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Eine der im Dark Energy Survey entdeckten Supernovas (links) im Vergleich zu einem weit entfernten Quasar (rechts) (Bildnachweis: DES Collaboration/NOIRLab/NSF/AURA/M. Zamani)

Eine von der Kamera für Dunkle Energie durchgeführte Untersuchung von mehr als 1.500 Supernovae hat die beschleunigte Expansion des Universums stark eingeschränkt.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die mysteriöse Kraft, die diese kosmische Beschleunigung antreibt, die dunkle Energie, sich im Laufe der Zeit verändern kann, indem sie ihre Dichte variiert, was das Standardmodell der Kosmologie in Frage stellt.

Die Ergebnisse wurden von der größten Stichprobe von Supernovas geliefert, die jemals von einem einzigen Instrument im Rahmen des Dark Energy Survey erfasst wurde. Supernovas waren ein wesentlicher Bestandteil der Ende der 1990er Jahre gemachten Entdeckung, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt, sondern dies auch noch mit einer zunehmenden Geschwindigkeit tut.

Das war eine große Überraschung für die Physiker, die dies nach der anfänglichen schnellen Aufblähung des Kosmos während des Urknalls erwartet hatten. Die kosmische Expansion hätte sich eigentlich verlangsamen müssen, aber sie beschleunigt sich gerade.

Die dunkle Energie wurde als Platzhalter für den unbekannten Aspekt des Universums vorgeschlagen, der diese mysteriöse und beunruhigende kosmische Beschleunigung verursacht, aber die Wissenschaftler können nicht mit Sicherheit sagen, was es ist. Dieses Problem wird durch die Tatsache verschärft, dass die dunkle Energie heute vermutlich 65 % bis 70 % der gesamten Energie und Materie im Kosmos ausmacht.

Die von der Dark Energy Camera am Víctor M. Blanco 4-Meter-Teleskop des Cerro Tololo Inter-American Observatory in Nordchile durchgeführte Untersuchung der Dunklen Energie zeigt, dass die Beobachtung von Supernovae nach wie vor einen wesentlichen Beitrag zur Lösung des Rätsels leistet, das diese Untersuchungen vor 25 Jahren ausgelöst haben.

Die neuen Ergebnisse des Dark Energy Survey wurden auf der 243. Tagung der American Astronomical Society am 8. Januar 2024 vorgestellt. Das Team, das hinter diesen Ergebnissen steht, fügte hinzu, dass sie mit dem Standardmodell der Kosmologie, dem sogenannten „Lambda cold dark matter“-Modell (ΛCDM), übereinstimmen, das ein Universum mit beschleunigter Expansion beschreibt.

Dies sind die engsten Grenzen für die Geschichte der Expansion während der 13,8 Milliarden Jahre dauernden Geschichte des Kosmos, aber sie lassen auch Spielraum für komplexere Modelle des Universums.

Untersuchung der dunklen Energie mit Standardkerzen

Um diese Daten zu sammeln, beobachtete die vom Fermilab gebaute 570-Megapixel-Kamera für dunkle Energie 758 Nächte lang den Himmel über der Erde und nahm dabei 2 Millionen entfernte Galaxien auf. Darunter entdeckte die leistungsstarke Kamera Tausende von Supernovae. 1.499 dieser Supernovae konnten mit Hilfe des maschinellen Lernens als eine besondere Art von Sternexplosion, eine Supernova vom Typ Ia, identifiziert werden. Diese treten auf, wenn tote Sterne, so genannte Weiße Zwerge, die schon lange keinen Wasserstoff mehr haben, um die Kernfusion anzutreiben und sich in ihrem Kern in Helium umzuwandeln, in einem Doppelsternsystem mit einem anderen Stern existieren. Die Weißen Zwerge ziehen Material von ihrem Begleiter oder „Spender“-Stern mit, und wenn sich diese Materie auf dem toten Stern anhäuft, kann sie den Weißen Zwerg über die so genannte Chandrasekhar-Grenze hinausschieben. Dies ist die Massengrenze, die ein Stern braucht, um zur Supernova zu werden.

Diese Supernovae vom Typ Ia sind so gleichmäßig, dass Wissenschaftler sie als „Standardkerzen“ bezeichnen, und ihr Licht kann zur Messung großer Entfernungen im Kosmos verwendet werden.

Da sich die Wellenlänge des Lichts von weit entfernten Objekten in Richtung des roten Endes des elektromagnetischen Spektrums ausdehnt, ein Prozess, der „Rotverschiebung“ genannt wird, wenn sie sich von der Erde entfernen, kann die einheitliche Lichtleistung von Standardkerzen in unterschiedlichen Entfernungen zur Messung der Expansion des Universums verwendet werden.

