Hartnäckiges Rätsel: Warum dehnt sich das Universum immer schneller aus? Könnte Einsteins Vorstellung von der Schwerkraft falsch oder unvollständig sein? Astronomen haben dies nun anhand von 100 Millionen Galaxien für sechs alternative Theorien untersucht: Modelle, die Einsteins Beschreibung der Gravitation modifizieren oder noch unbekannte Teilchen hinzufügen. Das Ergebnis: Einstein und das aktuelle kosmologische Modell haben zumindest vorerst recht.
Es ist eines der großen Rätsel der modernen Kosmologie: Unser Universum dehnt sich immer schneller aus, weil etwas der Schwerkraft entgegenzuwirken scheint. Dunkle Energie gilt als möglicher Kandidat dafür, aber es ist unklar, ob es sie gibt und woraus sie besteht. Es gibt aber auch einige Theorien, die den Grund für die beschleunigte Expansion in noch nicht entdeckten Teilchen sehen oder sogar in der Gravitation selbst suchen. Im Gegensatz zu Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie postulieren diese alternativen Theorien, dass die Schwerkraft mit der Dichte, Größe oder Zeit der Materie variiert.
Das Gravitationslinsen-Prinzip: Die Anziehungskraft der Vordergrundgalaxie verzerrt und lenkt Licht von entfernten Objekten ab. © NASA/CXC/M.Weiss
Gravitationslinsen als Testwerkzeug
Das internationale Forschungskollektiv Dark Energy Survey (DES) hat nun den bisher umfassendsten Test von sechs alternativen Theorien durchgeführt. Dazu nutzen die Forscher DES-Messdaten von mehr als 100 Millionen Galaxien, die in den vergangenen drei Jahren von der Dark Energy Camera am Vier-Meter-Teleskop des Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chile untersucht wurden. Allen diesen Galaxien ist gemeinsam, dass sie Teil von Gravitationslinsen sind.
Bei diesem Phänomen verzerrt eine Vordergrundgalaxie das Licht einer weiter entfernten Hintergrundgalaxie. Das Ausmaß der Verzerrung gibt Aufschluss darüber, wie stark die Gravitation der Vordergrundgalaxie das Licht beeinflusst. Im ersten Schritt ihrer Studie nutzten die Astronomen diesen Gravitationslinseneffekt, um zu testen, ob entfernte Linsengalaxien die gleiche Gravitationswirkung haben wie nahegelegene. Daraus lässt sich ableiten, ob die Schwerkraft zu verschiedenen Zeiten gleich stark war.
Alternative Theorien gehen nicht auf
Im nächsten Schritt testeten die Wissenschaftler, ob das aktuelle kosmologische Modell, das sogenannte ΛCDM-Modell, zu den beobachteten Daten passt. In ähnlicher Weise testeten sie dann die “Anpassung” der sechs alternativen Theorien. Dazu gehörten eine zeitabhängige Gravitationsgleichung, eine nicht flache Krümmung des Raums, zusätzliche relativistische Freiheitsgrade, sterile Neutrinos, Modifikationen der Gravitationsphysik und variable Wachstumsraten kosmischer Strukturen.
Das Ergebnis: „Unsere Analyse zeigt keine signifikanten Abweichungen vom ΛCDM-Modell“, berichtet das Team. Dementsprechend gibt es keine Beweise dafür, dass die Stärke oder das Verhalten der Schwerkraft zwischen entfernten und nahen Galaxien unterschiedlich ist. Sie blieb auch über verschiedene Größenordnungen hinweg konstant. Beobachtungsdaten stimmen auch nicht mit hypothetischen Teilchen überein, die die Schwerkraft beeinflussen, wie etwa sterile Neutrinos. Sie bestätigten auch die Flachheit der Raumkrümmung.
das Geheimnis bleibt
„Letztendlich finden wir für keines der in unserer Analyse untersuchten alternativen Modelle signifikante Präferenzen“, konstatieren die Wissenschaftler. „Das aktuelle kosmologische ΛCDM-Modell bleibt das bevorzugte Modell zur Beschreibung unserer Messdaten.“ Dasselbe Ergebnis kam auch bei einer weiteren Überprüfung mit Daten der Planck-Mission zur kosmischen Hintergrundstrahlung sowie Messdaten von Supernovae und der Verteilung von Galaxien.
Das heißt: Dunkle Energie scheint bisher noch die beste Erklärung für die kosmische Expansion zu bieten, obwohl ihre Existenz nicht bewiesen und völlig mysteriös ist. Es ist im Grunde nichts anderes als ein Begriff, der die kosmologische Konstante der Einsteinschen Feldgleichungen beschreibt. „Natürlich gibt es immer noch Raum, Einsteins Gravitationstheorie in Frage zu stellen“, erklärt Co-Autorin Agnès Ferté vom Jet Propulsion Laboratory der NASA.
„Es ist daher unerlässlich, mit Forschern auf der ganzen Welt zusammenzuarbeiten, um dieses Problem zu lösen, wie wir es beim Dark Energy Survey getan haben“, fährt Ferté fort. (International Conference on Particle Physics and Cosmology (COSMO’22); Preprint: arXiv:2207.05766)
Quelle: NASA/Jet Propulsion Laboratory
12.09.2022
– Nadja Podbregar