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Eine „kosmische Panne“ im Universum zwingt Astronomen, Einsteins Relativitätstheorie zu überdenken

Albert Einsteins (links) allgemeine Relativitätstheorie wurde durch unzählige Untersuchungen des nahen Universums bewiesen. Aber im tiefen Weltraum (rechts) scheint sie zu versagen. - Copyright: MPI, Getty Images/NASA, ESA, CSA, STScI
Albert Einsteins (links) allgemeine Relativitätstheorie wurde durch unzählige Untersuchungen des nahen Universums bewiesen. Aber im tiefen Weltraum (rechts) scheint sie zu versagen. - Copyright: MPI, Getty Images/NASA, ESA, CSA, STScI

In den vergangenen 100 Jahren haben zahllose Studien bewiesen, dass Albert Einsteins wichtigste Theorie – seine allgemeine Relativitätstheorie – praktisch wasserdicht ist. Sie ermöglicht alles, von der Vorhersage schwarzer Löcher bis zur Steuerung eurer GPS-Technologie.

Da Wissenschaftler jedoch mit immer leistungsfähigeren und ausgefeilteren Technologien ausgestattet sind, mit denen sie den Kosmos bis ins kleinste Detail durchleuchten können, stoßen sie auf Phänomene, die sie mit Einsteins Theorie nicht erklären können.

Muss die allgemeine Relativitätstheorie überarbeitet werden?

Einsteins allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass die Krümmung der Raumzeit die Schwerkraft verursacht. Aber wenn man auf enorme Größenordnungen zoomt, wie Galaxienhaufen, die sich über Milliarden von Lichtjahren erstrecken, scheinen sich die Gesetze der Einsteinschen Gravitationstheorie zu ändern.

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"Es ist fast so, als ob die Schwerkraft selbst nicht mehr perfekt mit Einsteins Theorie übereinstimmt", sagte Robin Wen, ein Absolvent der University of Waterloo, in einer Pressemitteilung der Universität.

Einsteins allgemeine Relativitätstheorie bietet eine verblüffend genaue Darstellung der Wechselwirkung zwischen der Schwerkraft und dem Gefüge der Raumzeit im nahen Universum.  - Copyright: vchal/Getty Images
Einsteins allgemeine Relativitätstheorie bietet eine verblüffend genaue Darstellung der Wechselwirkung zwischen der Schwerkraft und dem Gefüge der Raumzeit im nahen Universum. - Copyright: vchal/Getty Images

Wen ist Teil einer Forschungskollaboration zwischen der Universität Waterloo und der Universität British Columbia, die auf der Suche nach der Lösung dieses Rätsels ist. Er bezeichnete die Diskrepanz in Einsteins Theorie als "kosmische Panne".

Ihre neue Studie, die in der Fachzeitschrift "Journal of Cosmology and Astroparticle Physics" veröffentlicht wurde, legt nahe, dass die Schwerkraft bei sehr großen Skalen um etwa ein Prozent schwächer wird. Wenn sich die Schwerkraft gemäß Einsteins Theorie verhielte, dürfte es diesen Unterschied von einem Prozent nicht geben.

Die Kosmologen werden die allgemeine Relativitätstheorie in nächster Zeit nicht aufgeben. Sie ist immer noch ein verblüffend genauer Rahmen für das Verständnis der Schwerkraft auf kleineren Skalen. "Es ist ja nicht so, dass wir die Mechanismen eures Navigationssystems oder eines schwarzen Lochs durcheinander bringen wollen. Wir haben nur versucht zu sehen, ob es eine Abweichung in den größtmöglichen Maßstäben gibt", so Wen zu Business Insider (BI).

Wenn diese Störung wirklich existiert, könnte sie Kosmologen helfen, einige der größten Rätsel des Universums zu erklären.

Kosmologische Unklarheiten aufklären

Das Planck-Teleskop und eine Karte des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Wen und seine Kollegen fanden in den CMB-Daten Hinweise auf ihre kosmische Störung. - Copyright: ESA and Planck
Das Planck-Teleskop und eine Karte des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Wen und seine Kollegen fanden in den CMB-Daten Hinweise auf ihre kosmische Störung. - Copyright: ESA and Planck

Das Forscherteam durchkämmte Daten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, als es diese offensichtliche Störung entdeckte. Der kosmische Mikrowellenhintergrund ist eine riesige Fläche aus verweilender Strahlung, die noch vom Urknall stammt. Wissenschaftler nutzen ihn, um die frühesten Stadien des Universums zu verstehen, etwa wie sich die ersten Galaxien gebildet haben und was unmittelbar nach dem Urknall geschah.

Wen und seine Kollegen verwendeten ein Modell, das auf grundlegenden physikalischen Gesetzen wie Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie beruht. Dann verglichen sie die Prognosen ihres Modells, mit den Beobachtungsdaten des kosmischen Mikrowellenhintergrundes. Ihr wissenschaftliches Modell stimmte nicht mit den Beobachtungen überein – mit dem, was wir tatsächlich im fernen Universum sehen.

Als sie jedoch Einsteins Theorie um das einprozentige Gravitationsdefizit korrigierten, stimmte ihr Modell besser mit den Beobachtungsdaten überein, so Wen per E-Mail an BI. Eine Anpassung von ein Prozent mag nicht nach einer großen Sache klingen, aber es ist ein Hinweis, dass Einsteins Theorie möglicherweise überdacht werden muss. Und: Diese Panne könnte uns helfen, einige verwirrende Verhaltensweisen im Universum besser zu verstehen.

