Während Einsteins Gravitationstheorie einen weiteren Test besteht, bleibt die dunkle Energie ein Rätsel?

Dunkle Materie vs. Schwerkraft: Einstein hat immer Recht

Neue Forschungsergebnisse könnten Wissenschaftlern dabei helfen, Gravitationslinsen – die Verzerrung des Lichts weit entfernter Galaxien – zu nutzen, um die beschleunigte Expansion des Universums zu untersuchen.

Eine künstlerische Interpretation von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. (Bildnachweis: Coffee • Getty Images)

Noch immer suchen Wissenschaftler vergeblich nach Fehlern in Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, um die mysteriöse Kraft zu erklären, die die beschleunigte Expansion des Universums antreibt.

Die Forscher untersuchten 100 Millionen Galaxien und suchten nach Anzeichen dafür, dass sich die Stärke der Schwerkraft im Laufe der Geschichte des Universums oder über große kosmische Entfernungen hinweg verändert hat. Jedes Anzeichen einer solchen Änderung würde darauf hindeuten, dass Einsteins allgemeine Relativitätstheorie unvollständig war oder einer Überarbeitung bedarf. Die Veränderungen könnten auch Aufschluss darüber geben, was dunkle Energie ist. Unter anderem ist dies der Name, den Wissenschaftler allem geben, was die Ausdehnung des Universums beschleunigt.

Was verursacht die beschleunigte Expansion des Universums?

Obwohl keine Veränderungen in der Stärke der Schwerkraft festgestellt wurden, wird die Arbeit zwei zukünftigen Weltraumteleskopen – der Euclid-Mission der NASA und dem Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA – dabei helfen, nach Schwankungen der Schwerkraftstärke in Raum und Zeit zu suchen.

„Da die Messungen immer präziser werden, besteht immer noch Raum, Einsteins Gravitationstheorie in Frage zu stellen“, sagte Teammitglied Agnes Feder, eine ehemalige Postdoktorandin am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA, in einer Erklärung.

Um zu verstehen, warum dunkle Energie und die beschleunigte Expansion des Universums Wissenschaftler so beunruhigen, stellen Sie sich vor, Sie schubsen ein Kind auf einer Schaukel an und beobachten, wie es langsamer wird und fast zum Stillstand kommt. Dann beschleunigte die Schaukel plötzlich und bewegte sich schnell weiter, ohne jeglichen Schub.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass sich die Ausdehnung des Universums nach dem ersten Schub durch den Urknall verlangsamt haben müsste. Aber das ist nicht der Fall. Sie beschleunigt sich und der Begriff „Dunkle Energie“ ist ein Platzhalter für die mysteriöse Kraft, die diese Beschleunigung antreibt.

Tatsächlich kämpft die dunkle Energie also gegen die Schwerkraft – während die Schwerkraft kosmische Objekte zusammenzieht, drückt die dunkle Energie sie auseinander. Da die dunkle Energie etwa 68 Prozent der gesamten Energie und Materie im Universum ausmacht, ist sie ein Rätsel, das die Forscher unbedingt lösen möchten. Deshalb nutzte das Team der Dark Energy Survey das 4-Meter-Teleskop Victor M. Blanco in Chile, um fünf Milliarden Jahre zurückzublicken.

Testen der Schwerkraft durch Raum und Zeit

Licht bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit, was bedeutet, dass Astronomen weit entfernte kosmische Objekte so sehen, wie sie in der Vergangenheit aussahen.

Beispielsweise benötigt das Licht etwa 7 Minuten, um von der Sonne zur Erde zu gelangen. Daher sehen wir von der Erde aus die Sterne noch genauso, wie sie vor 7 Minuten aussahen. Noch weiter entfernt: Wenn Astronomen Objekte in unserer Milchstraße in einer Entfernung von einem Lichtjahr beobachten, sehen sie, wie sie vor einem Jahr aussahen. Bei einigen der weit entfernten Galaxien, die vom James-Webb-Teleskop untersucht werden, hat das Licht zig Milliarden Jahre gebraucht, um zu uns zu gelangen, und wir sehen die Galaxien so, wie sie vor 13,8 Milliarden Jahren aussahen, als das Universum noch in den Kinderschuhen steckte. Nicht Beobachtungen der Galaxien selbst geben Aufschluss über Veränderungen der Schwerkraftstärke, sondern vielmehr darüber, was mit ihrem Licht auf der langen Reise zum Teleskop geschieht.

