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Eine Illustration der Daten des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) aus dem ersten Jahr, die einen Ausschnitt der größeren 3D-Karte zeigt, die DESI während seiner fünfjährigen Untersuchung erstellt (Bildnachweis: DESI Collaboration/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/P. Horálek/R. Proctor)

Das derzeitige „Standardmodell“ des Kosmos, seiner Geschichte und seiner Entwicklung wird als Lambda-Kalte-Dunkle-Materie-Modell (LCDM) bezeichnet – aber die Vorherrschaft dieses Modells, in dem Lambda die kosmologische Konstante und die dunkle Energie darstellt, könnte nun ernsthaft bedroht sein.

Kurz gesagt, weil neue Beobachtungen des Kosmos darauf hindeuten, dass die dunkle Energie, die Kraft, die unser Universum immer schneller expandieren lässt, schwächer zu werden scheint. Das mag an und für sich nicht viel klingen, aber diese Erkenntnis hat das Potenzial, den ersten großen Paradigmenwechsel in der Kosmologie seit der Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums vor etwas mehr als 25 Jahren zu bewirken. Sie könnte sogar darauf hindeuten, dass unser Universum nicht in einem „Big Rip“ oder einem „Big Chill“, sondern in einem „Big Crunch“ enden wird. Mehr dazu in Kürze, doch zunächst wollen wir uns mit diesen faszinierenden Ergebnissen befassen.

Die neuen Erkenntnisse über die Entwicklung der dunklen Energie sind Teil einer der tiefsten Karten des Kosmos, die je erstellt wurden. Sie wurden anhand der Daten des ersten Jahres erstellt, die das Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) gesammelt hat. Die 5.000 Roboteraugen des Instruments sammeln das Licht von Millionen von Galaxien auf mehr als einem Drittel des gesamten Himmels, wie wir ihn von der Erde aus sehen. Dieses Licht wird dann in ein Farbspektrum zerlegt, das es den Wissenschaftlern ermöglicht, die Ausdehnung des Universums über Milliarden von Jahren zu messen, indem sie eine Veränderung der Lichtwellenlänge, die so genannte „Rotverschiebung“, messen.

Die Daten, die in nur einem Fünftel der Betriebszeit von DESI gesammelt wurden, versprechen bereits große Umwälzungen und lassen Kosmologen gespannt auf das Kommende warten.

„Die Veröffentlichung dieser Ergebnisse war ein großer Tag für die Kosmologie, denn sie deuten auf einen ‚abnehmenden‘ Effekt der dunklen Energie im Laufe der Zeit hin, was bedeutet, dass sie sich entwickelt und somit doch nicht konstant ist“, sagte Luz Ángela García Peñaloza, ehemaliges DESI-Teammitglied und Kosmologin an der Universidad ECCI in Kolumbien, gegenüber kosmischeweiten.de. „Die Entdeckung der sich entwickelnden dunklen Energie wäre ebenso revolutionär wie die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums selbst, wenn sie durch zukünftige Daten bestätigt wird.“

Was ist das Standardmodell der Kosmologie?

Das LCDM-Modell besagt, dass das Universum unmittelbar nach dem Urknall sehr dicht und unglaublich heiß war – aber auch bemerkenswert glatt und in allen Richtungen mehr oder weniger gleich oder homogen.

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Als sich das Universum ausdehnte, begannen kleine Schwankungen in der Dichte aufzutreten, und diese dichten Flecken wuchsen. Klumpen dunkler Materie begannen sich zu verdichten, als sich das Universum entwickelte, und neu gebildete Atome sammelten sich und trieben Gasmoleküle innerhalb dieser Klumpen an. Das Ergebnis war ein Universum, das nur noch aus Wasserstoff und Helium (den beiden leichtesten und einfachsten chemischen Elementen) bestand – und aus dunkler Materie.

