Das Geheimnis der dunklen Energie: Ist die Kraft hinter der Expansion des Universums variabel?

Autor: Duan Yuechu und Huang Xianghong

Im riesigen Universum gibt es viele faszinierende Geheimnisse, die noch nicht vollständig gelöst sind, und die dunkle Energie ist zweifellos eines der Rätsel, die am meisten zum Nachdenken anregen. Wissenschaftler glauben seit langem, dass die dunkle Energie eine konstante, unveränderliche Kraft im Universum ist, so zuverlässig wie der Lauf der Zeit. Neue Forschungsergebnisse dieses Frühjahrs brachten jedoch die schockierende Entdeckung, dass die dunkle Energie offenbar nicht konsistent ist. Dieses Ergebnis war wie ein riesiger Stein, der in den ruhigen See der Wissenschaft geworfen wurde und Wellen aufwühlte.

Stellen Sie sich vor, wir sitzen mitten in einem Feuerwerk, das gerade explodiert ist. Wenn Feuerwerkskörper explodieren, zerstreuen sich die Funken, manche sammeln sich zu feurigen Fäden, während andere schnell in der Dunkelheit verschwinden. Nach einer Weile bleibt nur Rauch übrig, genau wie bei der Entwicklung des Universums. Während die Expansion von Feuerwerkskörpern durch chemische Reaktionen angetrieben wird, entsteht die Expansion des Universums durch die Energie des leeren Raums selbst. Von unserem Standpunkt aus scheint sich das Universum in alle Richtungen auszudehnen und seine Geschwindigkeit nimmt zu.

In diesem Frühjahr platzte in der Wissenschaftsgemeinde eine Bombe: Mit der Dunklen Energie, jener mysteriösen Kraft, die die Expansion des Universums beschleunigen soll, könnte etwas nicht stimmen. Zwei bekannte Untersuchungen zur Dunklen Energie, der Dark Energy Survey (DES) und das Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), sowie ein dritter Satz vorhandener Daten haben zusammen dieses bizarre Phänomen aufgedeckt. DES misst entfernte Supernovas, das DESI-Experiment misst Galaxien und Schallwellen aus dem frühen Universum und eine dritte Komponente misst die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB). Bei gemeinsamer Analyse dieser Daten sind die Ergebnisse erstaunlich.

Das DESI-Teleskop auf dem Kitt Peak in Arizona misst die Positionen von Millionen von Galaxien, wie sie vor etwa 120 Milliarden Jahren existierten. Astronomen verglichen diese beobachteten Galaxienpositionen mit den erwarteten Galaxienpositionen auf Grundlage von Vorhersagen zur Dunklen Energie und konnten dabei keine der erwarteten Streuungen feststellen. Als Kosmologen die DESI-Galaxien, DES-Supernovae und die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung kombinierten, ergab sich eine noch größere Überraschung: Die tatsächliche Karte des Universums begann von den theoretischen Modellen abzuweichen.

Was bedeutet diese Entdeckung? Sollten die neuen Ergebnisse zutreffen, könnte die dunkle Energie, die lange Zeit als unveränderlich galt, doch veränderlich sein. Dies ist zweifellos ein gewaltiger Schock für die Kosmologie. „Wenn das stimmt, wäre das eine große Sache“, sagt Licia Verde, theoretische Kosmologin am Institut für Kosmologische Wissenschaften der Universität Barcelona in Spanien. Sie betont aber auch, dass eine solch außergewöhnliche Behauptung wie immer außergewöhnliche Beweise erfordert, um sie zu untermauern.

Seit ihrer Entdeckung wird die Dunkle Energie als unveränderliche Kraft im Universum angesehen. Der Kosmologe Paul J. Steinhardt von der Princeton University merkte an, dass die Entdeckung nur dann als real bestätigt werden könne, wenn die Ergebnisse einer sorgfältigen Prüfung standhalten. Und im Moment ist es noch zu früh.

