Treibt eine riesige Leere das Universum auseinander?

Kosmologen schlagen einen riesigen Hohlraum im Weltraum als Lösung für die „Hubble-Spannung“ vor, stellen damit herkömmliche Modelle in Frage und schlagen eine Überarbeitung von Einsteins Gravitationstheorie vor.

Eines der größten Geheimnisse der Kosmologie ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt. Dies kann mithilfe des Standardmodells der Kosmologie, auch bekannt als Lambda-kalte Dunkle Materie (ΛCDM), vorhergesagt werden. Dieses Modell basiert auf detaillierten Beobachtungen des übriggebliebenen Lichts Urknall – der sogenannte kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB).

Durch die Expansion des Universums entfernen sich Galaxien voneinander. Je weiter sie von uns entfernt sind, desto schneller bewegen sie sich. Die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und Entfernung einer Galaxie wird durch die „Hubble-Konstante“ bestimmt, die etwa 43 Meilen (70 km) pro Sekunde pro Megaparsec (eine Längeneinheit in der Astronomie) beträgt. Das bedeutet, dass eine Galaxie pro Million Lichtjahre, die sie von uns entfernt ist, etwa 50.000 Meilen pro Stunde gewinnt.

Leider wurde dieser Wert für das Standardmodell jedoch kürzlich umstritten, was zu dem führte, was Wissenschaftler als „Hubble-Spannung“ bezeichnen. Wenn wir die Expansionsrate anhand nahegelegener Galaxien und Supernovae (explodierende Sterne) messen, ist sie 10 % größer als wenn wir sie anhand des CMB vorhersagen.

Künstlerische Darstellung der riesigen Leere und der sie umgebenden Fasern und Wände. Bildnachweis: Pablo Carlos Budassi

In unserer neuen Arbeit präsentieren wir eine mögliche Erklärung: dass wir in einer riesigen Leere im Weltraum leben (einem Gebiet mit unterdurchschnittlicher Dichte). Wir zeigen, dass dies lokale Messungen durch Ausströme von Materie aus dem Hohlraum aufblähen könnte. Ausflüsse würden entstehen, wenn dichtere Regionen um einen Hohlraum ihn auseinanderziehen – sie würden eine größere Anziehungskraft ausüben als die Materie mit geringerer Dichte im Inneren des Hohlraums.

In diesem Szenario müssten wir uns in der Nähe des Zentrums einer Leere mit einem Radius von etwa einer Milliarde Lichtjahren und einer Dichte befinden, die etwa 20 % unter dem Durchschnitt des gesamten Universums liegt – also nicht völlig leer.

Ein solch großer und tiefer Hohlraum ist im Standardmodell unerwartet – und daher umstritten. Das CMB liefert eine Momentaufnahme der Struktur im Säuglingsuniversum und legt nahe, dass die Materie heute eher gleichmäßig verteilt sein sollte. Die direkte Zählung der Anzahl der Galaxien in verschiedenen Regionen deutet jedoch tatsächlich darauf hin, dass wir uns in einer lokalen Leere befinden.

Die Gesetze der Schwerkraft optimieren

Wir wollten diese Idee weiter testen, indem wir viele verschiedene kosmologische Beobachtungen abgleichten und davon ausgingen, dass wir in einer großen Leere leben, die aus einer kleinen Dichteschwankung in frühen Zeiten entstanden ist.

Zu diesem Zweck enthielt unser Modell kein ΛCDM, sondern eine alternative Theorie namens Modified Newtonian Dynamics (MOND).

MOND wurde ursprünglich vorgeschlagen, um Anomalien in der Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien zu erklären, was zur Vermutung einer unsichtbaren Substanz namens „Dunkle Materie“ führte. MOND schlägt stattdessen vor, dass die Anomalien dadurch erklärt werden können, dass das Newtonsche Gesetz der Schwerkraft zusammenbricht, wenn die Anziehungskraft sehr schwach ist – wie es in den äußeren Regionen von Galaxien der Fall ist.

Die gesamte kosmische Expansionsgeschichte in MOND würde dem Standardmodell ähneln, aber Strukturen (wie Galaxienhaufen) würden in MOND schneller wachsen. Unser Modell erfasst, wie das lokale Universum in einem MOND-Universum aussehen könnte. Und wir haben herausgefunden, dass die lokalen Messungen der heutigen Expansionsrate je nach unserem Standort schwanken könnten.

CMB-Temperaturschwankungen: Detailliertes Gesamthimmelbild des Säuglingsuniversums, erstellt aus neun Jahren WMAP-Daten, zeigt 13,77 Milliarden Jahre alte Temperaturschwankungen (dargestellt als Farbunterschiede). Bildnachweis: NASA/WMAP-Wissenschaftsteam

Jüngste Galaxienbeobachtungen haben einen entscheidenden neuen Test unseres Modells basierend auf der Geschwindigkeit ermöglicht, die es an verschiedenen Orten vorhersagt. Dies kann durch die Messung des sogenannten Massenflusses erreicht werden. Dabei handelt es sich um die durchschnittliche Geschwindigkeit der Materie in einer bestimmten Kugel, unabhängig davon, ob sie dicht ist oder nicht. Dies variiert mit dem Radius der Kugel, wobei neuere Beobachtungen zeigen, dass er sich bis zu einer Milliarde Lichtjahre erstreckt.