Die Bindung von Elektronen an Protonen zur Bildung der ersten Atome bedeutete, dass sich das Licht plötzlich frei ausbreiten konnte, und dieses erste Licht wird heute als kosmischer Mikrowellenhintergrund (CMB) gesehen, eine „fossile“ Strahlung, die uns viel über die Geschichte des Universums erzählen kann.

Bereiche höherer Dichte zogen Gas und dunkle Materie zusammen und bildeten den Keim für die ersten Galaxien im LCDM-Modell, die kollabierten und Proto-Galaxien hervorbrachten. In diesen frühen Galaxien entstanden aus dem Wasserstoff- und Heliumgas die ersten Sterne. Schließlich verschmolzen die Proto-Galaxien und die sie umgebenden Halos zu immer größeren Galaxien.

Wichtig ist jedoch, dass in diesem Modell die dunkle Energie durch lambda dargestellt wird. Und Lambda soll über die Zeit konstant sein.

„DESI hat gesehen, dass die ‚Zustandsgleichung‘ des Universums nicht mit dem üblichen LCDM-Modell übereinstimmt, sondern einen Hinweis darauf liefert, dass die dunkle Energie mit der Zeit variiert“, so García Peñaloza. „Diese Ergebnisse öffnen ein Fenster für variable Modelle der dunklen Energie, denn sie zeigen eine Abweichung von der konstanten Zustandsgleichung.

„Das war ziemlich überraschend, denn die meisten kosmologischen Beobachtungen haben bisher das LCDM-Modell begünstigt. Die gesamte kosmologische Gemeinschaft war wirklich schockiert.“

Wenn sich diese neuen Erkenntnisse von DESI als zutreffend erweisen – und sie sind derzeit äußerst robust, wie es scheint -, dann ist die kosmologische Konstante möglicherweise nicht länger ein geeigneter Repräsentant für die mysteriöse Kraft der dunklen Energie.

Einige Physiker könnten die Abschaffung der kosmologischen Konstante jedoch begrüßen. Sie hat nicht nur jahrzehntelang Kopfzerbrechen bereitet, sondern es wäre nicht das erste Mal, dass unser wachsendes Verständnis des Kosmos ihre Abschaffung rechtfertigt.

Zurück in die theoretische Mülltonne

Die kosmologische Konstante, dargestellt durch den griechischen Buchstaben Lambda, stellt die Physiker seit dem frühen 20.

Im Jahr 1915 veröffentlichte Albert Einstein seine wohl revolutionärste Theorie, die allgemeine Relativitätstheorie, in der die Schwerkraft als ein Konzept beschrieben wird, das aus der Krümmung von Raum und Zeit hervorgeht – einer Krümmung, die durch Körper mit Masse verursacht wird.

Zwei Jahre später, im Jahr 1917, wiesen Einstein und der niederländische Astronom Willem de Sitter nach, dass die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie zur Beschreibung des Universums verwendet werden können, wenn auch in stark vereinfachter Form. Es gab jedoch ein Problem: Das durch die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie beschriebene Universum beschrieb kein stillstehendes Universum. Zu dieser Zeit herrschte in der Physik der allgemeine Konsens, dass das Universum statisch sei und sich weder ausdehne noch zusammenziehe, und Einstein stimmte diesem Konsens zu. Also fügte er seinen Gleichungen eine Art „Ausweichfaktor“ hinzu: Die kosmologische Konstante, oder Lambda.

Dies brachte das Universum ins Gleichgewicht, indem es ihm den richtigen Schub und die richtige Anziehungskraft verlieh, um es statisch zu halten.

Eine Illustration der kosmologischen Konstante (Lambda), die in den kosmischen Mülleimer zurückgebracht wird. (Bildnachweis: Robert Lea)

Rund 12 Jahre später, im Jahr 1929, untersuchte Edwin Hubble weit entfernte Galaxien und stellte fest, dass deren Licht gestreckt oder „rotverschoben“ wurde. Je weiter eine Galaxie entfernt war, so stellte er fest, desto größer war dieser Effekt. Dies deutete darauf hin, dass das Universum nicht statisch war, sondern sich tatsächlich ausdehnte. In den nächsten sieben Jahrzehnten versuchten die Wissenschaftler, die Geschwindigkeit dieser Expansion zu messen, die durch einen Wert namens „Hubble-Konstante“ bestimmt wird.