Um die möglichen Auswirkungen dieser Entdeckung zu verstehen, müssen wir in die Zeit Einsteins zurückgehen. Als Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie formulierte, ging er davon aus, dass das Universum einheitlich und stationär sei. Allerdings wussten wir damals noch nicht einmal, dass es andere Galaxien gab, und es gab Belege dafür, dass die Sterne dort nicht gleichmäßig verteilt waren. In Einsteins Gleichungen sind Schwerkraft und Gleichförmigkeit unvereinbar und die Schwerkraft führt zu Instabilität. Wenn in einem gekrümmten Universum die Schwerkraft dominieren würde, müsste alles im Universum zu einem riesigen Klumpen zusammengeballt sein, aber das ist nicht der Fall. Einstein stellte daraufhin die Hypothese auf, dass es eine Art kosmische Kraft gebe, die die Schwerkraft aufhebt. Er nannte sie „kosmologische Konstante“ und beschrieb sie mit dem griechischen Buchstaben Lambda.

Doch 1929 entdeckte Edwin Hubble, dass das Universum nicht statisch ist, sondern sich ausdehnt. Einstein gab daher diese kontinuierliche Reaktionskraft auf und nannte sie seinen „größten Fehler“. Im Jahr 1998 stellten Adam G. Rees, Saul Perlmutter und Brian Schmidt jedoch in ihren Untersuchungen fest, dass Supernovae, die in der frühen Phase des Universums explodierten, schwächer leuchteten als erwartet. Dies ließ darauf schließen, dass sich das Universum immer schneller nach außen ausdehnte, vermutlich aufgrund einer allgegenwärtigen, konstanten Kraft. Damit wurde die kosmologische Konstante wiederbelebt und Wissenschaftler glauben, dass die ihr zugrunde liegende Kraft von der Energie im leeren Raum herrührt, die sie Vakuumenergie oder dunkle Energie nennen.

Alle Beobachtungen seit den späten 1990er Jahren scheinen dieses Szenario zu bestätigen. Lambda ist heute das Herzstück des Standardmodells der Kosmologie, das dunkle Energie mit der Schwerkraft einer großen Menge unsichtbarer „kalter dunkler Materie“ (CDM) kombiniert und als Lambda-CDM-Modell bekannt ist. In diesem Modell bestehen etwa 68 % des Universums aus dunkler Energie, 27 % aus dunkler Materie und die restlichen 5 % sind alles, was wir sehen und messen können, einschließlich Galaxien, Sterne und sogar wir selbst. Untersuchungen wie DESI zielen darauf ab, genaue Messungen der dunklen Energie durchzuführen, um Erkenntnisse über ihre Besonderheiten zu gewinnen.

Allerdings sind nicht alle mit dem Lambda-CDM-Modell zufrieden. Steinhardt sagte: „Das scheint eine sehr seltsame Reihe von Dingen zu sein. Der einzige Vorteil ist, dass sie durch eine Zahl beschrieben wird. Aber das bedeutet nicht, dass wir es glauben sollten.“ Wenn sich herausstellt, dass dunkle Energie zeitvariabel ist, eröffnet dies der Kosmologie zahlreiche Möglichkeiten.

Die Ökonomen haben mehr zu tun, seit die Ergebnisse der DESI-Umfrage im April mit der 3D-Karte kombiniert wurden. Bisher ist es keiner Theorie gelungen, Lambda durch eine andere nicht-konstante kosmische Kraft zu ersetzen. Schon vor der neuen Entdeckung waren einige Kosmologen geneigt, nach Alternativen zur konstanten dunklen Energie zu suchen, weil die Idee zu bizarr war – andere bekannte Kräfte sind nicht konstant, sondern variieren mit der Zeit, dem Druck und anderen Faktoren – und weil Lambdas Einführung anderer physikalischer Theorien absurd erschien. „Wenn man in der Quantentheorie die Energie des leeren Raums berechnet, erhält man kein sinnvolles Ergebnis; man erhält unendlich“, sagte Joshua A. Freeman, ein Kosmologe an der Universität von Chicago. „Das ist einer der Gründe, warum die Leute nach Alternativen suchen, weil wir nicht verstehen, warum es einen solchen Wert hat.“

