Das Universum könnte anders sein als Einstein vorhergesagt

GenfDas Universum dehnt sich immer schneller aus, obwohl Astronomen noch nicht genau wissen, warum. Um dies herauszufinden, hat ein Team von Kosmologen der Universität Toulouse III – Paul Sabatier und der Universität Genf das aktuelle, von Einsteins Theorien vorhergesagte Universumsmodell auf die Probe gestellt. Die Ergebnisse: veröffentlicht in der Zeitschrift Naturkommunikation, deuten darauf hin, dass die Allgemeine Relativitätstheorie, die der deutsche Physiker vor über hundert Jahren entwickelte, möglicherweise nicht ausreicht, um die Entwicklung des Universums genau zu beschreiben. „Wir haben genügend Beweise, um zu glauben, dass Einsteins Theorie nicht endgültig ist“, sagt Isaac Tutusaus, ein katalanischer Kosmologe an der Universität Toulouse III – Paul Sabatier und Co-Autor der Studie.

„Diese Beobachtungen sind äußerst wichtig, weil sie die Grundlagen der Kosmologie in Frage stellen und uns helfen zu verstehen, woraus unser Universum besteht“, sagt Camille Bonvin, Co-Autorin der Studie, von ihrem Büro an der Universität Genf, wo sie eine außerordentliche Professorenstelle am Institut für Theoretische Physik innehat.

Ein Katalog von 100 Millionen Galaxien

Eine der am weitesten verbreiteten Hypothesen zur Erklärung dieser beschleunigten Expansion geht von der Existenz einer neuen Energieart aus, die als Dunkle Energie bezeichnet wird und die Ausdehnung des Universums bewirkt. Obwohl ihre Häufigkeit geschätzt werden kann, sind Ursprung und Natur dieser Energie noch immer unbekannt.

Das Projekt Dark Energy Survey wurde ins Leben gerufen, um die Menge an Dunkler Energie in unserem Universum zu messen. Dabei kommt eine Kamera am Victor-M.-Blanco-Teleskop des Interamerikanischen Observatoriums Cerro Tololo nahe der chilenischen Stadt La Serena zum Einsatz. Eines der Hauptziele des Projekts ist die Erstellung einer dreidimensionalen Karte der Galaxienpopulation in einem Teil des Universums. „Die Schwerkraft lässt Galaxien zusammenklumpen und Strukturen bilden. Die Untersuchung dieser Strukturen liefert uns Informationen über Dunkle Materie und Energie, die 95 % des Universums ausmachen“, sagt Tutusáus.

Das Forscherteam nutzte einen Teil der vom Dark Energy Survey gesammelten Daten. Insbesondere analysierten sie, wie das Universum im Großen und Ganzen den Weg des Lichts verändert – ein Effekt, der als Gravitationslinse bekannt ist und wie eine kosmische Lupe wirkt. Die Lichtbrechung ist ein genauer Indikator für die Menge an Materie – bestehend aus Galaxien, Galaxienhaufen und anderen massereichen Strukturen –, die sich zwischen der emittierenden Quelle und uns befindet. „Aufgrund der Verzerrung beobachten wir, dass sich die Galaxien nicht an ihren wahren Positionen befinden und im Vergleich zu ihrem tatsächlichen Standort verzerrt erscheinen“, kommentiert Bonvin.

Die Studie sammelt Daten von 100 Millionen Galaxien. Diese stammen aus verschiedenen Zeitpunkten der Universumsgeschichte und ermöglichen es uns zu beurteilen, wie sich die Raumzeitkrümmung zu verschiedenen Zeiten entwickelt hat. „Wir haben festgestellt, dass der Krümmungseffekt in den Messungen des jüngsten Universums schwächer ist als von Einsteins Theorie vorhergesagt“, sagt Tutusáus. Diese Diskrepanz fällt genau mit dem Zeitpunkt zusammen, als sich die Expansion des Universums zu beschleunigen begann.

Eine weitläufige Geschichte

Dank der Lichtablenkung durch den Einfluss der Sonne bewies Arthur Eddington 1919 die Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie, die Einstein vier Jahre zuvor veröffentlicht hatte. Anhand seiner Gleichungen sagte der Kosmologe und Priester Georges Lemaître voraus, dass sich das Universum ausdehnen müsse und zu einem bestimmten Zeitpunkt seinen Anfang genommen habe. Lemaître legte den Grundstein für das, was wir heute als Urknall kennen. Physikalisch ergab dieser keinen Sinn. So sehr, dass Einstein seine Gleichungen modifizierte, um ein statisches Universum zu beschreiben.

Das aktuelle Modell des Universums, bekannt als ΛCDM (Lambda-CDM), beschreibt eine breite Palette von Phänomenen. Kosmologen sind jedoch auf einige Einschränkungen gestoßen, die sie zu der Frage führen, ob Einstein, wie die jüngste Studie nahelegt, erneut „falsch“ liegen könnte.

Einstein wird nicht das letzte Wort haben

Obwohl die beobachtete Diskrepanz signifikant genug ist, ist sie noch nicht endgültig, da sie schlicht auf statistische Schwankungen zurückzuführen sein könnte. Wissenschaftler sind daher vorsichtig, bevor sie zu dem Schluss kommen, dass das Modell des Universums grundlegend überarbeitet werden muss. „Eine Theorie ist nie für immer wahr; sie gilt nur so lange, wie sie die Beobachtungen erklären kann“, sagt Bonvin und fügt hinzu: „Um Einsteins Theorie zu widerlegen, müssen wir die Unsicherheiten unserer Messungen noch weiter reduzieren.“

Daher umfasst die nächste Beobachtungsphase die Nutzung von Daten von 1,5 Milliarden Galaxien, die vom Euclid-Weltraumteleskop aufgezeichnet wurden. Das Teleskop befindet sich etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt und hat die Aufgabe, den Weltraum mit höchster Präzision zu kartieren, einschließlich der Menge an Dunkler Materie und Energie. Die neuen Daten werden grundlegende Informationen über den Aufbau unseres Universums und die Gültigkeit der Modelle liefern, die es beschreiben.

Tutusáus schätzt es sehr, dass die im Rahmen dieser Kooperationen gesammelten Daten öffentlich zugänglich sind und alle Forscher davon profitieren können. „Der Wissensaustausch ist unerlässlich, um unser Verständnis des Universums zu erweitern“, so sein Fazit.