Matter (ΛCDM)-Modelle bezeichnet.

Die Desi-Messungen allein sind mit diesem Modell völlig konsistent. Kombiniert man sie jedoch mit Beobachtungen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung und von Supernovae, so erhält man das am besten passende Modell, das eine Dunkle Energie beinhaltet, die sich im Laufe der kosmischen Zeit verändert hat und (möglicherweise) in Zukunft nicht mehr dominant sein wird. Kurz gesagt würde dies bedeuten, dass die kosmologische Konstante die Dunkle Energie nicht erklärt.

Der Big Crunch

1988 schrieben P.J.E. Peebles, Nobelpreisträger für Physik 2019, und Bharat Ratra einen Artikel über die Möglichkeit, dass es eine kosmologische Konstante gibt, die sich mit der Zeit verändert. Als sie dieses Papier veröffentlichten, gab es keine ernsthafte Meinung zu Λ.

Das ist ein interessanter Vorschlag. In diesem Fall wäre die gegenwärtige Phase beschleunigter Expansion vorübergehend und würde irgendwann in der Zukunft enden. Andere Phasen in der kosmischen Geschichte hatten einen Anfang und ein Ende: Inflation, das strahlungsdominierte Zeitalter, das materiedominierte Zeitalter und so weiter.

Die derzeitige Dominanz der Dunklen Energie könnte also im Laufe der kosmischen Zeit abnehmen, was bedeuten würde, dass sie keine kosmologische Konstante ist. Das neue Paradigma würde implizieren, dass sich die gegenwärtige Expansion des Universums schließlich in einen "Big Crunch" umkehren könnte.

Lesen Sie auch

Andere Kosmologen sind vorsichtiger, nicht zuletzt Carl Sagan, der weise feststellte, dass "außergewöhnliche Behauptungen außergewöhnliche Beweise erfordern". Es ist wichtig, mehrere unabhängige Beweislinien zu haben, die zu derselben Schlussfolgerung führen. So weit sind wir noch nicht.

Antworten könnten von einem der derzeit laufenden Projekte kommen – nicht nur von Desi, sondern auch von Euclid und J-PAS –, die darauf abzielen, die Natur der Dunklen Energie durch groß angelegte Galaxienkartierungen zu erforschen.

Während die Funktionsweise des Kosmos selbst noch zur Debatte steht, ist eines sicher: Die Kosmologie steht vor einer faszinierenden Zeit.

Bernard J.T. Jones ist emeritierter Professor, Universität Groningen (Niederlande).
Licia Verde ist ICREA-Professorin für Kosmologie am ICCUB der Universität Barcelona (Spanien).
Vicent J. Martínez ist Professor für Astronomie und Astrophysik an der Universität Valencia (Spanien) und Mitglied des Astronomischen Observatoriums derselben Einrichtung.
Virginia L Trimble ist Dozentin für Physik und Astronomie der University of California, Irvine (USA).


Dieser Text erschien zuerst auf The Conversation auf Englisch und unterliegt einer Creative-Commons-Lizenz.