Theoretiker haben mehrere Ideen für die neue dunkle Energie vorgeschlagen, von denen die meisten ein flüssigkeitsähnliches Energiefeld ähnlich dem Higgs-Feld beinhalten, das normalen Teilchen ihre Masse verleiht. Diese vorgeschlagenen dunklen Energiefelder werden oft als „Essenz“ bezeichnet, benannt nach dem klassischen fünften Element, das erstmals in der Antike erdacht wurde. Dieses Energiefeld (auch Skalarfeld genannt) funktioniert auf verschiedene Weise und kann die von uns beobachteten Ergebnisse hervorrufen, wie etwa das Auseinandertreiben von Galaxien und die scheinbare Ausdehnung des Universums. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass diese kosmische Kraft vorübergehend und nicht dauerhaft ist.

Einige Theoretiker bevorzugen die klassische Theorie, weil sie eine mögliche, frühere Version des Skalarfelds, die sogenannte kosmische Inflation, untersucht haben. Dieses Feld hätte das Universum unmittelbar nach dem Urknall beeinflusst und seine Expansion exponentiell vorangetrieben, bevor es sich schließlich beruhigte und sich mit einer langsameren Rate weiter beschleunigte. Rees glaubt, dass das Skalarfeld hinter der modernen dunklen Energie wie eine „kleine Inflation“ sei. Solange im physischen Raum des Universums Energie vorhanden ist, wird das Universum beschleunigt. Dieses dunkle Energiefeld ist extrem schwach, etwa 30 Größenordnungen schwächer als das Higgs-Feld, und es ist, genau wie die Ausdehnung des Universums, vorübergehend.

Eine populäre Version, die erstmals 1995 von Freeman und seinen Mitarbeitern vorgeschlagen wurde, wird als „auftauende“ oder „langsam fließende“ dunkle Energie bezeichnet. Jessie Muir, eine theoretische Kosmologin am Perimeter Institute, sagt, dass seine Wirkung auf das Universum der kosmologischen Konstante ähnelt. „Es manifestiert sich als leerer Raum mit einer Art intrinsischer Energiedichte, aber da es sich in späteren Universen ändert, kann es in späteren Universen zu Abweichungen kommen“, erklärte sie.

Stellen Sie sich einen Ball vor, der einen Hügel hinunter in Richtung eines flachen, U-förmigen Tals rollt. Ohne Reibung würde der Ball in die entgegengesetzte Richtung rollen und dann hin und her schwingen. Das durch die Kugel dargestellte Feldpotential beschreibt, wie leicht es ist, das Feldpotential im Verhältnis zur Dichte oder Ausdehnung des Universums zu verschieben. Auf diese Weise lässt sich auch das Higgs-Feld verstehen, das in seiner Anfangszeit, bevor das Universum seinen heutigen Zustand erreichte, möglicherweise einige Veränderungen durchlief. Ein ähnliches, aber stärkeres Feld könnte die Ausdehnung des Universums verursacht haben. Wenn dunkle Energie auf die gleiche Weise funktioniert, sagte Freeman, dann gibt es einen Präzedenzfall.

„Bei dem einzigen anderen Beispiel für Beschleunigung, das wir kennen, wissen wir, dass es sich nicht um dunkle Energie handelt, die eine Konstante ist. Es ist etwas anderes“, sagte er. „Ich war schon immer der Meinung, dass wir unvoreingenommen gegenüber den Ursachen für die derzeitige Beschleunigung der Expansion des Universums bleiben müssen.“ In Freemans Version wurde der Ball zu Beginn des Universums an der Seite eines Berges platziert. Der Ball blieb zunächst stecken, weil das Universum zu dicht war, um schnell genug zu rollen. Während sich das Universum ausdehnt und die Materie verdünnt, kommt der Ball ins Rollen. Dies wird als „aufgetautes“ Dunkle-Energie-Modell bezeichnet, da die Kugeln auftauen und sich zu bewegen beginnen. „Es ist genau wie dunkle Energie, aber die Wirkung der dunklen Energie auf die Ausdehnung des Universums ist anders, als wenn sie völlig konstant wäre“, sagte Freeman. „Und es könnte genau so aussehen, wie es DESI, die Dark Energy Survey und aktuelle Daten der CMB vermuten lassen.“

