Die Allgemeine Relativitätstheorie hat dank der Beobachtungen der letzten 11 Milliarden Jahre kosmischer Entwicklung, die das Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) gesammelt hat, einen ihrer präzisesten Tests überhaupt bestanden.
Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie aus dem Jahr 1915 war in den letzten 100 Jahren die beste Beschreibung der Schwerkraft für die Menschheit. Kosmologen haben die allgemeine Relativitätstheorie genutzt, um zu modellieren, wie sich der Kosmos entwickelt hat – von seinen frühesten Momenten bis zu seinem heutigen Zustand – und um zu zeigen, wie die Schwerkraft winzige Materieklumpen zusammengebracht hat, um riesige Galaxien und Galaxienhaufen zu bilden. Doch während die allgemeine Relativitätstheorie in relativ kleinen Maßstäben jeden Test bestanden hat, wurde sie in sehr großen Maßstäben nur selten in Frage gestellt.
Wissenschaftler haben nun mit DESI einen solchen groß angelegten Test durchgeführt. Sie beobachteten fast 6 Millionen Galaxien und Quasare, die hellen Herzen von Galaxien, die von supermassiven schwarzen Löchern gespeist werden. Es überrascht vielleicht nicht, dass dieser Test, der die Entwicklung des Universums seit seinem Alter von etwa 3 Milliarden Jahren nachzeichnet, einmal mehr gezeigt hat, dass die allgemeine Relativitätstheorie das richtige „Rezept“ für die Gravitation ist.
„Die allgemeine Relativitätstheorie ist auf der Skala von Sonnensystemen sehr gut getestet worden, aber wir mussten auch prüfen, ob unsere Annahme auf viel größeren Skalen funktioniert“, sagte die Co-Leiterin der Studie und Kosmologin des französischen Nationalen Zentrums für wissenschaftliche Forschung (CNRS) Pauline Zarrouk in einer Erklärung. „Die Untersuchung der Geschwindigkeit, mit der sich Galaxien gebildet haben, ermöglicht es uns, unsere Theorien direkt zu testen, und bis jetzt stimmen wir mit dem überein, was die allgemeine Relativitätstheorie in kosmologischen Maßstäben vorhersagt.“
DESI ist ein hochmodernes Instrument, das auf dem Nicholas U. Mayall 4-Meter-Teleskop des Kitt Peak National Observatory montiert ist und aus 5.000 „Roboteraugen“ besteht. Das Experiment befindet sich jetzt im vierten Jahr seines fünfjährigen Himmelsvermessungsprojekts, in dem es schließlich etwa 40 Millionen Galaxien und Quasare beobachten wird.
Die Daten der Himmelsdurchmusterung könnten für das Verständnis der dunklen Energie und der dunklen Materie von entscheidender Bedeutung sein, der geheimnisvollen Substanz, die die Teilchen der „alltäglichen Materie“ überwiegt, aus denen Sterne, Planeten, Monde und alles, was wir tagtäglich um uns herum sehen, bestehen, aber praktisch unsichtbar bleibt. Die als „dunkles Universum“ bezeichnete dunkle Energie und dunkle Materie legen nahe, dass alles, was wir im Kosmos verstehen, nur 5 % seines Inhalts ausmacht.
Ein Diagramm, das die geschätzten Beiträge zum Energie-Materie-Budget des Universums zeigt und die Dominanz der dunklen Energie verdeutlicht. (Bildnachweis: ESA)
„Dunkle Materie macht etwa ein Viertel des Universums aus, und dunkle Energie macht weitere 70 Prozent aus, und wir wissen nicht wirklich, woraus beides besteht“, sagte Teammitglied Mark Maus, ein Doktorand am Berkeley Lab und der UC Berkeley, in der Erklärung. „Die Vorstellung, dass wir Bilder vom Universum machen und diese großen, grundlegenden Fragen angehen können, ist überwältigend.“
Wiegen der kosmischen Geister
Die allgemeine Relativitätstheorie mag die beste Beschreibung der Schwerkraft sein, die wir haben, aber sie kann nicht jedes einzelne Element des Universums erklären, das wir derzeit beobachten, insbesondere die beschleunigte Expansion des Raums und die Gravitationswirkung der dunklen Materie. Die Beschleunigung der Raumausdehnung wird derzeit einer „Platzhalter“-Kraft namens dunkle Energie zugeschrieben, die sich der Beschreibung durch kosmologische Modelle entzieht, die auf der allgemeinen Relativitätstheorie basieren.
