Das Universum dehnt sich schneller aus, als es sollte. Warum?

Die Diskrepanz zwischen der Geschwindigkeit, mit der sich das Universum auszudehnen scheint, und der Geschwindigkeit, die wir erwarten, ist eine der hartnäckigsten Anomalien der Kosmologie.

Kosmologen stützen ihre Erwartung der Expansionsrate – bekannt als Hubble-Konstante – auf Messungen von Strahlung, die kurz nach dem Urknall ausgesandt wurde. Diese Strahlung verrät die genauen Bestandteile des frühen Universums. Kosmologen fügen diese Bestandteile in ihr Modell der kosmischen Entwicklung ein und lassen das Modell vorwärts laufen, um zu sehen, wie schnell sich das Weltall heute ausdehnen sollte.

Der Originalartikel wurde mit Genehmigung des Quanta Magazins nachgedruckt, einer redaktionell unabhängigen Publikation der Simons Foundation, deren Aufgabe es ist, das öffentliche Verständnis der Wissenschaft zu verbessern, indem sie über Forschungsentwicklungen und Trends in der Mathematik und den physikalischen und Lebenswissenschaften berichtet.

Doch die Vorhersage greift zu kurz: Wenn Kosmologen astronomische Objekte wie pulsierende Sterne und explodierende Supernovas beobachten, sehen sie ein Universum, das sich schneller ausdehnt, mit einer größeren Hubble-Konstante.

Die Diskrepanz, die als Hubble-Spannung bekannt ist, blieb bestehen, auch wenn alle Messungen immer genauer wurden. Einige Astrophysiker diskutieren weiterhin, ob es sich bei der Spannung um nichts anderes als einen Messfehler handelt. Aber wenn die Diskrepanz real ist, bedeutet das, dass etwas im Modell der Kosmologen über das Universum fehlt.

In letzter Zeit haben sich Theoretiker damit beschäftigt, sich neue kosmische Zutaten vorzustellen, die, wenn sie dem Standardmodell hinzugefügt werden, die erwartete Expansionsrate des Universums erhöhen würden, so dass sie mit den Beobachtungen übereinstimmen.

„Die Entdeckung von Anomalien ist die grundlegende Art und Weise, wie die Wissenschaft Fortschritte macht“, sagt Avi Loeb, ein Kosmologe an der Harvard University und einer von Dutzenden von Forschern, die Lösungen für die Hubble-Spannung vorgeschlagen haben.

Dies sind einige der Top-Ideen für das, was die kosmische Expansion beschleunigen könnte.

Zerfallende Dunkle Materie

Das Standardmodell der Kosmologie umfasst alle bekannten Formen von Materie und Strahlung und deren Wechselwirkungen. Es schließt auch die unsichtbaren Substanzen ein, die als dunkle Energie und dunkle Materie bekannt sind und die zusammen etwa 96 Prozent des Kosmos ausmachen. Weil so wenig über diese dunklen Bestandteile bekannt ist, sind sie vielleicht der offensichtliche Ort, um an dem Standardmodell herumzupfuschen. „Das ist das, was man zur Verfügung hat, um die Expansionsrate des Universums zu verändern“, sagte Loeb.

Das Standardmodell geht davon aus, dass die dunkle Materie aus sich langsam bewegenden Teilchen besteht, die nicht mit Licht wechselwirken. Was aber, wenn wir auch annehmen, dass die dunkle Materie nicht nur aus einer einzigen Substanz besteht? Da es viele verschiedene Arten von sichtbaren Teilchen gibt – Quarks, Elektronen und so weiter – könnte es auch mehrere dunkle Teilchen geben.

In einer Arbeit, die letzten Sommer in Physical Review D veröffentlicht wurde, betrachteten Loeb und zwei Mitarbeiter eine Form von dunkler Materie, die in ein leichteres Teilchen und ein masseloses Teilchen, das als dunkles Photon bekannt ist, zerfällt. Da im Laufe der Zeit immer mehr dunkle Materie zerfällt, so ihre Überlegung, hätte sich ihre Anziehungskraft verringert und damit die Expansion des Universums beschleunigt, was die Hubble-Spannung entlastet hätte.

