Über den größten Teil des Universums wissen wir fast nichts.
Die besten und genauesten Beobachtungen, die Kosmologen über Jahrzehnte gesammelt haben, zeigen, dass die gesamte Materie um uns herum, jedes einzelne Atom, das wir irgendwo im Kosmos sehen, nur 5 Prozent von allem ausmacht, was existiert. Weitere 27 Prozent sind Dunkle Materie, die Galaxien zusammenhält. Und alles andere – sagenhafte 68 Prozent des Universums – ist dunkle Energie, eine Kraft, die für die Expansion des Universums verantwortlich ist.
Ohne dunkle Energie würde sich die Expansionsrate mit der Zeit verlangsamen. Aber es ist ganz klar, dass das nicht der Fall ist, und die Expansionsrate nimmt tatsächlich zu. Es muss eine Kraft geben, die diese Expansion vorantreibt, und diese unbekannte Kraft nennen wir dunkle Energie.
Erstaunliche 68 Prozent des Universums bestehen aus dunkler Energie.
Es ist der größte Bestandteil des Universums und ein Rätsel. Aber für eine bestimmte Art von Wissenschaftler macht das das Studium zu einer unwiderstehlichen Herausforderung.
Auf einem Treffen der American Astronomical Society Anfang dieses Monats präsentierten Forscher Daten aus der größten und einheitlichsten jemals gesammelten Supernova-Probe, die in einem Jahrzehnt erstellt wurde. Die Daten waren Teil des Dark Energy Survey, einer internationalen Zusammenarbeit von mehr als 400 Astronomen, die zusammenarbeiten, um die Geheimnisse der Dunklen Energie zu entschlüsseln.
Die Analyse konzentrierte sich auf eine Vielzahl von Supernovae namens Typ 1a. Diese sind für Astronomen besonders nützlich, da sie eine sehr vorhersagbare Helligkeit haben, was sie als Meilenmarkierungen von unschätzbarem Wert macht, die zur genauen Entfernungsmessung verwendet werden können. Durch die Verwendung dieser Supernovae zur Berechnung der Entfernung zu weit entfernten Galaxien können Wissenschaftler messen, wie schnell sich das Universum ausdehnt, und hoffentlich mehr über die seltsame Materie der Dunklen Energie erfahren.
a:hover]:shadow-highlight-franklin dark:[&>a:hover]:shadow-highlight-franklin [&>a]:shadow-underline-black dark:[&>a]:shadow-underline-white”>Dezente Effekte im großen Maßstab
Dunkle Energie mag einen großen Teil des Universums ausmachen, aber ihre Auswirkungen sind subtil. Um seinen Einfluss zu erkennen, müssen Forscher riesige Datensätze untersuchen, die die Bewegungen von Galaxien in großem Maßstab zeigen. Es bedarf sehr präziser Werkzeuge, um die weitreichenden Auswirkungen der Dunklen Energie auf die Bewegungen von Galaxien erkennen zu können.
„Um diese superpräzisen Messungen durchzuführen, braucht man die besten verfügbaren Kameras und Teleskope, am Boden oder im Weltraum“, erklärte Maria Vincenzi von der Duke University, die die kosmologische Analyse der DES-Supernova-Probe mitleitete. „Der Bau dieser Art von Instrumenten ist eine so monumentale Anstrengung, dass sie nicht von einer einzelnen Gruppe oder mit den Ressourcen einer einzelnen Universität bewältigt werden kann.“
Dunkle Energie mag einen großen Teil des Universums ausmachen, aber ihre Auswirkungen sind subtil.
Die meisten früheren Forschungen zur dunklen Energie mithilfe von Supernovae wurden mit einer Technik namens Spektroskopie durchgeführt, bei der das Licht einer Supernova in Wellenlängen aufgespalten wird. Durch die Suche nach fehlenden Lichtwellenlängen können Wissenschaftler ableiten, welche Wellenlängen absorbiert wurden – was Aufschluss über die Zusammensetzung eines Objekts gibt.
Das ist äußerst nützlich, um detaillierte Informationen von einem Objekt zu erhalten, aber es ist auch ein sehr teurer und zeitaufwändiger Prozess, der den Einsatz eines Spezialteleskops wie des James Webb Space Telescope erfordert.
