Das Standardmodell unseres Universums weist möglicherweise einige Risse auf. Mehrere grundlegende kosmologische Beobachtungen widersprechen sich. Zum Beispiel scheint sich das Universum laut Beobachtungen der Restwärme des Urknalls um 10 Prozent schneller auszudehnen, als es sein sollte.
Es ist durchaus möglich, dass die Widersprüche verschwinden, wenn sich unsere Schätzungen der kosmischen Parameter verbessern. Aber es ist auch möglich, dass die Widersprüche nicht verschwinden und dass unser grundlegendes Bild des Universums einer radikalen Überarbeitung unterzogen wird, vielleicht um unsichtbare, „dunkle“ Komponenten, die so komplex sind wie Atome, Sterne und Galaxien, einzubeziehen.
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Dunkle Materie, Dunkle Energie und Inflation
Kosmologie ist die ultimative Wissenschaft. Es befasst sich mit der Geburt, Evolution und dem Schicksal des Universums. Das Standardmodell besteht aus mehreren Bestandteilen:Urknall, Dunkle Materie, Dunkle Energie und Inflation.
Nehmen Sie zuerst den Urknall. Astronomen können sehen, dass die Galaxien – die Grundbausteine des Universums, von denen die Milchstraße einer ist – nach einer Titanic-Explosion voneinander wegfliegen. Sie beobachten auch, dass das Universum von Reliktwärme durchdrungen ist – der kosmischen Hintergrundstrahlung.
Zusammen sagen diese beiden Beobachtungen den Astronomen, dass das Universum in der Vergangenheit kleiner und heißer war. Tatsächlich wurde das Universum gemäß dem Standardbild vor 13,82 Milliarden Jahren in einem glühend heißen Feuerball geboren und dehnt sich seitdem ständig aus, wobei die Galaxien aus den abkühlenden Trümmern erstarren.
Aber das Grundbild des Urknalls erfordert ein paar zusätzliche Zutaten, weil es im Widerspruch zu Beobachtungen steht. Erstens und am schwerwiegendsten sagt es voraus, dass wir nicht existieren sollten.
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Nach dem grundlegenden Urknall wurde die Materie, als sie aus dem ursprünglichen Feuerball auftauchte, extrem gleichmäßig verteilt. Danach zogen Regionen, die etwas dichter als der Durchschnitt waren, mit ihrer stärkeren Schwerkraft Materie schneller an. Das Ergebnis dieses Prozesses, ähnlich wie die Reichen immer reicher werden, waren die Galaxien, die wir heute sehen. Das Problem ist, dass es länger als 13,82 Milliarden Jahre gedauert hätte, Galaxien mit der Masse unserer Milchstraße aufzubauen.
Kosmologen lösen das Problem, indem sie unsichtbare dunkle Materie an den grundlegenden Urknall schrauben. Unsichtbare dunkle Materie überwiegt die sichtbaren Sterne und Galaxien um den Faktor sechs, und ihre zusätzliche Schwerkraft beschleunigte die Galaxienbildung.
Die zweite Art, in der das grundlegende Bild des Urknalls mit Beobachtungen in Konflikt gerät, besteht darin, dass es vorhersagt, dass sich die kosmische Expansion verlangsamen sollte. Die Schwerkraft wirkt wie ein Gummiband zwischen den Galaxien und bremst ihren Ansturm voneinander ab. Doch 1998 entdeckten Astronomen, dass sich die Expansion entgegen allen Erwartungen beschleunigt.
Sie beheben dies, indem sie dunkle Energie auf den grundlegenden Urknall schrauben, etwas, das unsichtbar ist, den gesamten Raum ausfüllt und eine abstoßende Schwerkraft hat. Es ist dunkle Energie, die die kosmische Expansion beschleunigt.
Die dritte Art, in der das Bild des Urknalls mit Beobachtungen in Konflikt gerät, ist, dass das Universum überall die gleiche Temperatur hat – die Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung. Diese Temperatur beträgt 2,726 K (absoluter Nullpunkt ist 0 K). Zu Beginn des Urknalls waren Regionen, die sich heute auf gegenüberliegenden Seiten des Himmels befinden, zu weit voneinander entfernt, um ihre Temperaturen auszugleichen.
Kosmologen beheben dies, indem sie postulieren, dass das Universum schon früh viel kleiner war als erwartet. Daher muss er sich in 13,82 Milliarden Jahren schneller ausgedehnt haben, um seine jetzige Größe zu erreichen.
Tatsächlich wird angenommen, dass das Universum in seinem ersten Bruchteil einer Sekunde eine so heftige Expansion erfahren hat, dass es mit der Explosion einer H-Bombe verglichen wurde. Dies wird mit der Dynamitstange der Big-Bang-Expansion verglichen, die einsetzte, als der anfänglichen „Inflation“ die Puste ausging.