Aber kleine Änderungen wie diese am kosmologischen Standardmodell können unerwünschte Auswirkungen haben. „Es ist sehr einfach, sich alle möglichen kleinen Modifikationen einfallen zu lassen“, sagt Marc Kamionkowski, ein theoretischer Physiker an der Johns Hopkins University – aber es ist schwer, dies zu tun, ohne die perfekte Übereinstimmung des Modells mit einer Fülle anderer astronomischer Beobachtungen zu ruinieren.

Indem sie die Zerfallsrate und die Menge der dunklen Materie, die bei jedem Zerfall verloren geht, variierten, wählten Loeb und Kollegen ein Modell der zerfallenden dunklen Materie, das ihrer Meinung nach immer noch mit anderen astronomischen Beobachtungen übereinstimmt. „Wenn man diese Zutat zum Standardmodell der Kosmologie hinzufügt, hält alles zusammen“, sagte Loeb.

Doch er bleibt unzufrieden mit der Idee der zerfallenden dunklen Materie, zum Teil weil sie zwei neue unsichere Größen in die Gleichungen einführt.

„In diesem Fall fügt man zwei freie Parameter hinzu, um eine Diskrepanz aufzulösen – und das ist mir unangenehm“, sagte er und verglich die zerfallende dunkle Materie mit den Epizykeln in Ptolemäus‘ erdzentrischem Modell des Universums. „Ich würde lieber zwei Diskrepanzen durch einen Parameter erklären lassen.“

Inkonstante Dunkle Energie

Seit der überraschenden Entdeckung im Jahr 1998, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt, haben Kosmologen eine abstoßende Dunkle Energie in ihr Modell der kosmischen Evolution aufgenommen. Doch ihre Natur bleibt ein Rätsel. Die einfachste Möglichkeit ist, dass die dunkle Energie die „kosmologische Konstante“ ist – die Energie des Raums selbst, mit einer konstanten Dichte überall. Was aber, wenn die Menge an dunkler Energie im Universum nicht konstant ist?

Eine zusätzliche Dosis dunkler Energie im frühen Universum, genannt frühe dunkle Energie, könnte die widersprüchlichen Werte der Hubble-Konstante in Einklang bringen. Der Außendruck dieser frühen dunklen Energie hätte die Expansion des Universums beschleunigt. „Der knifflige Teil ist, dass sie nicht wirklich bleiben kann; sie muss schnell verschwinden“, sagte Lisa Randall, eine Teilchenphysikerin und Kosmologin in Harvard.

Randall und ihre Mitarbeiter haben in einer Arbeit, die im Journal of High Energy Physics veröffentlicht wurde, Lösungen für die Hubble-Spannung entwickelt, die sie „Rock ’n‘ Roll“ nennen. Jede dieser Ergänzungen des Standardmodells nimmt eine andere mathematische Form an – bei einigen oszilliert oder rockt die Dichte der dunklen Energie, während sie bei anderen von einem hohen Wert auf Null herunterrollt. Aber in allen Fällen muss die frühe dunkle Energie nach ein paar hunderttausend Jahren verschwinden, während einer Epoche, die als Rekombination bekannt ist. „Die Geschichte des Universums seit der Rekombination ist ziemlich konsistent mit dem Standardmodell“, sagt Kamionkowski, der eine Arbeit über frühe dunkle Energie mitverfasst hat, die im vergangenen Juni in Physical Review Letters veröffentlicht wurde. „

Neben der frühen dunklen Energie haben Theoretiker auch andere exotische Formen der dunklen Energie – wie die Quintessenz und die Phantomdunkelheit – vorgeschlagen, die sich ebenfalls mit dem Alter des Universums verändern. Während diese Erweiterungen des Standardmodells die Hubble-Spannung entlasten, werden sie von vielen Kosmologen als fein abgestimmte mathematische Ergänzungen betrachtet, die keine klare Begründung haben.

Aber Kamionkowski sagt, dass die neuartigen Formen der dunklen Energie weniger konstruiert erscheinen, wenn man sie zusammen mit anderen Expansionsphasen in der Geschichte des Universums betrachtet. Die meisten Kosmologen glauben zum Beispiel, dass sich das Weltall zu Beginn des Urknalls exponentiell ausdehnte, während einer Periode, die als Inflation bekannt ist und die von einer anderen Art dunkler Energie angetrieben wurde als die, die heute existiert. Es wird angenommen, dass solche von dunkler Energie dominierten Perioden „gelegentlich in der Geschichte des Universums auftreten“, so Kamionkowski.