Die jüngste Forschung verfolgte einen anderen Ansatz. „Wir haben versucht, die Dinge ganz anders zu machen“, sagte Vincenzi. Sie verwendeten eine Technik namens Photometrie, bei der sie das Licht von Objekten beobachteten und verfolgten, wie sich die Helligkeit über einen Zeitraum von einigen Wochen veränderte, und so Daten erzeugten, die als Lichtkurve bezeichnet wurden.
Anschließend speisten sie diese Lichtkurven in einen maschinellen Lernalgorithmus ein, der darauf trainiert wurde, die gewünschten Supernovae zu identifizieren – die Supernovae vom Typ 1a.
Der Aspekt des maschinellen Lernens war von entscheidender Bedeutung, da die Unterschiede zwischen den Lichtkurven von Supernova-Typen subtil sein können. „Der Algorithmus für maschinelles Lernen kann Dinge sehen, die selbst ein sehr gut geschultes Auge möglicherweise nicht sehen kann“, sagte Vincenzi, und er ist viel schneller.
Dies ermöglichte es der Gruppe, eine große Stichprobe von etwa 1.500 dieser Supernovae im Fünfjahresdatensatz zu identifizieren, der von einem einzigen Instrument namens Dark Energy Camera am Víctor M. Blanco Telescope in Chile gesammelt wurde.
Mit diesem beeindruckenden Datensatz konnten die Forscher mehr über die Expansion des Universums verstehen als je zuvor, und die Ergebnisse stützen ein weit verbreitetes Modell des Universums, das wirklich bizarr ist.
Das Seltsame liegt an der Dichte der dunklen Energie. Um zu verstehen, warum das wichtig ist, ist es hilfreich, zunächst über etwas Vertrauteres nachzudenken: Materie.
„Wenn sich das Universum ausdehnt, nimmt das Volumen des Universums zu. Aber die Menge der Materie ist es nicht. Es ist eine Konstante der gesamten Materie. Wenn also das Volumen zunimmt und die Materie konstant ist, nimmt die Dichte ab“, erklärte Dillon Brout von der Boston University, der die kosmologische Analyse mitleitete.
„Wenn sich das Universum ausdehnt, nimmt das Volumen des Universums zu. Aber die Menge der Materie ist es nicht.“
So weit, ist es gut. Aber dunkle Energie ist nicht so – sie hat über die Zeit eine konstante Dichte. „Wenn sich das Universum ausdehnt, nimmt die Dichte nicht ab. Man erhält eine entsprechend größere Gesamtmenge an dunkler Energie“, sagte Brout.
Das bedeutet, dass dunkle Energie offenbar eine Eigenschaft des Weltraums selbst ist, weshalb sie manchmal auch als Energie des Vakuums bezeichnet wird. „Wenn man mehr Platz bekommt, bekommt man mehr dunkle Energie. „Wenn das Universum größer wird, erhält man genau die richtige Menge dunkler Energie, denn das ist eine Eigenschaft des Weltraums selbst“, sagte Brout.
Dunkle Energie ist anders als alles andere, was wir in der Natur kennen. Daher stehen einige Menschen der Theorie skeptisch gegenüber und glauben, dass es eine andere Erklärung für die Geschwindigkeit der Expansion des Universums geben muss, beispielsweise etwas darüber, dass die allgemeine Relativitätstheorie falsch oder unvollständig ist.
Kosmologen sind sich jedoch zunehmend einig, dass diese Theorie der zeitlich konstanten Dichte dunkler Energie, die sogenannte Lambda-kalte dunkle Materie, die beste Erklärung ist, die wir für die von uns gemachten Beobachtungen haben. Die neue Forschung beweist nicht endgültig, dass diese Theorie wahr ist, aber sie steht im Einklang mit ihr.
„Das war überwältigend für alle, die in den letzten zwanzig Jahren in diesem Bereich gearbeitet haben“, sagte Vincenzi. „Denn es handelt sich um eine Energieform, die sich nur sehr schwer mit den bisherigen Kenntnissen über Energie und die Kräfte, über die wir in der Physik nachdenken, in Einklang bringen lässt.“
Dunkle Energie kann man sich als die eine Seite einer kosmologischen Medaille vorstellen, während dunkle Materie die andere ist. Die beiden Kräfte wirken einander entgegen: die eine drückt die Dinge auseinander, die andere zieht sie zusammen.
