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Dieses Tiefenfeldbild des James Webb Weltraumteleskops zeigt einige der ältesten und am weitesten entfernten Galaxien, die jemals gesehen wurden (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA und STScI)

Die beeindruckende Vorhersagekraft von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie aus dem Jahr 1915 ist unbestritten – dennoch weist die Theorie immer noch Ungereimtheiten auf, wenn es um die Berechnung ihrer Auswirkungen auf große Entfernungen geht. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass diese Ungereimtheiten das Ergebnis eines „kosmischen Fehlers“ in der Schwerkraft selbst sein könnten.

In den 109 Jahren seit ihrer ersten Formulierung ist die allgemeine Relativitätstheorie unsere beste Beschreibung der Schwerkraft in galaktischem Maßstab geblieben; immer wieder haben Experimente ihre Genauigkeit bestätigt. Diese Theorie wurde auch verwendet, um Aspekte des Universums vorherzusagen, die später durch Beobachtungen bestätigt wurden. Dazu gehören der Urknall, die Existenz von schwarzen Löchern, die Gravitationslinse des Lichts und winzige Wellen in der Raumzeit, die Gravitationswellen genannt werden.

Doch wie die Newtonsche Gravitationstheorie, die sie ablöste, bietet uns die allgemeine Relativitätstheorie möglicherweise nicht das vollständige Bild dieser rätselhaften Kraft.

„Dieses Modell der Schwerkraft war von grundlegender Bedeutung für alles, von der Theorie des Urknalls bis zum Fotografieren schwarzer Löcher“, sagte Robin Wen vom Mathematical Physics Orogram der University of Waterloo in einer Erklärung. „Aber wenn wir versuchen, die Schwerkraft im kosmischen Maßstab zu verstehen, auf der Skala von Galaxienhaufen und darüber hinaus, stoßen wir auf offensichtliche Unstimmigkeiten mit den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie.“

„Die Schwerkraft wird um etwa ein Prozent schwächer, wenn es um Entfernungen im Bereich von Milliarden von Lichtjahren geht“, sagte Wen. „Wir nennen diese Unstimmigkeit eine ‚kosmische Störung‘. Es ist fast so, als würde die Schwerkraft selbst nicht mehr perfekt mit Einsteins Theorie übereinstimmen.“

Die vom Team beschriebene kosmische Panne würde eine Änderung eines Wertes, der Gravitationskonstante, erfordern. Diese Änderung würde eintreten, wenn sich die Berechnungen dem „Superhorizont“ nähern, d. h. der maximalen Entfernung, die das Licht seit der Entstehung des Universums zurückgelegt haben könnte.

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Diese Anpassung kann laut dem Team durch eine einzige Erweiterung des kosmologischen Standardmodells vorgenommen werden. Dieses Modell ist als Lambda-Modell für kalte dunkle Materie bekannt. Sobald es fertiggestellt ist, sollte die Erweiterung Unstimmigkeiten bei Messungen in kosmologischen Maßstäben ausräumen, ohne die bisherigen erfolgreichen Anwendungen der allgemeinen Relativitätstheorie zu beeinträchtigen.

Was ist die allgemeine Relativitätstheorie und könnte sie falsch sein?

Die Entdeckung der allgemeinen Relativitätstheorie war deshalb so revolutionär, weil sie die Schwerkraft nicht als eine mysteriöse Kraft beschreibt, sondern postuliert, dass die Schwerkraft aus der Krümmung des Gefüges von Raum und Zeit selbst entsteht, die als eine einzige Einheit, die „Raumzeit“, vereint sind. Und diese Krümmung, so erkannte Einstein, wird durch Objekte mit Masse geformt.

Stellen Sie sich vor, Sie legen Bälle mit zunehmender Masse auf eine gespannte Gummiplatte. Ein Tennisball würde eine winzige, kaum wahrnehmbare Delle verursachen; ein Cricketball würde eine ausgeprägtere Delle erzeugen; und eine Bowlingkugel würde eine riesige Krümmung hervorrufen, die wahrscheinlich alles andere auf der Platte in ihre Richtung zieht. Das gleiche Konzept gilt für Objekte im Weltraum, obwohl die Krümmung der Raumzeit in vier Dimensionen existiert, so dass es einige wichtige Unterschiede gibt. Dennoch haben Monde eine geringere Masse als Planeten, Planeten eine geringere als Sterne und Sterne eine geringere als Galaxien – dementsprechend ist der Gravitationseinfluss dieser Himmelskörper größer.

Einsteins Theorie der Schwerkraft war so etwas wie ein Nachfolger der Newtonschen Theorie, obwohl letztere in irdischen Maßstäben immer noch recht gut funktioniert und genau genug ist, um Raketen zum Mond zu bringen. Dennoch konnte Einsteins Theorie Dinge erklären, die die Newtonsche Theorie nicht erklären konnte, wie z. B. die eigenartige Umlaufbahn des Merkurs um die Sonne.

Newton hatte nicht ganz unrecht mit der Schwerkraft – er hatte nur nicht in den Größenordnungen von Planeten, Sternen und Galaxien recht.

Objekte mit Masse, in diesem Fall Galaxien, verformen das Gewebe der Raumzeit, wodurch die Schwerkraft entsteht. (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)

Ist die allgemeine Relativitätstheorie dennoch falsch?

Nun, wahrscheinlich nicht. Als Theorie war sie bei der Vorhersage von Aspekten des Universums, von denen wir nichts wussten, zu genau. Zum Beispiel wurde im April 2019 das erste Bild eines schwarzen Lochs, das vom Event Horizon Telescope aufgenommen wurde, der Öffentlichkeit vorgestellt. Dieses Bild war schockierend, weil das Erscheinungsbild des supermassiven schwarzen Lochs M87* den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie sehr nahe kam.