Modifizierte Gravitation

Im Standardmodell der Kosmologie werden alle bekannten Formen von Materie und Strahlung sowie dunkle Materie und dunkle Energie in Albert Einsteins Gravitationstheorie eingespeist, und Einsteins Gleichungen geben an, wie sich der Raum dadurch ausdehnt. Das bedeutet, dass es neben dem Ändern oder Hinzufügen von kosmischen Zutaten zum Modell eine weitere Möglichkeit gibt, wie Physiker es mit der beobachteten kosmischen Expansionsrate in Einklang bringen können: „Sie können sich vorstellen, dass Einsteins Gleichungen nicht korrekt sind“, sagte Loeb.

William Barker, ein Doktorand an der Universität Cambridge, suchte letzten Sommer nach einer Theorie der „modifizierten Gravitation“, als er über einen Weg stolperte, die Hubble-Spannung aufzulösen. Barker fand ein Modell mit modifizierter Schwerkraft, das sich „so verhält, als ob es im frühen Universum zusätzliche Strahlung gäbe“, sagte er; der Strahlungsdruck hätte die kosmische Expansionsrate erhöht.

Aber in einem Preprint, der im März bei Physical Review D eingereicht wurde, räumen Barker und drei Koautoren ein, dass noch viel mehr Analyse nötig ist, um zu sehen, ob das Modell nicht nur beschreiben kann, wie sich das Universum ausdehnt, sondern auch, wie sich Strukturen wie Galaxien und Galaxienhaufen entwickelt haben.

Mit den heutigen Teleskopen, die eine Flut von beeindruckend präzisen Daten über solche Strukturen bieten, ist es keine leichte Aufgabe, eine Theorie zu entwickeln, die zu allen Beobachtungen passt. „Viele der Theorien der modifizierten Gravitation sind keine vollständigen Theorien, und wenn man versucht, eine detaillierte Berechnung mit anspruchsvollen Datensätzen durchzuführen … ist es schwer, das auf eine robuste Weise zu tun“, sagte Kamionkowski.

Abwarten

„Wir alle wissen, dass sie ad hoc sind“, sagte Randall über die bisherigen Vorschläge. „Das Erstaunliche ist, dass es selbst mit diesen Ad-hoc-Zusätzen immer noch sehr schwer ist, die Diskrepanz unterzubringen.“

Selbst mit der zusätzlichen Freiheit reduzieren die meisten der Nicht-Standard-Modelle die Hubble-Spannung nur, anstatt sie zu beseitigen. Sie sagen eine schnellere kosmische Expansionsrate als das Standardmodell voraus, aber sie ist immer noch nicht schnell genug, um mit den Beobachtungen von Supernovae und anderen astronomischen Objekten übereinzustimmen.

In den kommenden Jahren werden das Euclid-Teleskop und andere Teleskope akribisch kartieren, wie Gravitation und dunkle Energie die kosmische Entwicklung geformt haben. In der Zwischenzeit bieten Gravitationswellen, die von kollidierenden Neutronensternen ausgesendet werden, eine neue Möglichkeit, die Hubble-Konstante zu messen. Die neuen Daten werden einige dieser neuartigen Lösungen für die Hubble-Spannung ausschließen, aber neue Risse im Standardmodell könnten auftauchen. Im Moment sind viele Kosmologen abgeneigt, das Modell zu verkomplizieren, wenn es ansonsten so gut funktioniert. „Es gibt ein bisschen das Gefühl des Abwartens, es sei denn, jemand hat eine wirklich gute Idee“, sagte Randall.

Sie fügte hinzu, dass selbst wenn sich die Hubble-Spannung als nichts weiter als eine Ansammlung von Fehlern herausstellt, diese Suche nach neuer Physik nicht vergeblich sein könnte.

„Interessante Ergebnisse kommen gelegentlich von Dingen, die irgendwann verschwinden“, sagte Randall. „Es zwingt einen zum Nachdenken: Was wissen wir? Und wie sehr können wir die Dinge verändern?“

Guinguette Marais Poitevin

Blog