Das kosmologische Standardmodell liefert Antworten auf die grundlegendsten Fragen der Welt: Wie und wann ist unser Universum entstanden – und woraus besteht es? Seit den 1990er-Jahren dient es Fachleuten bei der Erforschung des Kosmos. Es erklärt sowohl die ältesten Signale des jungen Universums, die uns unter anderem in Form der kosmischen Hintergrundstrahlung erreichen, als auch die heutigen Beobachtungsdaten der fernen Sternensysteme und Galaxien, die unsere modernsten Teleskope liefern.

Und doch gibt es Ungereimtheiten, die das Standardmodell nicht auflösen kann – insbesondere, wenn man die Eigenschaften des jungen und des alten Universums vergleicht. Deshalb schlägt ein Forschungsteam um den Astrophysiker Sebastian Trojanowski von der Nicolaus Copernicus Astronomical Center Polish Academy of Science in Warschau nun vor, das kosmologische Standardmodell zu überarbeiten. Demnach könnte die Wechselwirkung von geisterhaften Neutrinos mit Dunkler Materie einige Diskrepanzen auflösen, wie die Forschenden im Fachjournal »Nature Astronomy« berichten. »Das kosmologische Standardmodell braucht definitiv ein Update«, ist Trojanowski überzeugt.

Das kosmologische Standardmodell baut auf Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie auf, die besagt, dass Materie und Energie die Raumzeit krümmen, und so die Wirkung der Gravitation erklärt. Darüber hinaus enthält das Modell auch seltsame Konzepte wie Dunkle Materie – hypothetische Teilchen, die unser Universum durchdringen und die Bewegungen von Sternen beeinflussen – sowie Dunkle Energie, die das All stetig auseinandertreibt. Das Standardmodell der Kosmologie ist seit Ende der 1990er-Jahren unter dem Akronym LCDM bekannt, wobei L für die Dunkle Energie steht und CDM für (kalte) Dunkle Materie.

Laut dem Standardmodell entstand unser Universum vor rund 13,8 Milliarden Jahren aus einem winzigen heißen Urzustand, durchlief dann eine kurze Phase extrem schneller Ausdehnung und expandiert seither stetig weiter – zunächst langsamer, später wieder beschleunigt. Das Modell passt zum kosmischen Mikrowellenhintergrund, einer urzeitlichen Strahlungsform, die rund 380 000 Jahre nach dem Urknall frei wurde und noch heute überall im Universum nachweisbar ist. Diese Hintergrundstrahlung liefert Anhaltspunkte darüber, wie der junge Kosmos zusammengesetzt war. Zudem erklärt das Standardmodell auch, wie das heutige Universum aussieht und woraus es besteht.

Probleme mit dem Standardmodell

Doch das Modell liefert nicht nur zufriedenstellende Antworten. Eines der bekanntesten Probleme ist die sogenannte Hubble-Spannung. Demnach gibt es Diskrepanzen bei der Bestimmung der Hubble-Konstanten, einer Art Ausdehnungsrate für unser Universum: Die Konstante, die sich aus der kosmischen Mikrowellenstrahlung bestimmen lässt, passt nicht zu den Werten, die man aus den Beobachtungsdaten gewinnt, die auf dem späteren, schon entwickelten Universum basieren. Deswegen plädieren Fachleute schon länger für ein Update der Kosmologie. Und wie sich herausstellt, ist die Hubble-Spannung nicht die einzige Ungereimtheit im kosmologischen Standardmodell.

Etwas weniger bekannt ist die S₈-Spannung. Der Parameter S₈ ist ein Maß für die Verklumpung von Materie. Sprich: Wie stark hat sich die Materie im All aufgrund der Schwerkraft verdichtet?

Um S₈ zu bestimmen, unterteilen Forschende das All in Bereiche von rund acht Megaparsec Länge (circa 26 Millionen Lichtjahren) und zählen die darin enthaltene Menge an Galaxien und anderen Strukturen. Da gewöhnliche Materie aber nur rund fünf Prozent unseres lokalen Universums ausmacht, müssen die Fachleute auch den jeweiligen Anteil an Dunkler Materie in den Regionen untersuchen. Dies gelingt mithilfe des Gravitationslinseneffekts.

Je größer der Wert für S₈ ausfällt, desto stärker ist Materie in unserem Universum konzentriert. Ist S₈ hingegen klein, deutet das auf eine gleichmäßige Verteilung von Materie hin. Neueste Auswertungen von Satellitendaten des heutigen Universums liefern einen Wert von rund 0,75 für S₈. Untersucht man aber die kosmische Hintergrundstrahlung gemäß dem Standardmodell, ergibt sich für S₈ ungefähr 0,83. Das passt nicht zusammen.

»Das heißt nicht, dass das kosmologische Standardmodell falsch ist, aber es könnte unvollständig sein«, sagt die Kosmologin Eleonora Di Valentino von der University of Sheffield, die an der neuesten Studie beteiligt war. Wegen der Hubble- und der S₈-Spannung fordern einige Fachleute, das kosmologische Standardmodell zu erweitern. Eine Möglichkeit besteht darin, das Verhalten der darin vorhergesagten Teilchen zu überdenken.

Zwei Geister beeinflussen sich gegenseitig

In der modernen Kosmologie geht man davon aus, dass alle Elementarteilchen aus dem teilchenphysikalischen Standardmodell im Universum existieren, plus Dunkle Materie – ohne genauer festzulegen, um welche Art von Substanz es sich dabei handelt. