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Dunkle Energie: Karte gibt Aufschluss darüber, was es ist – vertieft aber den Streit über die kosmische Expansionsrate

Dunkle Energie ist heute eines der größten Geheimnisse der Wissenschaft. Wir wissen sehr wenig darüber, außer dass es unsichtbar ist, das gesamte Universum ausfüllt und Galaxien voneinander wegdrückt. Dies führt dazu, dass sich unser Kosmos schneller ausdehnt. Aber was ist es? Eine der einfachsten Erklärungen ist, dass es sich um eine „kosmologische Konstante“ handelt – ein Ergebnis der Energie des leeren Raums selbst – eine Idee, die von Albert Einstein eingeführt wurde.

Viele Physiker sind mit dieser Erklärung jedoch nicht zufrieden. Sie wollen eine grundlegendere Beschreibung ihrer Natur. Ist es eine neue Art von Energiefeld oder exotischer Flüssigkeit? Oder ist es ein Zeichen dafür, dass Einsteins Schwerkraftgleichungen irgendwie unvollständig sind? Darüber hinaus verstehen wir die aktuelle Expansionsrate des Universums nicht wirklich.

Jetzt hat unser Projekt – die erweiterte Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS) – einige Antworten gefunden. Unsere Arbeit wurde als eine Reihe von 23 Veröffentlichungen veröffentlicht, von denen einige noch von Experten begutachtet werden und die größte dreidimensionale kosmologische Karte beschreiben, die jemals erstellt wurde.

Gegenwärtig können wir die Anwesenheit dunkler Energie nur durch Beobachtungen des fernen Universums spüren. Je weiter Galaxien entfernt sind, desto jünger erscheinen sie uns. Das liegt daran, dass das Licht, das sie aussenden, Millionen oder sogar Milliarden von Jahren gebraucht hat, um unsere Teleskope zu erreichen. Dank dieser Art von Zeitmaschine können wir verschiedene Entfernungen im Raum zu verschiedenen kosmischen Zeiten messen und so herausfinden, wie schnell sich das Universum ausdehnt.

Mit dem Sloan Digital Sky Survey-Teleskop haben wir in den letzten zwei Jahrzehnten mehr als zwei Millionen Galaxien und Quasare gemessen – extrem helle und entfernte Objekte, die von Schwarzen Löchern angetrieben werden. Diese neue Karte deckt rund 11 Milliarden Jahre kosmischer Geschichte ab, die im Wesentlichen unerforscht war, und lehrt uns wie nie zuvor über dunkle Energie.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass etwa 69% der Energie unseres Universums dunkle Energie ist. Sie zeigen auch einmal mehr, dass Einsteins einfachste Form der dunklen Energie – die kosmologische Konstante – unseren Beobachtungen am besten entspricht.

Wenn sie die Informationen aus unserer Karte mit anderen kosmologischen Sonden wie dem kosmischen Mikrowellenhintergrund – dem vom Urknall übrig gebliebenen Licht – kombinieren, scheinen sie alle die kosmologische Konstante gegenüber exotischeren Erklärungen der dunklen Energie zu bevorzugen.

Die Ergebnisse bieten auch einen besseren Einblick in einige aktuelle Kontroversen über die Expansionsrate des heutigen Universums und über die Geometrie des Raums.

Die Kombination unserer Beobachtungen mit Studien des Universums in den Kinderschuhen zeigt Risse in unserer Beschreibung seiner Entwicklung. Insbesondere ist unsere Messung der aktuellen Expansionsrate des Universums etwa 10% niedriger als der Wert, der mit direkten Methoden zur Messung der Entfernung zu nahe gelegenen Galaxien ermittelt wurde. Beide Methoden behaupten, dass ihr Ergebnis korrekt und sehr genau ist, so dass ihr Unterschied nicht einfach ein statistischer Zufall sein kann.

Die Präzision von eBOSS verstärkt diese Krise. Es gibt keine allgemein akzeptierte Erklärung für diese Diskrepanz. Es kann sein, dass jemand in einer dieser Studien einen subtilen Fehler gemacht hat. Oder es könnte ein Zeichen dafür sein, dass wir neue Physik brauchen. Eine aufregende Möglichkeit ist, dass eine bisher unbekannte Form von Materie aus dem frühen Universum Spuren in unserer Geschichte hinterlassen hat. Dies ist als „frühe dunkle Energie“ bekannt, von der angenommen wird, dass sie in jungen Jahren vorhanden war, was die kosmische Expansionsrate hätte verändern können.

Jüngste Studien zum kosmischen Mikrowellenhintergrund deuteten darauf hin, dass die Geometrie des Raums gekrümmt sein kann, anstatt einfach flach zu sein – was mit der am meisten akzeptierten Theorie des Urknalls übereinstimmt. Unsere Studie kam jedoch zu dem Schluss, dass der Raum tatsächlich flach ist.

Selbst nach diesen wichtigen Fortschritten werden Kosmologen auf der ganzen Welt von der scheinbaren Einfachheit der dunklen Energie, der Ebenheit des Raums und den umstrittenen Werten der heutigen Expansionsrate verwirrt bleiben. Es gibt nur einen Weg vorwärts bei der Suche nach Antworten – größere und detailliertere Karten des Universums zu erstellen. Mehrere Projekte zielen darauf ab, mindestens zehnmal mehr Galaxien als wir zu messen.

Wenn die Karten von eBOSS als erste eine zuvor fehlende Lücke von 11 Milliarden Jahren unserer Geschichte erkunden würden, würde die neue Generation von Teleskopen eine hochauflösende Version des gleichen Zeitraums erstellen. Es ist aufregend darüber nachzudenken, dass zukünftige Umfragen möglicherweise die verbleibenden Rätsel um die Expansion des Universums in den nächsten zehn Jahren lösen können. Aber es wäre genauso aufregend, wenn sie weitere Überraschungen enthüllen würden.