Interessanterweise hat der Massenfluss von Galaxien auf dieser Skala das Vierfache der im Standardmodell erwarteten Geschwindigkeit. Sie scheint auch mit der Größe der betrachteten Region zuzunehmen – im Gegensatz zu dem, was das Standardmodell vorhersagt. Die Wahrscheinlichkeit, dass dies mit dem Standardmodell übereinstimmt, liegt unter eins zu einer Million.

Dies veranlasste uns zu sehen, was unsere Studie für den Massenstrom vorhersagte. Wir fanden, dass es eine recht gute Übereinstimmung mit den Beobachtungen liefert. Das erfordert, dass wir uns ziemlich nahe am Zentrum der Leere befinden und dass die Leere in ihrem Zentrum am leersten ist.

Fall abgeschlossen?

Unsere Ergebnisse kommen zu einer Zeit, in der gängige Lösungen für die Hubble-Spannung in Schwierigkeiten geraten. Manche meinen, wir bräuchten einfach genauere Messungen. Andere sind der Meinung, dass das Problem dadurch gelöst werden kann, dass man davon ausgeht, dass die hohe Expansionsrate, die wir vor Ort messen, tatsächlich die richtige ist. Aber das erfordert eine leichte Anpassung der Expansionsgeschichte im frühen Universum, damit das CMB immer noch richtig aussieht.

Leider weist eine einflussreiche Rezension auf sieben Probleme dieses Ansatzes hin. Wenn sich das Universum über den größten Teil der kosmischen Geschichte um 10 % schneller ausdehnte, wäre es auch etwa 10 % jünger – was im Widerspruch zum Alter der ältesten Sterne steht.

Die Existenz eines tiefen und ausgedehnten lokalen Hohlraums in den Galaxienzahlen und die beobachteten schnellen Massenströme deuten stark darauf hin, dass die Struktur im ΛCDM auf Skalen von mehreren zehn bis hunderten Millionen Lichtjahren schneller wächst als erwartet.

Dies ist ein Bild des Hubble-Weltraumteleskops des massereichsten Galaxienhaufens, der jemals existierte, als das Universum gerade einmal die Hälfte seines heutigen Alters von 13,8 Milliarden Jahren hatte. Der Haufen enthält mehrere hundert Galaxien, die unter der kollektiven Anziehungskraft umherschwärmen. Die Gesamtmasse des Sternhaufens, die in neuen Hubble-Messungen verfeinert wurde, wird auf bis zu 3 Millionen Milliarden Sterne wie unsere Sonne geschätzt (ungefähr 3.000-mal so massiv wie unsere eigene Milchstraßengalaxie) – obwohl der größte Teil der Masse verborgen ist als dunkle Materie. Der Standort der Dunklen Materie ist in der blauen Überlagerung dargestellt. Da dunkle Materie keine Strahlung aussendet, messen die Hubble-Astronomen stattdessen präzise, ​​wie ihre Schwerkraft die Bilder weit entfernter Hintergrundgalaxien wie ein Funhouse-Spiegel verzerrt. Dies ermöglichte es ihnen, eine Massenschätzung für den Cluster zu erstellen. Der Sternhaufen erhielt 2012 den Spitznamen „El Gordo“ (spanisch für „der Dicke“), als Röntgenbeobachtungen und kinematische Studien erstmals darauf hindeuteten, dass er für die Zeit im frühen Universum, als er existierte, ungewöhnlich massiv war. Die Hubble-Daten haben bestätigt, dass der Cluster eine heftige Verschmelzung zweier kleinerer Cluster durchläuft. Bildnachweis: NASA, ESA und J. Jee (University of California, Davis)

Interessanterweise wissen wir, dass der massereiche Galaxienhaufen El Gordo (siehe Bild oben) zu früh in der kosmischen Geschichte entstanden ist und eine zu hohe Masse und Kollisionsgeschwindigkeit aufweist, als dass er mit dem Standardmodell kompatibel wäre. Dies ist ein weiterer Beweis dafür, dass sich die Struktur in diesem Modell zu langsam bildet.

Da die Schwerkraft auf solch großen Skalen die dominierende Kraft ist, müssen wir höchstwahrscheinlich Einsteins Gravitationstheorie, die Allgemeine Relativitätstheorie, erweitern – allerdings nur auf Skalen, die größer als eine Million Lichtjahre sind.

Wir haben jedoch keine gute Möglichkeit, das Verhalten der Schwerkraft in viel größeren Maßstäben zu messen – es gibt keine so großen gravitativ gebundenen Objekte. Wir können davon ausgehen, dass die Allgemeine Relativitätstheorie weiterhin gültig ist, und sie mit Beobachtungen vergleichen, aber genau dieser Ansatz führt zu den sehr starken Spannungen, mit denen unser bestes Modell der Kosmologie derzeit konfrontiert ist.

Einstein soll gesagt haben, dass wir Probleme nicht mit der gleichen Denkweise lösen können, die zu den Problemen überhaupt erst geführt hat. Auch wenn die erforderlichen Änderungen nicht drastisch ausfallen, könnten wir seit mehr als einem Jahrhundert den ersten zuverlässigen Beweis dafür erhalten, dass wir unsere Gravitationstheorie ändern müssen.

Geschrieben von Indranil Banik, Postdoktorandin für Astrophysik, University of St Andrews.

Adaptiert aus einem Artikel, der ursprünglich in The Conversation veröffentlicht wurde.