Eine Erkundung von Zeit und Raum

Gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie krümmt Masse das Gefüge der Raumzeit, wobei massereichere Objekte eine stärkere Krümmung bewirken. Eine gängige Analogie besteht darin, Bälle mit unterschiedlichem Gewicht auf eine gespannte Gummiplatte zu legen. Eine Bowlingkugel hinterlässt eine tiefere Delle in einer Matte als ein Tennisball. Ein Stern verzerrt die Raumzeit stärker als ein Planet.

Objekte wie Galaxien krümmen die Raumzeit so stark, dass beim Durchgang von Licht durch eine Galaxie sein Weg gekrümmt wird und sich die scheinbare Position des Objekts, das das Licht aussendet, am Himmel ändert, bis das Licht die Erde erreicht. Astronomen nennen diesen Effekt Gravitationslinseneffekt.

Am 11. Juli 2022 gab das James Webb-Weltraumteleskop der NASA das erste öffentlich zugängliche Bild in wissenschaftlicher Qualität bekannt, das bisher tiefste Infrarotbild des Universums. (Bildnachweis: NASA, NASA, Canadian Standards Association; und Space Telescope Science Institute)

Da das Licht eines leuchtenden Objekts mehrere Wege durch massereiche Objekte wie Galaxien – sogenannte Linsenobjekte – nimmt, führen Gravitationslinsen dazu, dass die Lichtquelle an mehreren Stellen am Himmel verzerrt, vergrößert und sogar unscharf erscheint. Dadurch erscheinen weit entfernte Galaxien auf dem ersten Bild des James-Webb-Weltraumteleskops unscharf. )

Die Auswirkungen der Gravitationslinsen sind jedoch subtiler und werden normalerweise durch die Anwesenheit dunkler Materie verursacht. Da dunkle Materie nur mit der Schwerkraft interagiert und nicht mit Licht und anderer Materie, werden ihre Form und Struktur ausschließlich durch die Schwerkraft verursacht.

Einstein hatte wieder einmal recht

In jüngsten Forschungsarbeiten haben Wissenschaftler, die sich mit dunkler Energie beschäftigen, in Bildern weit entfernter Galaxien nach diesen subtilen Verzerrungen, sogenannten „schwachen Gravitationslinsen“, gesucht. Die Forscher schlussfolgerten, dass sich dadurch Veränderungen in der Verteilung der Dunklen Materie in der Linsengalaxie zeigen würden, was wiederum auf Schwankungen der Schwerkraftstärke im Lauf der Zeit und des Raums hindeuten würde – und damit die mysteriöse Dunkle Energie enthüllen würde.

Beobachtungen der Form der dunklen Materie in 100 Millionen Galaxien zeigen, dass alles noch immer mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie übereinstimmt.

Dies bedeutet nicht, dass die Erkundung beendet ist. Die Astronomen werden sich nun auf die Weltraumteleskope Euclid und Roman konzentrieren, deren Start für 2023 bzw. 2027 geplant ist. Sie werden nach Schwankungen der Schwerkraft in noch älteren Galaxien suchen und hoffen, Veränderungen zu entdecken, die den Weg zum Verständnis der dunklen Energie ebnen könnten.

Während sich die neue Studie mit Galaxien befasste, die bis zu 5 Milliarden Jahre alt sind, wird Euclid bis zu 8 Milliarden Jahre zurückblicken, und Roman wird laut NASA sogar noch weiter zurückgehen und Galaxien beobachten, die bis zu 11 Milliarden Jahre alt sind.

„Wir haben noch viel zu tun, bevor wir für Euklid und Rom bereit sind“, sagte Feder. „Daher ist es zwingend erforderlich, dass wir weiterhin mit Wissenschaftlern auf der ganzen Welt zusammenarbeiten, um diese Frage zu beantworten, wie wir es mit der Dark Energy Survey tun.“

Die Ergebnisse des Teams wurden am 23. August auf der Internationalen Konferenz für Teilchenphysik und Kosmologie (COSMO'22) in Rio de Janeiro vorgestellt. Ein Artikel mit den detaillierten Ergebnissen des Teams wurde im Preprint-Repository arXiv.org veröffentlicht.

VON: Robert Lea

FY:jane

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