Zusätzlich zu den oben genannten Theorien testen Theoretiker Ideen wie den „Big Bounce“, ein zyklisches Universumsmodell, in dem der Urknall immer wieder auftritt, und Varianten der allgemeinen Relativitätstheorie – Modelle, in denen sich die Schwerkraft unter anderem im sehr frühen Universum oder auf unterschiedlichen Skalen unterschiedlich verhält.

Um dunkle Energie oder welche andere Kraft auch immer die Expansion des Universums vorantreibt, aufzudecken, steht eine neue Generation von Observatorien bevor. Das von der Europäischen Weltraumorganisation betriebene Weltraumteleskop Euclid wurde letztes Jahr gestartet und wird bis 2030 daran arbeiten, fast ein Drittel des Himmels zu kartieren und dunkle Materie und dunkle Energie zu katalogisieren. Das zukünftige Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA wird mehr als eine Milliarde Galaxien untersuchen und tiefer in die Erforschung der dunklen Energie eintauchen. Die DES-Untersuchung wird bis 2026 andauern.

Damit Lambda sinkt, müssen Kosmologen ein Fünf-Sigma-Konfidenzniveau erreichen. Das bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Ergebnisse ein Fehler oder das Ergebnis eines Zufalls sind, nur etwa eins zu einer Million beträgt. Bisher deuten die Ergebnisse der DESI-, DES- und kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung des Planck-Satelliten auf eine Drei-Sigma-Wahrscheinlichkeit oder etwa 0,3 Prozent hin, dass das Ereignis zufällig eintritt. Obwohl dies nach einem starken Beweis klingt, können Drei-Sigma-Ergebnisse bei genauer Betrachtung versagen, sodass Fünf-Sigma-Ergebnisse für echte wissenschaftliche Entdeckungen von entscheidender Bedeutung sind. DESI arbeitet noch, aber das Team hatte ein Jahr Zeit, die Daten der Milchstraße zu durchforsten, und Verde sagte, ihre Kollegen seien auf dem besten Weg.

Jessie Muir, die sich auch mit der allgemeinen Relativitätstheorie und Tests der Schwerkraft auf verschiedenen Skalen beschäftigt, glaubt, dass der aktuelle Zustand des Universums die besten Hinweise liefern wird. Wenn dunkle Energie ein flüssigkeitsähnliches Energiefeld ist, wie es in der Natur vorkommt, dann würde das Modell eine Art Beziehung zwischen der Ausdehnung des Universums im Laufe der Zeit und der Verklumpung der kosmischen Struktur vorhersagen. Kosmologen können nach Korrelationen zwischen Expansion und Wachstum suchen, etwa der Bildung von Galaxienhaufen, um die Natur und Kraft der Schwerkraft jenseits der allgemeinen Relativitätstheorie zu verstehen.

Sogar Verde, der an der DESI-Analyse arbeitet, ist skeptisch, dass Lambda-CDM gekippt wird. „Ich bin wirklich konservativ, aber bin ich auf dieser Grundlage bereit, die anhaltende dunkle Energie persönlich aus dem Fenster zu werfen – noch nicht“, sagte sie. „Jetzt müssen wir es weiter beobachten und besser verstehen.“

Rees sagt, dass viele Kosmologen Lambda aufmerksam beobachten, aber noch keine endgültige Entscheidung getroffen haben. Steinhardt glaubt, dass bei den neuen Erkenntnissen systematische Fehler eine Rolle spielen könnten, insbesondere wenn drei verschiedene Datentypen kombiniert werden, um zu einer umfassenden Schlussfolgerung zu gelangen. „Jeder tut sein Bestes, aber man sollte die Sache mit Vorsicht betrachten“, sagte er.