Ein Diagramm der Expansion des Universums seit dem Urknall. Beobachtungsdaten aus unserer lokalen kosmischen Region deuten darauf hin, dass sich das nahe Universum schneller ausdehnt als das ferne Universum, was nach den Standardgesetzen der Physik nicht der Fall sein sollte. - Copyright: NASA
Ein Diagramm der Expansion des Universums seit dem Urknall. Beobachtungsdaten aus unserer lokalen kosmischen Region deuten darauf hin, dass sich das nahe Universum schneller ausdehnt als das ferne Universum, was nach den Standardgesetzen der Physik nicht der Fall sein sollte. - Copyright: NASA

Der Kosmos, so wie wir ihn verstehen, ist voller Spannungen. Manchmal stimmen verschiedene Messungen desselben Phänomens nicht miteinander überein. Ein Beispiel dafür ist die Hubble-Spannung – ein Problem, das Astronomen seit Jahren vor ein Rätsel stellt.

Die Hubble-Spannung bezieht sich auf widersprüchliche Messungen der Expansionsrate des Universums. Nach unserem physikalischen Standardmodell sollte die Expansionsrate des Universums überall gleich sein. Beobachtungen des nahen Universums deuten jedoch darauf hin, dass die Expansionsrate schneller ist als in Regionen des fernen Universums. Die Astronomen haben mehrere mögliche Erklärungen vorgeschlagen, konnten sich aber noch nicht auf eine einigen.

Mit dieser kosmischen Panne liegt nun eine neue Erklärung auf dem Tisch.

Eine um ein Prozent schwächere Schwerkraft in großen Maßstäben könnte die Hubble-Spannung verringern, indem sie die Expansionsrate des Universums näher an die Messwerte lokaler Beobachtungen heranbringt, so Niayesh Afshordi, Mitautor der Studie und Professor für Astrophysik an der University of Waterloo, in einem aktuellen YouTube-Interview.

Über den Tellerrand schauen

Der Galaxienhaufen IDCS J1426. Um die Spannungen zwischen unserem beobachtbaren lokalen Universum und weit entfernten, weitreichenden Galaxienhaufen wie diesem zu lösen, sind "seltsame" Lösungen erforderlich. - Copyright: NASA/CXC/Univ of Missouri/M.Brodwin et al; NASA/STScI; JPL/CalTech
Der Galaxienhaufen IDCS J1426. Um die Spannungen zwischen unserem beobachtbaren lokalen Universum und weit entfernten, weitreichenden Galaxienhaufen wie diesem zu lösen, sind "seltsame" Lösungen erforderlich. - Copyright: NASA/CXC/Univ of Missouri/M.Brodwin et al; NASA/STScI; JPL/CalTech

Die Tatsache, dass diese kosmische Panne den Astronomen möglicherweise helfen könnte, die Hubble-Spannung zu lösen, ist ein gutes Zeichen dafür, dass sie tatsächlich existiert. Aber diese Studie bietet keinen definitiven Beweis für ein Schwerkraftdefizit von einem Prozent in großen Maßstäben, so Wen.

Im Moment besteht noch die Möglichkeit, dass es sich bei dieser Panne um einen statistischen Fehler handelt. "Mit zukünftigen Daten in den kommenden zehn Jahren sollten wir herausfinden, ob es sich tatsächlich um eine echte Entdeckung oder nur um eine Fluktuation aufgrund der statistischen Leistungsfähigkeit handelt", so Wen.

Valerio Faraoni, Professor für Physik und Interimsdekan für Wissenschaft an der Bishop's Universität, erklärte BI, dass es durchaus möglich sei, dass die Störung existiert, da die allgemeine Relativitätstheorie im fernen Universum nicht getestet wurde. Es ist also "durchaus möglich, zumindest im Prinzip, dass wir die Schwerkraft im größeren Maßstab nicht verstehen", sagte Faraoni, der nicht an der Studie beteiligt war.

Er ist der Meinung, dass wir über den Tellerrand schauen müssen, um Konflikte zwischen Vorhersagen und Beobachtungen unseres Universums zu lösen. Und die Studie über die kosmische Störung tut genau das. "Wir brauchen wahrscheinlich etwas Unerhörtes", sagte er. "Es sieht exotisch aus, es sieht seltsam aus. Aber ich denke, wir müssen für all diese seltsamen Ideen absolut offen sein."

Das Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) hat die bisher größte 3D-Karte unseres Universums erstellt. Dieser Ausschnitt des Kosmos zeigt seine Regionen mit hoher und niedriger Dichte. - Copyright: Claire Lamman/DESI collaboration; custom colormap package by cmastro
Das Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) hat die bisher größte 3D-Karte unseres Universums erstellt. Dieser Ausschnitt des Kosmos zeigt seine Regionen mit hoher und niedriger Dichte. - Copyright: Claire Lamman/DESI collaboration; custom colormap package by cmastro

Als Nächstes werden Wen und seine Kollegen neue Daten des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) unter die Lupe nehmen. Das DESI misst die Auswirkungen der dunklen Energie auf die Expansionsrate des Universums und hat die bisher größte 3D-Karte des Kosmos erstellt.

Darüber hinaus hat DESI herausgefunden, dass sich die dunkle Energie, ebenso wie die Schwerkraft, auf großen kosmologischen Skalen nicht so verhält, wie die Astronomen es erwarten. Wen möchte herausfinden, ob diese beiden "Störungen" irgendwie zusammenhängen, was noch mehr Beweise dafür liefern würde, dass die allgemeine Relativitätstheorie überarbeitet werden muss.

Aber selbst er ist skeptisch, was die Grenzen der allgemeinen Relativitätstheorie angeht. "Wenn Sie mich bitten würden, auf etwas zu wetten, würde ich immer noch auf die Relativitätstheorie setzen. Die Relativitätstheorie funktioniert doch so gut, oder? Was die alternativen Modelle angeht, ist es schwer zu sagen", sagte er.

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