Alles im Universum hat Schwerkraft – und spürt sie auch. Doch diese häufigste aller Grundkräfte ist auch diejenige, die die Physiker vor die größten Herausforderungen stellt.
Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie war bemerkenswert erfolgreich bei der Beschreibung der Schwerkraft von Sternen und Planeten, aber sie scheint nicht auf allen Skalen perfekt anwendbar zu sein.
Die Allgemeine Relativitätstheorie hat viele Jahre Beobachtungstests bestanden, von Eddingtons Messung der Ablenkung des Sternenlichts durch die Sonne im Jahr 1919 bis zur jüngsten Entdeckung von Gravitationswellen.
Lücken in unserem Verständnis treten jedoch auf, wenn wir versuchen, es auf extrem kleine Entfernungen anzuwenden, wo die Gesetze der Quantenmechanik wirken, oder wenn wir versuchen, das gesamte Universum zu beschreiben.
Unsere neue Studie, erschienen in Naturastronomiehat nun Einsteins Theorie im größten Maßstab getestet.
Wir glauben, dass unser Ansatz eines Tages dazu beitragen kann, einige der größten Rätsel der Kosmologie zu lösen, und die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die allgemeine Relativitätstheorie in diesem Ausmaß möglicherweise angepasst werden muss.
Fehlerhaftes Modell?
Die Quantentheorie sagt voraus, dass der leere Raum, das Vakuum, voller Energie ist. Wir bemerken seine Anwesenheit nicht, da unsere Geräte nur Energieänderungen messen können und nicht ihre Gesamtmenge.
Allerdings hat die Vakuumenergie laut Einstein eine abstoßende Gravitation – sie drückt den leeren Raum auseinander. Interessanterweise wurde 1998 entdeckt, dass sich die Expansion des Universums tatsächlich beschleunigt (eine Erkenntnis, die 2011 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde).
Allerdings ist die Menge an Vakuumenergie oder dunkler Energie, wie sie genannt wird, die zur Erklärung der Beschleunigung notwendig ist, um viele Größenordnungen kleiner als es die Quantentheorie vorhersagt.
Daher ist die große Frage, die als „das alte Problem der kosmologischen Konstante“ bezeichnet wird, ob die Vakuumenergie tatsächlich gravitiert – eine Gravitationskraft ausübt und die Expansion des Universums verändert.
Wenn ja, warum ist seine Schwerkraft dann so viel schwächer als vorhergesagt? Wenn das Vakuum überhaupt nicht gravitiert, was verursacht dann die kosmische Beschleunigung?
Wir wissen nicht, was dunkle Energie ist, aber wir müssen davon ausgehen, dass sie existiert, um die Expansion des Universums zu erklären.
In ähnlicher Weise müssen wir auch davon ausgehen, dass es eine Art unsichtbare Materie gibt, die als dunkle Materie bezeichnet wird, um zu erklären, wie sich Galaxien und Haufen so entwickelt haben, wie wir sie heute beobachten.
Diese Annahmen sind in die kosmologische Standardtheorie der Wissenschaftler eingebrannt, die als Lambda Cold Dark Matter (LCDM)-Modell bezeichnet wird – was darauf hindeutet, dass es im Kosmos 70 Prozent dunkle Energie, 25 Prozent dunkle Materie und 5 Prozent gewöhnliche Materie gibt. Und dieses Modell war bemerkenswert erfolgreich darin, alle von Kosmologen in den letzten 20 Jahren gesammelten Daten anzupassen.
Aber die Tatsache, dass der größte Teil des Universums aus dunklen Kräften und Substanzen besteht, die seltsame Werte annehmen, die keinen Sinn ergeben, hat viele Physiker dazu veranlasst, sich zu fragen, ob Einsteins Gravitationstheorie modifiziert werden muss, um das gesamte Universum zu beschreiben.
Vor einigen Jahren tauchte eine neue Wendung auf, als sich herausstellte, dass verschiedene Methoden zur Messung der Geschwindigkeit der kosmischen Expansion, die als Hubble-Konstante bezeichnet werden, unterschiedliche Antworten geben – ein Problem, das als Hubble-Spannung bekannt ist.
Die Meinungsverschiedenheit oder Spannung besteht zwischen zwei Werten der Hubble-Konstante.