Wenn Lambda irgendwie überlebt, wird es ein sehr langweiliges – und philosophisch herausforderndes – Ende sein. Die Zukunft des Universums wird kalt, leer, fern und still sein. Die Ausdehnung würde sich unendlich beschleunigen, bis die Atome selbst so dünn gedehnt wären, dass ihre Zentren sich nicht mehr selbst tragen könnten und sie kollabieren würden.

Aber Freeman meinte, die Zukunft werde vielleicht rosiger. „Diese Hinweise von DESI und DES sagen uns, dass wir weiter voranschreiten müssen“, fügte er hinzu.

Die wissenschaftliche Erforschung endet nie und die Forschung zur dunklen Energie geht weiter. Jede neue Entdeckung, jede Frage und jede Bestätigung bringt uns der Wahrheit über das Universum näher. In diesem riesigen Universum warten unzählige Geheimnisse darauf, von uns gelüftet zu werden.

Die Entdeckung der dunklen Energie hatte tiefgreifende und vielfältige Auswirkungen auf unser Verständnis der Entwicklung des Universums:

1. Es verändert unser Verständnis der Ausdehnung des Universums. Vor der Entdeckung der dunklen Energie glaubte man allgemein, dass sich die Ausdehnung des Universums aufgrund des Einflusses der Schwerkraft allmählich verlangsamen würde. Die Existenz dunkler Energie führt jedoch zu einer beschleunigten Expansion des Universums, was alle bisherigen Erwartungen auf den Kopf stellt und uns erkennen lässt, dass die Entwicklung des Universums komplexer und dynamischer sein könnte, als wir uns vorgestellt haben.

2. Die Entdeckung der dunklen Energie hat uns dazu veranlasst, die Zusammensetzung des Universums zu überdenken. In der Vergangenheit haben wir uns hauptsächlich auf sichtbare Materie und dunkle Materie konzentriert, aber die Entdeckung der dunklen Energie bedeutet, dass es im Universum eine dominante Komponente gibt, über die wir sehr wenig wissen. Dies zwingt uns dazu, unser Verständnis der Verteilung von Materie und Energie im Universum und ihrer Wechselwirkung bei der Gestaltung der Evolution des Universums zu überdenken.

3. Die Natur und die Veränderungen der dunklen Energie haben einen entscheidenden Einfluss auf das zukünftige Schicksal des Universums. Wenn die dunkle Energie weiter zunimmt, wird sich das Universum schneller ausdehnen, wodurch die Galaxien immer weiter voneinander entfernt werden und sich möglicherweise irgendwann ein kaltes, leeres und isoliertes Universum bildet. Wenn sich andererseits die Eigenschaften der Dunklen Energie ändern oder sich als nicht konstant erweisen, könnte der Entwicklungspfad des Universums anders verlaufen, was uns neue Möglichkeiten und Herausforderungen bietet, über das endgültige Ziel des Universums nachzudenken.

4. Die Erforschung der dunklen Energie hat auch die Entwicklung der theoretischen Physik gefördert. Um den Ursprung und die Natur der dunklen Energie zu erklären, haben Wissenschaftler verschiedene theoretische Modelle und Hypothesen vorgeschlagen, die eine tiefere Erforschung der Physik auf Mikro- und Makroebene angeregt haben und voraussichtlich die Entstehung neuer physikalischer Theorien fördern werden.

Kurz gesagt: Die Entdeckung der dunklen Energie hat unser Verständnis der Evolution des Universums enorm erweitert, gleichzeitig aber auch viele herausfordernde Fragen aufgeworfen und Richtungen für die zukünftige wissenschaftliche Forschung aufgezeigt.