Vergleicht man die Rotverschiebung näher gelegener Supernovae vom Typ Ia mit der Rotverschiebung weiter entfernter und damit früherer Explosionen Weißer Zwerge, so kann dies einen Hinweis auf die Stärke dieser Expansion und damit auf die Dichte der dunklen Materie zu den entsprechenden Zeitpunkten in der kosmischen Geschichte geben.

Eine Illustration, die die Rotverschiebung von Supernovas in verschiedenen Entfernungen und damit zu verschiedenen Zeiten im Universum zeigt. Die frühere und weiter entfernte Supernova ist stärker rotverschoben. (Bildnachweis: DES Collaboration)

Die neuen Ergebnisse des Dark Energy Survey verdreifachen die bekannte Anzahl von Supernovas bei einer Rotverschiebung von etwa 0,2, was einer Entfernung von etwa 2,5 Milliarden Lichtjahren entspricht. Sie verfünffachen die bekannte Anzahl von Standardkerzen mit einer Rotverschiebung von etwa 0,5, was einer Entfernung von etwa 6 Milliarden Lichtjahren entspricht.

„Das ist ein enormer Fortschritt im Vergleich zu vor 25 Jahren, als nur 52 Supernovae für die Ableitung dunkler Energie verwendet wurden“, sagte Tamara Davis, Mitglied der Arbeitsgruppe Dark Energy Survey und Professorin an der University of Queensland, in einer Erklärung.

Die dunkle Energie war nicht immer so dicht

Mit einer so großen Stichprobe von Supernovae des Typs Ia über eine so große Bandbreite kosmischer Entfernungen konnte das Team eine Aufzeichnung der kosmischen Expansion erstellen, indem es die Entfernungen dieser Explosionen mit der Geschwindigkeit kombinierte, mit der sie sich von der Erde entfernten.

Dies diente als Hinweis darauf, ob die Dichte der dunklen Energie stabil geblieben war, was nicht der Fall zu sein schien.

„Wenn sich das Universum ausdehnt, nimmt die Materiedichte ab“, sagte der Direktor und Sprecher des Dark Energy Survey, Rich Kron, in derselben Erklärung. „Aber wenn die Dichte der dunklen Energie konstant ist, bedeutet das, dass der Gesamtanteil der dunklen Energie mit der Zunahme des Volumens zunehmen muss.“

Dies könnte eine Herausforderung für das ΛCDM-Modell des Universums sein, ein mathematisches Modell, das die Entwicklung des Universums mit nur wenigen Schlüsselmerkmalen wie der Dichte der Materie, der Art der Materie und dem Verhalten der dunklen Energie beschreibt.

Das liegt daran, dass das ΛCDM davon ausgeht, dass die Dichte der dunklen Energie konstant ist und sich nicht verdünnt, wenn sich das Universum ausdehnt, was nach den Ergebnissen der Supernova-Untersuchung möglicherweise nicht der Fall ist.

Ein Diagramm, das die Geschichte der kosmischen Expansion nachzeichnet (Bildnachweis: DES Collaboration)

„Es gibt verlockende Hinweise darauf, dass sich die dunkle Energie mit der Zeit verändert. Wir stellen fest, dass das einfachste Modell der dunklen Energie – das ΛCDM – nicht am besten passt“, so Davis weiter. „Es ist nicht so abwegig, dass wir es ausschließen könnten, aber auf der Suche nach der Ursache für die Beschleunigung der Expansion des Universums ist dies ein faszinierendes neues Puzzleteil. Es könnte eine komplexere Erklärung nötig sein.“

Antworten auf dieses Rätsel müssen möglicherweise warten, bis die nächste Generation von Supernova-Untersuchungen beginnt und an die Dunkle-Energie-Untersuchung anknüpft.

„Dieses Ergebnis zeigt deutlich den Wert von astronomischen Durchmusterungsprojekten, die auch nach Abschluss der Datenerfassung noch hervorragende wissenschaftliche Ergebnisse liefern“, sagte Nigel Sharp, Programmdirektor der Abteilung Astronomische Wissenschaften der National Science Foundation, in derselben Erklärung.

„Wir brauchen so viele verschiedene Ansätze wie möglich, um zu verstehen, was dunkle Energie ist und was sie nicht ist. Dies ist ein wichtiger Weg zu diesem Verständnis.“

Die Ergebnisse des Dark Energy Survey wurden im Astrophysical Journal veröffentlicht.