Hier hast du es. Das Standardmodell der Kosmologie =Urknall + Inflation + dunkle Materie + dunkle Energie. Technisch heißt es „Lambda-CDM“. Während der Urknall + Inflation implizit angenommen wird, ist Lambda die Abkürzung für dunkle Energie und CDM für kalte dunkle Materie, wobei „kalt“ bedeutet, dass sich ihre Komponenten träge bewegen, sodass die Schwerkraft sie zu Klumpen konzentrieren kann.
Etwas stimmt nicht mit kalter dunkler Materie
Der erste Konflikt zwischen Lambda-CDM und Beobachtungen betrifft Galaxienhaufen. Gemäß dem Modell der kalten dunklen Materie wird die Schwerkraft dazu führen, dass dunkle Materie auf einer Reihe von Skalen zusammenklumpt, einschließlich solcher, die kleiner als ein Galaxienhaufen sind.
Später wird gewöhnliche Materie (die sich zu Sternen formt) eingezogen. Diese „Subhalos“ können viele Sterne haben, aber einige Subhalos haben möglicherweise keine Sterne oder so wenige Sterne, dass sie unsichtbar sind. Es gibt jedoch eine Möglichkeit, sie aufzudecken.
Ein Team unter der Leitung von Dr. Massimo Meneghetti vom National Astrophysics Institute in Bologna, Italien, beobachtete 11 Galaxienhaufen mit dem Hubble-Weltraumteleskop und dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile. Sie untersuchten das Licht von weiter entfernten Galaxien und wie es verzerrt oder „durch Gravitationslinsen gebündelt“ wurde, weil es an den unsichtbaren Subhalos vorbeikam.
Zur Überraschung des Teams war die Linsenwirkung der Subhalos viel stärker als erwartet, was darauf hindeutet, dass sie sehr kompakt sind. Dies widerspricht dem Modell der kalten dunklen Materie, das behauptet, dass die Subhalos viel geschwollener sein sollten.
„Wir müssen wissen, ob diese Anomalie durch die Art und Weise verursacht werden kann, wie wir unsere Daten analysieren oder wie wir unsere theoretischen Vorhersagen treffen“, sagt Meneghetti. „Wenn wir es nicht erklären, besteht die einzige Möglichkeit darin, das Modell zu überarbeiten.“
Eine Möglichkeit ist, dass die dunkle Materie nicht aus dem besteht, woraus wir glauben, dass sie besteht. Bevorzugte Kandidaten sind massive, schwach wechselwirkende Teilchen, die mit gewöhnlicher Materie nur durch Schwerkraft wechselwirken. Solche schwach wechselwirkenden massiven Teilchen oder WIMPs sind nicht Teil des Standardmodells der Teilchenphysik, sondern werden von einer spekulativen Theorie namens „Supersymmetrie“ vorhergesagt.
„Vielleicht besteht die dunkle Materie aus Teilchen, die anders als WIMPS interagieren“, sagt Meneghetti. „Mögliche Alternativen umfassen eine neue Art von Neutrinos, die als „sterile Neutrinos“ bezeichnet werden, eine andere Klasse von Teilchen, die als „Axionen“ bezeichnet werden, oder sogar primordiale Schwarze Löcher, die kurz nach dem Urknall entstanden sind.“
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Die Glätte der Materie
Der zweite Konflikt zwischen Lambda-CDM und Beobachtungen betrifft die Verklumpung von Materie in großem Maßstab.
Ein Team unter der Leitung von Prof. Koen Kuijken vom Leiden Observatory in den Niederlanden untersuchte die Verteilung von 31 Millionen extrem schwacher Galaxien in der neuesten Datenveröffentlichung des European Kilo-Degree Survey (KiDS). Die KiDS-Kollaboration nutzte das Survey Telescope des Very Large Telescope in Chile, um zwei große Himmelsbereiche zu beobachten.
Insbesondere untersuchte Kuijkens Team, wie das Licht dieser Galaxien durch die Materie zwischen ihnen und der Erde gravitativ gebündelt wurde, was seine Verteilung ermöglichte.
Es stellte fest, dass die Materie um 8,3 Prozent gleichmäßiger verteilt war als vom Modell der kalten dunklen Materie vorhergesagt, das die sehr kleinen Schwankungen in der Dichte des Universums kurz nach dem Urknall – die durch die kosmische Hintergrundstrahlung offenbart wurden – berücksichtigt und berechnet, wie sich diese ausgebreitet hätten wurde in den letzten 13,82 Milliarden Jahren durch die Schwerkraft verstärkt.
Auch hier könnte die Anomalie mit einer besseren Analyse der Daten oder einer Modifikation des Modells der kalten dunklen Materie verschwinden. Oder es könnte uns sagen, dass das Modell grundlegend falsch ist.
Messung der Hubble-Konstante
Der dritte Konflikt zwischen Lambda-CDM und Beobachtungen, bekannt als „Hubble-Spannung“, betrifft die Hubble-Konstante, ein Maß für die aktuelle Expansionsrate des Universums. Es gibt zwei Möglichkeiten, es zu messen, und sie widersprechen sich.