Da er kein statisches Universum mehr beschreiben musste, entfernte Einstein die kosmologische Konstante aus seinen Gleichungen für das Universum und bezeichnete die Einführung von Lambda angeblich als seinen „größten Fehler“. Doch die kosmologische Konstante blieb nicht lange auf dem kosmischen Müllhaufen. Noch vor Ende des 20. Jahrhunderts sollte Lambda in großem Stil und mit einer neuen Rolle wieder auftauchen.

Eine Animation einer Supernova vom Typ Ia, einer „Standardkerzen“-Sternexplosion, die Astronomen zur Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums nutzten. (Bildnachweis: NASA)

1998 beobachteten zwei verschiedene Astronomenteams weit entfernte Supernovae des Typs 1a und nutzten sie zur Messung der kosmischen Entfernung, als sie entdeckten, dass sich die Ausdehnung des Universums nicht, wie man erwarten könnte, verlangsamt. Sie beschleunigt sich vielmehr. Daraufhin wurde die dunkle Energie als Platzhalter für das eingeführt, was diese beschleunigte Expansion zu verursachen scheint.

„Obwohl sie 70 % des gesamten Materie- und Energiehaushalts des Universums ausmacht, weiß niemand, was sie ist“, so García Peñaloza.

In vielen Modellen des Kosmos, einschließlich des weit verbreiteten LCDM-Modells, wird die dunkle Energie durch die gerettete kosmologische Konstante oder Lambda dargestellt, die nun der Schwerkraft entgegenwirkt und das Gewebe von Raum und Zeit immer schneller auseinandertreibt.

Dennoch blieb die kosmologische Konstante, nachdem sie als Wert für die beschleunigte Expansion des Raums eingeführt worden war, ein Problem. Die Werte, die durch die Beobachtung weit entfernter Supernovae ermittelt wurden, und die Werte, die von den Theorien der Quantenphysik vorhergesagt wurden, weichen weiterhin stark voneinander ab, und zwar um bis zu 10 hoch 121 (1 gefolgt von 121 Nullen).

Sind wir dem Verständnis der dunklen Energie schon näher gekommen?

Um zu verstehen, warum die dunkle Energie und die beschleunigte Ausdehnung des Universums so schockierend sind, sollten Sie diese sehr irdische Analogie betrachten: Stellen Sie sich vor, Sie geben einem Kind auf einer Schaukel einen kräftigen Schubs. Das entspricht dem Urknall, der die Expansion des Universums in Gang gesetzt hat. Mit der Zeit würde die Schaukel wahrscheinlich langsamer werden und immer tiefere Punkte in ihrem Bogen erreichen, oder? Das ist vergleichbar mit der Verlangsamung der Expansion des Universums, wenn der Kosmos altert.

Aber dann, plötzlich, ohne dass Sie einen weiteren Anstoß geben, wenn die Schaukel fast zum Stillstand gekommen ist, stellen Sie sich vor, dass sie sich plötzlich wieder in Bewegung setzt. Nicht nur das, sondern stellen Sie sich vor, dass sie immer schneller schwingt und immer höhere Punkte erreicht. Das entspricht der Wirkung der dunklen Energie, die mit der kosmologischen Konstante beschrieben wird.

Kein Wunder, dass die Wissenschaftler eifrig nach der Ursache für diesen zusätzlichen kosmischen Schub suchen; die Entdeckung, dass die dunkle Energie schwächer zu werden scheint, macht die Situation noch komplexer.