Wissenschaftler sind sich jedoch bewusst, dass die allgemeine Relativitätstheorie einige Probleme aufweist, die eine eventuelle Überarbeitung erforderlich machen könnten. So lässt sich die Theorie beispielsweise nicht mit der Quantenmechanik vereinbaren, der besten Beschreibung, die wir für die Physik auf fundamentalen Ebenen unterhalb des Atoms haben. Das liegt vor allem daran, dass es derzeit keine Quantentheorie zur Beschreibung der Schwerkraft gibt.

Es scheint also, dass die allgemeine Relativitätstheorie irgendwann angepasst werden muss, um ihre Reichweite auf die kleinsten Skalen des Universums – und laut diesem Team auch auf die größten Skalen – auszudehnen.

Seit Jahrzehnten versuchen Forscher, ein mathematisches Modell zu entwickeln, das der allgemeinen Relativitätstheorie hilft, ihre Ungereimtheiten zu überwinden, und Mathematiker und Astrophysiker der University of Waterloo haben sich intensiv mit dieser Suche beschäftigt.

(Links) Beobachtung des Schwarzen Lochs M87* in polarisiertem Licht (rechts) eine Simulation eines Schwarzen Lochs, das mit Hilfe der Allgemeinen Relativitätstheorie erzeugt wurde (Bildnachweis: EHT-Kollaboration)

Änderung der allgemeinen Relativitätstheorie? Was ist das?

Wenn der Gedanke, die allgemeine Relativitätstheorie zu überarbeiten, einer Ketzerei gleichkommt, sollte man bedenken, dass dies nicht das erste Mal wäre, dass die mit ihr verbundenen Theorien angepasst werden müssten.

Kurz nachdem Einstein die Theorie erstmals vorgestellt hatte, entwickelten er und andere eine Gleichung zur Beschreibung des Zustands des Universums. Als Ergebnis der allgemeinen Relativitätstheorie sagte diese Gleichung voraus, dass sich das Universum verändern sollte. Das Problem dabei war, dass der wissenschaftliche Konsens zu dieser Zeit besagte, dass das Universum statisch sei. Und obwohl Einstein kein Unbekannter war, wenn es darum ging, den Status quo ins Wanken zu bringen, stimmte er zufällig mit diesem sich nicht verändernden kosmischen Bild überein.

Um sicherzustellen, dass die allgemeine Relativitätstheorie ein statisches Universum vorhersagt, fügte Einstein einen „Fudge-Faktor“ hinzu, den er später als seinen „größten Fehler“ bezeichnete: die kosmologische Konstante, die durch den griechischen Buchstaben Lambda dargestellt wird. Die Konstante wurde aus dem Denken entfernt, als Edwin Hubble Einstein davon überzeugte, dass das Universum nicht statisch ist. Es dehnt sich aus, argumentierte er. Und soweit wir heute wissen, hatte Hubble tatsächlich recht.

Lambda würde jedoch tatsächlich ein Comeback feiern. Ende des 20. Jahrhunderts begann es, eine andere Funktion zu erfüllen, als die Astronomen entdeckten, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt, sondern dies auch noch in einem immer schnelleren Tempo tut.

Eine Illustration der kosmologischen Konstante (Lambda), die aus dem kosmischen Mülleimer entsorgt (oder vielleicht gerettet) wird. (Bildnachweis: Robert Lea)Vor fast einem Jahrhundert entdeckten die Astronomen, dass sich unser Universum ausdehnt“, so Niayesh Afsharid, Professor für Astrophysik an der University of Waterloo und Forscher am Perimeter Institute, in der Erklärung. „Je weiter die Galaxien entfernt sind, desto schneller bewegen sie sich, bis zu dem Punkt, an dem sie sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, dem von Einsteins Theorie erlaubten Maximum. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Einsteins Theorie in diesen Größenordnungen ebenfalls unzureichend sein könnte.“

Das Team der University of Waterloo geht von einer „kosmischen Störung“ aus, die die Schwerkraft in großen Entfernungen verändert, und erweitert Einsteins mathematische Formeln, um dies zu bewältigen, ohne die Theorie zu „stürzen“.

„Man kann sich das wie eine Fußnote zu Einsteins Theorie vorstellen“, sagte Wen. „Sobald man einen kosmischen Maßstab erreicht, gelten andere Bedingungen.“

Die Forscher, die hinter dieser Theorie der kosmischen Störung stehen, schlagen vor, dass künftige Beobachtungen der großräumigen Struktur des Universums und eines universellen „fossilen“ Strahlungsfeldes namens kosmischer Mikrowellenhintergrund (CMB), das aus einem Ereignis kurz nach dem Urknall stammt, Aufschluss darüber geben könnten, ob eine kosmische Störung der Schwerkraft für die derzeitigen „kosmischen Spannungen“ verantwortlich ist.

Dies könnte auch der Grund dafür sein, dass die Quantentheorie einen Wert für Lambda angibt, der um einen erstaunlichen Faktor 10¹²¹ (10 gefolgt von 120 Nullen) größer ist als die astronomischen Beobachtungen zu zeigen scheinen (kein Wunder, dass einige Physiker dies als „die schlechteste theoretische Vorhersage in der Geschichte der Physik“ bezeichnen).

„Dieses neue Modell könnte der erste Hinweis auf ein kosmisches Rätsel sein, das wir gerade beginnen, über Raum und Zeit hinweg zu lösen“, schloss Afshordi.

Die Forschungsarbeit des Teams erscheint im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.