Eine Illustration von hellen frühen Galaxien im Kosmos – hat die frühe dunkle Energie zu ihrer Entstehung beigetragen?(Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Ein neues Modell, das nahelegt, dass die dunkle Energie – die mysteriöse Kraft, die die Beschleunigung der Expansion des Universums antreibt – schon früh im Kosmos entstand, könnte zwei der drängendsten astrophysikalischen Kopfschmerzen beseitigen.
Eines dieser Kopfschmerzen ist die „Hubble-Spannung“, die sich auf eine seit langem bestehende scheinbare Diskrepanz zwischen der gemessenen Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt, bezieht. Das andere ist die merkwürdige Entdeckung heller Galaxien im frühen Universum, zu einer Zeit, als die Wissenschaftler dachten, der Kosmos sei nur dünn besiedelt. Das letztgenannte Problem trat auf, nachdem das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) begonnen hatte, Beobachtungen des frühen und fernen Universums durchzuführen.
Das neue Modell wurde von einem Team von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der University of Texas in Austin entwickelt. Sie glauben, dass der Schlüssel zu diesen beiden Rätseln eine zusätzliche Zutat im kosmischen Pudding ist: die frühe dunkle Energie.
Im Prinzip müsste die frühe dunkle Energie der dunklen Energie ähnlich sein, die heute die Expansion des Universums antreibt. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass, während die moderne dunkle Energie vor etwa 4 Milliarden Jahren zu wirken begann, die frühe dunkle Energie nur kurz im frühen Kosmos, nur Tausende von Jahren nach dem Urknall, erschienen wäre. Danach wäre sie vollständig verschwunden.
„Es handelt sich um zwei Rätsel mit offenem Ende“, sagte Rohan Naidu, ein Postdoktorand am Kavli Institute for Astrophysics and Space Research des MIT, in einer Erklärung. „Wir stellen fest, dass die frühe dunkle Energie tatsächlich eine sehr elegante und spärliche Lösung für zwei der dringendsten Probleme in der Kosmologie ist.
Inhaltsübersicht
Die Arbeit an der Hubble-Spannung
Die so genannte Hubble-Spannung ergibt sich aus der Tatsache, dass es zwei Hauptmethoden zur Messung der „Hubble-Konstante“ gibt, d. h. der Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt, und diese nicht übereinstimmen.
Bei der anderen Methode werden Beobachtungen des fernen (und daher frühen) Universums gemacht und dann durch Ableitung berechnet, wie schnell das Universum expandiert.
Es gibt allerdings einen Haken (gibt es den nicht immer?). Diese Methoden liefern unterschiedliche Werte.
Die frühe dunkle Energie könnte hier Abhilfe schaffen, glaubt das Team, das hinter den neuen Forschungen steht. Als eine beschleunigende Kraft, die nur wenige tausend Jahre nach dem Urknall aktiviert wurde, könnte diese Substanz gegen die Schwerkraft gewirkt haben. Das würde bedeuten, dass die Werte nicht übereinstimmen, wenn die frühe dunkle Energie bei der Berechnung der Hubble-Konstante aus Beobachtungen des frühen Universums nicht berücksichtigt wird.
„Frühe dunkle Energie ist eine mögliche Ergänzung des kosmologischen Standardmodells, die seine vielen Erfolge bewahren und die Hubble-Spannung auflösen würde“, sagte Michael Boylan-Kolchin, Professor für Astronomie an der University of Texas in Austin, in der Erklärung.
Ein Diagramm der Geschichte des Universums: Könnte „frühe dunkle Energie“ eine Rolle bei seinen Anfängen gespielt haben (Bildnachweis: NASA/WMAP Science Team/Art by Dana Berry)
Was ist mit dem zweiten Problem, das sich wirklich zu manifestieren begann, als das JWST frühe Galaxien fand, die fast so groß wie die Milchstraße im frühen Universum waren?
Helle Galaxien verursachen Kopfschmerzen? Versuchen Sie es mit früher dunkler Energie!
Dieses Problem rührt von der Tatsache her, dass es Milliarden von Jahren gedauert haben müsste, bis sich Wasserstoff- und Heliumgas verdichtet und Sterne in ausreichender Menge gebildet haben, um große und helle Galaxien wie die Milchstraße zu bilden.
Dennoch entdeckte das JWST im Jahr 2023 eine schockierende Anzahl von großen und hellen Galaxien nur 500 Millionen Jahre nach dem Urknall, als das Universum nur etwa 3 % seines heutigen Alters von 13,8 Milliarden Jahren betrug.
„Die hellen Galaxien, die JWST gesehen hat, wären wie eine Ansammlung von Lichtern in der Nähe von Großstädten, während die Theorie so etwas wie das Licht in ländlicheren Gegenden wie dem Yellowstone-Nationalpark vorhersagt“, sagte Teamleiter Xuejian (Jacob) Shen, ein Kavli-Postdoktorand am MIT, in der Erklärung. „Und wir erwarten diese Häufung von Licht nicht so früh.“
Sechs helle und massereiche Galaxien, die das JWST im frühen Universum gesehen hat (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, I. LABBE)
Anstatt jedoch alle unsere Modelle der galaktischen Entwicklung über den Haufen zu werfen, schlägt das Team vor, einfach die frühe dunkle Energie zu den Modellen hinzuzufügen.
Bei der Erstellung eines eigenen Modells der Galaxienentstehung, das dies berücksichtigt, stellte das Team fest, dass dieselbe frühe dunkle Energie, die die Hubble-Spannung zu lindern schien, auch die Entstehung großer, heller Galaxien in der Anzahl nahelegte, wie sie das JWST derzeit beobachtet.
Dafür mussten die Forscher jedoch einige kosmologische Parameter des Universums und andere himmlische Bestandteile manipulieren, wie das Volumen der dunklen Materie im Universum und die Dichte des Kosmos kurz nach dem Urknall.
Es ist unklar, wie die frühe dunkle Energie zur frühen Bildung großer Galaxien im jungen Universum geführt haben könnte – doch die Tatsache, dass dieses Modell zwei kosmische Fliegen mit einer Klappe schlagen könnte, bedeutet für das Team, dass es sich lohnt, die Sache weiterzuverfolgen.
„Die Tatsache, dass ein einziges Modell diese beiden nicht zusammenhängenden Probleme erklären kann, macht es faszinierend und wert, genauer untersucht zu werden“, schloss Boylan-Kolchin. „Indem wir mehr Daten mit JWST erhalten und das älteste Licht im Universum genauer untersuchen, sollten wir innerhalb des nächsten Jahres oder so wissen, ob die frühe dunkle Energie die richtige Antwort ist, was wirklich aufregend ist“.