Dieses Versäumnis, die dunkle Energie zu erklären, hat einige Wissenschaftler dazu veranlasst, Alternativen zur allgemeinen Relativitätstheorie vorzuschlagen, die auf Anpassungen der Gravitationstheorie von Isaac Newton beruhen, die Einsteins Hauptwerk ablöste. Diese Theorien werden im Allgemeinen als „modifizierte Theorien der Schwerkraft“ bezeichnet und erklären Beobachtungen des Universums, ohne dass eine Unbekannte wie die dunkle Energie eingeführt werden muss.
Die DESI-Ergebnisse haben nicht nur dazu beigetragen, das führende, auf der allgemeinen Relativitätstheorie basierende Modell des Universums, das Lambda Cold Dark Matter (LCDM)-Modell, zu bestätigen, sondern auch einige Theorien der modifizierten Gravitation zu widerlegen.
Ein Diagramm der Geschichte des Universums und seiner Entwicklung seit dem Urknall. (Bildnachweis: NASA/WMAP Science Team/Art by Dana Berry)
Außerdem haben die gleichen Ergebnisse von DESI dazu beigetragen, eine Obergrenze für die Masse der so genannten „Geisterteilchen“ oder Neutrinos festzulegen.
Neutrinos haben ihren Ruf als die Phantome des Teilchenzoos, weil sie keine elektrische Ladung haben und praktisch masselos sind. Während Sie diesen Satz lesen, sind Billionen dieser Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch Ihren Körper geflossen und dabei unentdeckt geblieben.
Neutrinos sind die einzigen von uns entdeckten Elementarteilchen, deren Masse von den Wissenschaftlern noch nicht genau definiert wurde. Während frühere Experimente die untere Masse von Neutrinos definierten, setzten die DESI-Ergebnisse eine obere Grenze und gaben den Forschern einen besser definierten Massenbereich vor, in dem sich Neutrinos aufhalten sollten.
Dieses computergenerierte Bild zeigt das Skelett des Universums: die Organisation der Materie in sehr großem Maßstab. (Bildnachweis: Das Virgo-Konsortium)
Die neuen Ergebnisse stammen aus einer erweiterten Analyse des ersten Jahres der DESI-Daten, die im April 2024 veröffentlicht wurden. Diese Daten bildeten die größte 3D-Karte des Universums, die bisher erstellt wurde. Diese Ergebnisse waren bereits bemerkenswert, weil sie zu zeigen schienen, dass sich die Stärke der dunklen Energie im Laufe der Zeit verändert.
Die DESI-Ergebnisse vom April konzentrierten sich auf einen Faktor der Galaxienhäufung, die so genannten Baryon Acoustic Oscillations (BAO), Schwingungen in der Materiedichte, die das Wachstum großräumiger Strukturen ermöglichen. Die neue Untersuchung dieser Ergebnisse beinhaltete das, was die Forscher eine „vollständige Formanalyse“ nennen, bei der weiter untersucht wurde, wie Galaxien und Materie auf verschiedenen Skalen im Raum verteilt sind.
Weitere Ergebnisse aus dem zweiten und dritten Jahr des DESI-Betriebs werden voraussichtlich im Frühjahr 2025 veröffentlicht.
„Sowohl unsere BAO-Ergebnisse als auch die Analyse der gesamten Form sind spektakulär“, sagte der Co-Leiter der Forschung, Dragan Huterer von der University of Michigan, in der Erklärung. „Dies ist das erste Mal, dass DESI das Wachstum der kosmischen Struktur untersucht hat. Wir zeigen eine enorme neue Fähigkeit, die modifizierte Schwerkraft zu untersuchen und Modelle der dunklen Energie besser einzuschränken. Und das ist nur die Spitze des Eisbergs.“
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