„Dies ist ein wirklich guter Hinweis darauf, dass ein LCDM-Modell vielleicht nicht gerade ‚die ultimative Antwort‘ auf die Natur der dunklen Energie ist“, erklärte García Peñaloza. „Es ist ein großer Fortschritt, aber diese Ergebnisse bringen uns wahrscheinlich nicht viel näher an diese Antwort; sie sagen uns eher, wie man die dunkle Energie mit Bezug auf die Zeit beschreiben kann, wahrscheinlich als eine Flüssigkeit, die das Universum füllt und mit einer Zustandsgleichung beschrieben werden kann, die nicht konstant ist.“

Eine Langzeitbelichtung zeigt die Spuren der Sterne über der Erde. Wenn die Beschleunigung der Expansion des Universums über Äonen hinweg konstant bleibt, sind solche Bilder unmöglich. (Bildnachweis: Maxim Senin)

Um auf die Analogie der Schaukel zurückzukommen: Um das Schicksal des Kindes auf der Schaukel zu verstehen, muss man herausfinden, was den zusätzlichen, unsichtbaren Stoß verursacht hat: Landet es im Gebüsch, sicher auf dem Boden oder wird es ins Weltall geschleudert? In ähnlicher Weise ist das Verständnis der dunklen Energie von entscheidender Bedeutung, da ihre Entwicklung – oder ihr Fehlen – das Schicksal des Universums bestimmen wird. Sie könnte uns sogar zeigen, wie unser Blick von der Erde aus in Zukunft aussehen könnte.

„Es gibt ein Szenario, in dem, wenn die dunkle Energie die unveränderliche kosmologische Konstante ist, in Äonen alle Galaxien so weit voneinander entfernt sein werden, dass der Nachthimmel über der Erde leer sein wird“, sagte García Peñaloza.

Das könnte dazu führen, dass das Universum als kalter Kosmos aus weit voneinander entfernten toten Galaxien endet, das so genannte „Big Chill“-Szenario. Alternativ könnte die fortgesetzte beschleunigte Expansion dazu führen, dass das Gewebe der Raumzeit zerreißt, ein Szenario, das als „Big Rip“ bezeichnet wird.

Die neue DESI-Karte könnte jedoch auf ein anderes kosmisches Schicksal hindeuten, bei dem das Universum wieder in den heißen, dichten Zustand kollabiert, den es kurz nach dem Urknall hatte. „Wenn die DESI-Ergebnisse aus dem ersten Jahr stimmen, dann wird die beschleunigte Expansion des Universums aufhören und sich schließlich umkehren, und das Universum könnte beginnen, sich unter dem Einfluss der Schwerkraft zusammenzuziehen“, fügte García Peñaloza hinzu. „Dies könnte schließlich dazu führen, dass das Universum in einem ‚Big Crunch‘-Szenario endet.“

García Peñaloza und andere Kosmologen sind gespannt darauf, was die nächsten vier Jahre der DESI-Beobachtungen für unser Verständnis des Universums, seiner Ursprünge und seines Schicksals bringen werden.

García Peñaloza sagte, dass das Teleskop im zweiten und dritten Jahr des DESI-Betriebs vor allem Raumverzerrungen mit Rotverschiebung erforschen soll, wodurch die ohnehin schon soliden DESI-Ergebnisse noch beeindruckender werden. Das letzte Jahr der DESI-Ergebnisse dürfte mit der Veröffentlichung der Daten des ersten Jahres des Weltraumteleskops Euclid zusammenfallen, das am 1. Juli 2023 in Betrieb genommen wird und unserem Verständnis des Universums einen kräftigen „Doppelschlag“ versetzt.

„Wir werden eine sehr komplementäre Vision des Universums von zwei völlig unterschiedlichen Missionen erhalten“, schloss García Peñaloza. „Sie werden uns ein völlig neues Bild davon vermitteln, wie sich das Universum verhält und wie die dunkle Energie die großräumige universelle Struktur formt.“