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Allgemeine Relativitätstheorie

Alles ist relativ!

Erstmals simulieren Forscher die Entwicklung des Universums kompromisslos nach Einsteins Formeln. So wollen sie klären, ob die Dunkle Energie tatsächlich seine Expansion beschleunigt.
1. Entwicklung des Universums - Anfang und Ende

Beschleunigt sich die Ausdehnung des Universums, fliegt alles immer schneller auseinander, angetrieben von einer mysteriösen Kraft? Oder haben falsche Annahmen von einem homogenen All, das in jeder Richtung gleich aussieht, einen verkehrten Eindruck vermittelt? Mehrere Forscherteams aus den USA und Italien haben nun in gleich drei Veröffentlichungen die ersten vollständigen Simulationen vorgelegt, die ohne Einschränkungen der Gesetze der allgemeinen Relativitätstheorie auskommen. Bislang waren selbst Supercomputer nur in der Lage, mathematisch abgespeckte Näherungen zu modellieren, die für gewöhnlich auf der newtonschen Gravitationstheorie beruhen. Die Forscher betrachteten, wie sich das Universum ausgehend von einer nur leicht ungleichmäßigen Verteilung der Materie aus echten Messwerten immer weiter ausdehnt. Die Gravitation sorgte dabei dafür, dass sich immer größere Masseansammlungen bilden konnten. Für die Berechnungen verwendeten die Forscher Modelle, die entwickelt wurden, um etwa den Einfluss von sich paarweise umkreisenden Schwarzen Löchern auf die Raumzeit zu bestimmen. Diesen Einfluss hat man nun schon zweimal in Form von Gravitationswellen experimentell nachweisen können.

Die aktuellen kosmologischen Modelle haben ihren Ursprung in den 1920er Jahren. Der belgische Priester und Astrophysiker Georges Lemaître war einer der Begründer der Urknalltheorie, nach der sich das Universum ausgehend von seiner Entstehung aus einer Singularität immer weiter ausdehnt. Vermessungen der Rotverschiebung der Spektren von Galaxien durch Edwin Hubble bestätigen das. Späteren numerischen Simulationen der Entwicklung des Alls setzen aber die Computerkapazitäten Grenzen. Man verwendet daher die Annahme eines homogenen Universums, in dem die Materie auf großen Skalen überall gleich verteilt ist, und ignoriert damit real vorhandene lokale Massenansammlungen wie Sterne und Galaxien. Gleichzeitig betrachtet man vereinfachte Gravitationsmodelle statt der komplizierten relativistischen einsteinschen Gleichungen. Man vernachlässigt also physikalische Effekte; Messungen an Supernovae liefern gleichzeitig Hinweise auf eine beschleunigte Expansion des Universums. Der Antrieb dafür soll von einer Dunklen Energie kommen, über die man noch sehr wenig weiß. Das alles ruft bis heute Kritiker der kosmologischen "Mainstream"-Modelle auf den Plan.

Nun glauben die Autoren der aktuellen Studien nicht, dass ihre Arbeit zur Abschaffung der Idee der Dunklen Energie beitragen wird. Die relativistischen Effekte, die sie in ihren Simulationen finden, sind im Verhältnis zu den großräumigen Effekten zu gering, um dieser Theorie den Garaus zu machen. Jedoch fanden sie heraus, dass die Expansionsrate in Gebieten geringerer Materiedichte bis zu 28 Prozent höher und der Gravitationskollaps von Materieanhäufungen in dichteren Gebieten schneller sein kann. Somit könnten die neuen relativistischen Methoden in den nächsten Jahren durchaus ein besseres Verständnis beispielsweise der Galaxienentstehung bringen.

26/2016

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 26/2016

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