„Materie und Dunkle Materie beeinflussen das Universum mit ihrer Schwerkraft. Dunkle Materie hat also die Tendenz, die Expansion des Universums zu verlangsamen, während dunkle Energie dazu neigt, sie zu beschleunigen“, sagte Brout. „Es ist also wirklich wie ein Tauziehen zwischen der dunklen Materie mit der Anziehungskraft der Schwerkraft und der Abstoßung der dunklen Energie.“
„Das war überwältigend für alle, die in den letzten zwanzig Jahren in diesem Bereich gearbeitet haben.“
Dieses Modell bedeutet, dass es mit der Zeit und der Ausdehnung des Universums immer mehr dunkle Energie gibt. Zu früheren Zeitpunkten in der Geschichte des Universums wurde seine Physik von Dunkler Materie dominiert, da ihre Größe kleiner und die Dichte der Materie höher war. Je größer das Universum wurde, desto mehr dominierte die dunkle Energie.
„Dunkle Energie dominiert in den Teilen des Universums, die größtenteils leer sind, über die riesigen Entfernungen zwischen Galaxien, die größtenteils mit leerem Raum gefüllt sind. „In den Regionen der Galaxie, die mit viel mehr Materie oder dunkler Materie gefüllt sind, wie in einer Galaxie oder im Sonnensystem, spüren oder sehen wir die Auswirkungen der dunklen Energie nicht“, erklärte Brout.
Das ist einer der Gründe, warum dunkle Energie so schwer zu untersuchen ist: Forscher müssen die großräumigen Bewegungen von Galaxien betrachten, um ihre Auswirkungen zu erkennen.
Wenn das alles kontraintuitiv und seltsam erscheint, dann schnallen Sie sich an, denn in dieser Geschichte gibt es noch mehr Seltsames zu entdecken.
Obwohl Wissenschaftler wissen, dass es im Universum sehr viel dunkle Energie gibt, sind ihre Auswirkungen relativ gering. Auch wenn es die Expansion des Universums vorantreibt, was keineswegs unbedeutend ist, gibt es in der Kosmologie ein seit langem bestehendes Problem, bei dem seine Auswirkungen schwächer sind, als die Theorie vorhersagt – viel schwächer.
Tatsächlich besagen die Vorhersagen der Quantenmechanik, der am weitesten verbreiteten Theorie darüber, wie Materie auf atomarer Ebene funktioniert, dass dunkle Energie um Größenordnungen stärker sein sollte, als sie ist.
„Wenn dunkle Energie die Energie des Vakuums ist, liegt der Wert, den wir finden, 120 Größenordnungen von der theoretischen Erwartung der Quantenmechanik entfernt. Und das ist einfach der Wahnsinn“, sagte Brout. „Es wird manchmal als die größte Diskrepanz zwischen Theorie und Beobachtungen in der gesamten Wissenschaft bezeichnet.“
Aber wenn dunkle Energie so stark wäre, wie die Quantenmechanik vorhersagt, dann hätte sie Materie im frühen Universum zerstreut und so die Bildung früher Galaxien verhindert. Die Entwicklung des Lebens, wie wir es kennen, hängt wohl von der relativen Schwäche der dunklen Energie ab.
Diese Diskrepanz im scheinbaren Wert der kosmologischen Konstante, die Teil der Allgemeinen Relativitätstheorie ist, ist eine wichtige Frage für die Kosmologie. Es wurde sogar als das „peinlichste Problem der Physik“ beschrieben.
Für Forscher der Dunklen Energie ist es jedoch gerade diese verwirrende Diskrepanz, die das Thema so spannend und kritisch für das Studium macht.
„Wir messen dunkle Materie und dunkle Energie, die 95 Prozent des Universums ausmachen“, sagte Brout. „Und Junge, wenn wir 95 Prozent des Universums nicht verstehen, müssen wir nachsehen und versuchen, es zu verstehen.“