Eine davon ist die vom kosmologischen LCDM-Modell vorhergesagte Zahl, die entwickelt wurde, um mit dem Licht übereinzustimmen, das vom Urknall übrig geblieben ist (die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung).
Die andere ist die Expansionsrate, die durch die Beobachtung explodierender Sterne, bekannt als Supernovae, in fernen Galaxien gemessen wird.
Viele theoretische Ideen wurden vorgeschlagen, um LCDM zu modifizieren, um die Hubble-Spannung zu erklären. Darunter sind alternative Gravitationstheorien.
Nach Antworten suchen
Wir können Tests entwickeln, um zu überprüfen, ob das Universum den Regeln von Einsteins Theorie gehorcht.
Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Schwerkraft als das Krümmen oder Verkrümmen von Raum und Zeit, das die Bahnen krümmt, auf denen sich Licht und Materie bewegen. Wichtig ist, dass es voraussagt, dass die Flugbahnen von Lichtstrahlen und Materie auf die gleiche Weise durch die Schwerkraft gebogen werden sollten.
Zusammen mit einem Team von Kosmologen haben wir die Grundgesetze der Allgemeinen Relativitätstheorie auf den Prüfstand gestellt. Wir untersuchten auch, ob eine Modifikation von Einsteins Theorie helfen könnte, einige der offenen Probleme der Kosmologie zu lösen, wie etwa die Hubble-Spannung.
Um herauszufinden, ob die Allgemeine Relativitätstheorie im großen Maßstab korrekt ist, haben wir uns zum ersten Mal daran gemacht, drei Aspekte davon gleichzeitig zu untersuchen. Dies waren die Expansion des Universums, die Auswirkungen der Schwerkraft auf das Licht und die Auswirkungen der Schwerkraft auf die Materie.
Unter Verwendung einer statistischen Methode, die als Bayessche Inferenz bekannt ist, rekonstruierten wir die Schwerkraft des Universums durch die kosmische Geschichte in einem Computermodell, das auf diesen drei Parametern basiert.
Wir konnten die Parameter anhand der kosmischen Mikrowellen-Hintergrunddaten des Planck-Satelliten, Supernova-Katalogen sowie Beobachtungen der Formen und Verteilung entfernter Galaxien durch die SDSS- und DES-Teleskope abschätzen.
Dann verglichen wir unsere Rekonstruktion mit der Vorhersage des LCDM-Modells (im Wesentlichen Einsteins Modell).
Wir fanden interessante Hinweise auf eine mögliche Nichtübereinstimmung mit Einsteins Vorhersage, wenn auch mit eher geringer statistischer Signifikanz.
Das bedeutet, dass es dennoch möglich ist, dass die Gravitation auf großen Skalen anders funktioniert und dass die allgemeine Relativitätstheorie angepasst werden muss.
Unsere Studie ergab auch, dass es sehr schwierig ist, das Hubble-Spannungsproblem zu lösen, indem man nur die Gravitationstheorie ändert.
Die vollständige Lösung würde wahrscheinlich einen neuen Bestandteil im kosmologischen Modell erfordern, der vor der Zeit vorhanden war, als sich Protonen und Elektronen kurz nach dem Urknall zum ersten Mal zu Wasserstoff vereinigten, wie z. B. eine spezielle Form dunkler Materie, eine frühe Art dunkler Energie, oder Ursprüngliche Magnetfelder.
Oder vielleicht gibt es einen noch unbekannten systematischen Fehler in den Daten.
Unsere Studie hat jedoch gezeigt, dass es möglich ist, die Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie über kosmologische Entfernungen mithilfe von Beobachtungsdaten zu testen. Obwohl wir das Hubble-Problem noch nicht gelöst haben, werden wir in ein paar Jahren viel mehr Daten von neuen Sonden haben.
Das bedeutet, dass wir diese statistischen Methoden verwenden können, um die allgemeine Relativitätstheorie weiter zu optimieren, die Grenzen von Modifikationen zu erkunden und den Weg zur Lösung einiger offener Herausforderungen in der Kosmologie zu ebnen.
Kazuya Koyama, Professor für Kosmologie, University of Portsmouth und Levon Pogosian, Professor für Physik, Simon Fraser University
Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz neu veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.