Das Universum hat sich als falsch herausgestellt

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Kosmologen stehen vor einem ernsthaften wissenschaftlichen Problem, das auf die Unvollkommenheit des menschlichen Wissens über das Universum hinweist. Die Komplexität betrifft eine scheinbar triviale Sache wie die Expansionsrate des Universums. Tatsache ist, dass unterschiedliche Methoden unterschiedliche Bedeutungen anzeigen – und bisher kann niemand die seltsame Diskrepanz erklären.

Kosmisches Geheimnis

Derzeit beschreibt das kosmologische Standardmodell "Lambda-CDM" (ΛCDM) die Entwicklung und Struktur des Universums am genauesten. Nach diesem Modell hat das Universum eine positive kosmologische Konstante (Lambda-Term) ungleich Null, die eine beschleunigte Expansion verursacht. Darüber hinaus erklärt ΛCDM die beobachtete Struktur des CMB (kosmischer Mikrowellenhintergrund), die Verteilung von Galaxien im Universum, die Häufigkeit von Wasserstoff und anderen leichten Atomen und die Geschwindigkeit der Vakuumexpansion. Eine gravierende Diskrepanz in der Expansionsrate kann jedoch auf die Notwendigkeit einer radikalen Änderung des Modells hinweisen.

Die theoretische Physikerin Vivian Poulin vom französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung und dem Laboratory for the Universe and Particles in Montpellier argumentiert, dass dies Folgendes bedeutet: Im jungen Universum ist etwas Wichtiges passiert, von dem wir noch nichts wissen. Vielleicht war es ein Phänomen, das mit einer unbekannten Art dunkler Energie oder einer neuen Art subatomarer Teilchen in Verbindung gebracht wurde. Wenn das Modell dies berücksichtigt, verschwindet die Diskrepanz.

Am Rande einer Krise

Eine Möglichkeit, die Expansionsrate des Universums zu bestimmen, besteht darin, den Mikrowellenhintergrund zu untersuchen - die Reliktstrahlung, die 380.000 Jahre nach dem Urknall entstand. ΛCDM kann verwendet werden, um die Hubble-Konstante abzuleiten, indem große Schwankungen im CMB gemessen werden. Es stellte sich heraus, dass sie 67,4 Kilometer pro Sekunde für jeden Megaparsec entspricht, oder etwa drei Millionen Lichtjahre (bei einer solchen Geschwindigkeit divergieren Objekte in einem geeigneten Abstand voneinander). In diesem Fall beträgt der Fehler nur 0,5 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec.

Wenn wir mit einer anderen Methode ungefähr den gleichen Wert erhalten, bestätigt dies die Gültigkeit des kosmologischen Standardmodells. Wissenschaftler haben die scheinbare Helligkeit von Standardkerzen gemessen - Objekten, deren Leuchtkraft immer bekannt ist. Solche Objekte sind zum Beispiel Supernovae vom Typ Ia – Weiße Zwerge, die keine Materie von großen Begleitsternen mehr aufnehmen können und explodieren. Durch die scheinbare Helligkeit von Standardkerzen können Sie den Abstand zu ihnen bestimmen. Parallel dazu können Sie die Rotverschiebung von Supernovae messen, also die Verschiebung von Lichtwellenlängen in den roten Bereich des Spektrums. Je größer die Rotverschiebung, desto schneller wird das Objekt vom Beobachter entfernt.

Auf diese Weise wird es möglich, die Expansionsrate des Universums zu bestimmen, die in diesem Fall 74 Kilometer pro Sekunde für jeden Megaparsec beträgt. Dies stimmt nicht mit den aus dem ΛCDM erhaltenen Werten überein. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass ein Messfehler die Diskrepanz erklären kann.

Laut David Gross vom Kavli Institute for Theoretical Physics an der University of California, Santa Barbara, würde man eine solche Diskrepanz in der Teilchenphysik nicht als Problem, sondern als Krise bezeichnen. Eine Reihe von Wissenschaftlern widersprach dieser Einschätzung jedoch. Die Situation wurde durch eine andere Methode erschwert, die ebenfalls auf dem Studium des frühen Universums basiert, nämlich baryonische akustische Schwingungen - Schwingungen in der Dichte der sichtbaren Materie, die das frühe Universum ausfüllen. Diese Schwingungen werden durch akustische Plasmawellen verursacht und haben immer bekannte Abmessungen, wodurch sie wie Standardkerzen aussehen. In Kombination mit anderen Messungen ergeben sie die Hubble-Konstante, die mit ΛCDM übereinstimmt.

Neues Modell

Es besteht die Möglichkeit, dass Wissenschaftler bei der Verwendung von Typ-Ia-Supernovae einen Fehler gemacht haben. Um die Entfernung zu einem entfernten Objekt zu bestimmen, müssen Sie eine Entfernungsleiter bauen.

Die erste Sprosse dieser Leiter sind die Cepheiden - veränderliche Sterne mit einer genauen Periode-Leuchtkraft-Beziehung. Cepheiden können verwendet werden, um die Entfernung zu den nächsten Typ-Ia-Supernovae zu bestimmen. In einer der Studien wurden anstelle von Cepheiden Rote Riesen verwendet, die in einem bestimmten Lebensstadium die maximale Helligkeit erreichen - das ist bei allen Roten Riesen gleich.

Als Ergebnis stellte sich heraus, dass die Hubble-Konstante 69,8 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec beträgt. Es gebe keine Krise, sagt Wendy Freedman von der University of Chicago, eine der Autoren des Papiers.

Aber auch diese Aussage wurde in Frage gestellt. Die H0LiCOW-Kollaboration hat die Hubble-Konstante mit Gravitationslinsen gemessen, einem Effekt, der auftritt, wenn ein massiver Körper Strahlen von einem entfernten Objekt dahinter beugt. Letztere könnten Quasare sein – die Kerne aktiver Galaxien, die von einem supermassereichen Schwarzen Loch gespeist werden. Aufgrund von Gravitationslinsen können mehrere Bilder eines Quasars gleichzeitig erscheinen. Durch die Messung des Flimmerns dieser Bilder haben Wissenschaftler eine aktualisierte Hubble-Konstante von 73,3 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec abgeleitet. Gleichzeitig kannten Wissenschaftler bis zuletzt das mögliche Ergebnis nicht, was die Möglichkeit eines Betrugs ausschließt.

Das Ergebnis der Messung der Hubble-Konstanten von natürlichen Masern, die gebildet werden, wenn Gas um ein Schwarzes Loch rotiert, ergab 74 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec. Andere Methoden ergaben 76,5 und 73,6 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec. Auch bei der Messung der Materieverteilung im Universum treten Probleme auf, da der Gravitationslinseneffekt einen anderen Wert liefert als die Messung des Mikrowellenhintergrunds.

Stellt sich heraus, dass die Abweichung nicht auf Messfehler zurückzuführen ist, ist eine neue Theorie erforderlich, um alle derzeit verfügbaren Daten zu erklären. Eine mögliche Lösung besteht darin, die Menge an dunkler Energie zu ändern, die die beschleunigte Expansion des Universums verursacht. Obwohl die meisten Wissenschaftler dafür sind, auf eine Aktualisierung der Physik zu verzichten, bleibt das Problem ungelöst.