Eine Möglichkeit besteht darin, subtile Variationen in der Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung am Himmel zu betrachten. Diese wurden der Strahlung von der „Flüssigkeit“ aus Materie und Strahlung zu Beginn der Zeit eingeprägt, als sie wie Wasser in einem universumsgroßen Bad herumschwappte.
Es ist möglich, aus diesen Schwappmodi alle wichtigen kosmologischen Parameter zu extrahieren. Der europäische Planck-Satellit fand beispielsweise heraus, dass das Universum zu 4,9 Prozent aus Atommaterie, zu 26,8 Prozent aus dunkler Materie und zu 68,3 Prozent aus dunkler Energie besteht.
Entscheidend ist, dass solche Beobachtungen auch die Hubble-Konstante im frühen Universum enthüllen und dies auf die heutige Zeit extrapoliert werden kann. Und hier liegt das Problem:Der extrapolierte Wert ist etwa 10 Prozent kleiner als die heute beobachtete Hubble-Konstante.
Es ist wichtig zu bedenken, dass die aus der kosmischen Hintergrundstrahlung abgeleitete Hubble-Konstante sehr genau ist, da die Physik einfach und gut verstanden ist. Aber Messungen der Hubble-Konstante im heutigen Universum sind gröber und voller Probleme.
Solche Messungen beinhalten das Auffinden von Objekten, von denen angenommen wird, dass sie immer die gleiche intrinsische Leuchtkraft haben, wie z. B. Cepheiden-Variablen und Typ-1a-Supernovae. Wie normale 100-W-Glühbirnen, die um Mitternacht über ein Feld gespannt werden, zeigen solche „Standardkerzen“ ihre relative Entfernung durch ihre relative Lichtschwäche.
Das Problem ist, dass die Physik solcher Sterne nicht gut verstanden wird und möglicherweise nicht so standardisiert ist, wie wir hoffen. Es könnte also sein, dass diese Messungen der Entfernung von Standardkerzen, wenn sie von uns durch die kosmische Expansion weggezogen werden, fehlerhaft sind und schließlich eine Hubble-Konstante ergeben, die der der kosmischen Hintergrundstrahlung entspricht.
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Etwas völlig Neues
Andererseits könnte es sein, dass uns die Natur etwas Neues über das Universum erzählt. „Das ‚Standardmodell der Kosmologie‘ ist ein Eingeständnis der Unwissenheit“, gibt Prof. Abraham Loeb von der Harvard University zu.
„Wir bezeichnen Komponenten, deren Natur wir nicht kennen, als ‚dunkle Materie‘ und ‚dunkle Energie‘. Da wir nicht wissen, was sie sind, ist es ein sehr grobes Modell, das leicht eine zu starke Vereinfachung der Realität sein könnte.“
Loeb weist darauf hin, dass Dunkle Materie möglicherweise keine Flüssigkeit einer Art von Dunkle-Materie-Teilchen ist. „Es gibt möglicherweise kein einzelnes Teilchen der Dunklen Materie, sondern eine Mischung aus Teilchen mit unterschiedlichen Massen und Wechselwirkungen“, sagt er. Dunkle Materie könnte komplex sein, genau wie gewöhnliche Materie, die aus Quarks und Elektronen besteht, die zu 92 natürlich vorkommenden Elementen zusammengesetzt sind.
Darüber hinaus könnten sich Dunkle-Materie-Teilchen auf komplexe Weise verhalten. Beispielsweise könnten sie im Laufe des Alters des Universums zerfallen, ihre Anziehungskraft verringern und damit die kosmische Expansion bremsen. Ein solcher Schub für die kosmische Expansionsrate würde die Hubble-Spannung entlasten.
Ein möglicher Weg, die Hubble-Spannung zu bestätigen oder zu widerlegen, sind „Standardsirenen“ anstelle von Standardkerzen. Gravitationswellen sind Schwingungen der Raumzeit, ähnlich wie Schallwellen, und es wird angenommen, dass die Verschmelzung von Neutronensternen Standard-Sirenen erzeugt, wie die Nebelhörner von Leuchttürmen. Je leiser der Ton, desto weiter entfernt die Sirene.
„Gravitationswellenquellen bieten die robusteste Methode, um die Unsicherheiten, die wir derzeit haben, aufzulösen“, sagt Loeb. Die Hoffnung ist, dass solche Techniken zeigen, ob die gegenwärtigen Widersprüche zwischen verschiedenen Beobachtungen real sind.
Das Standardmodell der Kosmologie ist relativ einfach, trotz seiner vielen unsichtbaren Komponenten. Aber seine Einfachheit macht uns möglicherweise blind für die Realität, die komplexer sein kann. „Die Natur“, warnt Loeb, „ist nicht verpflichtet, sich an die einfachste Version zu halten.“
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 358 des BBC Science Focus Magazine – Hier erfahren Sie, wie Sie sich anmelden können
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