Warum beschleunigt sich die Expansion unseres Universums? Fünfundzwanzig Jahre nach ihrer Entdeckung bleibt dieses Phänomen eines der größten wissenschaftlichen Rätsel unserer Zeit. Um es zu lösen, müssen die grundlegenden Gesetze der Physik auf die Probe gestellt werden, darunter die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein.
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Ein Team der Universitäten Genf (UNIGE) und Toulouse III - Paul Sabatier verglich die Vorhersagen des berühmten Physikers mit Messungen, die auf den Daten des Dark Energy Survey-Programms basieren. Dabei entdeckte sie, dass eine leichte Abweichung auftreten könnte, je nach der Epoche der Kosmosgeschichte, in der diese Berechnungen durchgeführt werden. Diese Ergebnisse, veröffentlicht in Nature Communications, stellen die Gültigkeit von Einsteins Theorien in Frage, wenn es darum geht, Phänomene außerhalb des Sonnensystems im Maßstab des Universums zu erklären.
Nach Albert Einsteins Theorie verformt sich unser Universum unter dem Einfluss der darin vorhandenen Materie, ähnlich wie ein großes, flexibles Tuch. Diese durch die Gravitation von Himmelskörpern verursachten Verformungen werden als "Gravitationssenken" bezeichnet. Wenn das Licht diesen von Unregelmäßigkeiten geprägten Raum durchquert, wird seine Bahn durch diese Senken abgelenkt, ähnlich wie durch eine Glaslinse. Doch hier ist es die Gravitation und nicht das Glas, die das Licht krümmt. Dies wird als "gravitational lensing" bezeichnet.
Gravitationslinseneffekt ferner Galaxien durch den Galaxienhaufen Abell 2390, beobachtet vom Satelliten Euclid.
© ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, Bildbearbeitung durch J.-C. Cuillandre (CEA Paris-Saclay), G. Anselmi
Die Beobachtung dieses Effekts liefert Informationen über die Bestandteile, die Geschichte und die Expansion des Universums. Seine erste Messung im Jahr 1919 während einer Sonnenfinsternis bestätigte die Theorie Einsteins, die eine doppelt so starke Lichtablenkung wie die von Isaac Newton vorhersagt. Dieser Unterschied wird durch Einsteins Hinzufügung einer neuen "Zutat" erklärt: die Zeitverzerrung, zusätzlich zur Raumverzerrung, um die genaue Lichtkrümmung zu erreichen.
Theorie vs. Daten
Aber funktionieren diese Gleichungen an den Grenzen des Universums? Diese Frage stellen sich viele Wissenschaftler, die versuchen, die Dichte der Materie im Kosmos zu quantifizieren und die Beschleunigung seiner Expansion zu verstehen. Dank einer innovativen Nutzung der Daten des Dark Energy Survey – eines internationalen Programms, das die Formen von Hunderten von Millionen Galaxien kartiert – liefert ein Team der Universitäten Genf (UNIGE) und Toulouse III - Paul Sabatier neue Antworten.
"Bislang wurden die Daten des Dark Energy Survey verwendet, um die Verteilung der Materie im Universum zu messen. In unserer Studie haben wir sie genutzt, um direkt die Verzerrung von Raum und Zeit zu messen und unsere Ergebnisse mit Einsteins Vorhersagen zu vergleichen", erklärt Camille Bonvin, außerordentliche Professorin am Departement für theoretische Physik der Fakultät für Naturwissenschaften der UNIGE, die diese Arbeiten leitete.
Eine leichte Abweichung
Die Daten des Dark Energy Survey ermöglichen einen sehr weiten Blick in den Raum und damit auch weit in die Vergangenheit. Das französisch-schweizerische Team konnte so Analysen an 100 Millionen Galaxien zu vier verschiedenen Zeitpunkten in der Geschichte des Universums durchführen: vor 3,5, 5, 6 und 7 Milliarden Jahren. Diese Messungen ermöglichten es, zu erkennen, wie die Gravitationssenken im Laufe der Zeit wuchsen, über einen Zeitraum, der mehr als die Hälfte der Geschichte des Kosmos umfasst.
"Wir haben entdeckt, dass in der sehr weit zurückliegenden Vergangenheit, vor 6 und 7 Milliarden Jahren, die Tiefe der Senken völlig mit Einsteins Vorhersagen übereinstimmt. In der näheren Vergangenheit, vor 3,5 und 5 Milliarden Jahren, hingegen sind sie etwas weniger tief, als von Einstein vorhergesagt", berichtet Isaac Tutusaus, Astronom am Institut für Astrophysik und Planetologie (IRAP/OMP) der Universität Toulouse III - Paul Sabatier, Hauptautor der Studie.
Es ist auch in diesem näheren Zeitraum, dass die Expansion des Universums begann, sich zu beschleunigen. Es ist daher möglich, dass die Antwort auf diese beiden seltsamen Phänomene – die Beschleunigung des Universums und das langsamere Wachstum der Gravitationssenken – dieselbe ist: Die Gravitation könnte in großem Maßstab durch andere physikalische Gesetze bestimmt sein als durch die von Einstein.
Ein Grund, Einstein zu widerlegen?
"Unsere Ergebnisse zeigen, dass Einsteins Vorhersagen mit den Messungen nicht in Einklang stehen – mit einer Abweichung von 3 Sigma. In der Physik weckt ein solcher Unvereinbarkeitsgrad unser Interesse und erfordert weitere Untersuchungen. Aber diese Abweichung ist bisher nicht groß genug, um Einsteins Theorie zu widerlegen.
Dazu müsste eine Abweichung von 5 Sigma erreicht werden. Es ist daher unerlässlich, präzisere und umfangreichere Messungen durchzuführen, um diese ersten Ergebnisse zu bestätigen oder zu widerlegen und zu prüfen, ob diese Theorie in unserem Universum, in sehr großer Entfernung, weiterhin gültig ist", betont Nastassia Grimm, Postdoktorandin am Departement für theoretische Physik der Fakultät für Naturwissenschaften der UNIGE und Mitautorin der Studie.
Das Team bereitet die Analyse der neuen Daten des vor einem Jahr gestarteten Weltraumteleskops Euclid vor. Da Euclid das Universum vom Weltraum aus beobachtet, sind seine Messungen des Gravitationslinseneffekts weitaus präziser. Außerdem wird Euclid eine enorme Menge an Galaxien beobachten: Nach sechs Jahren Beobachtung werden etwa anderthalb Milliarden erwartet. Damit wird es möglich sein, die Verzerrungen von Raum und Zeit genauer zu messen, noch weiter in die Vergangenheit zu schauen und die Gleichungen von Einstein verstärkt auf die Probe zu stellen.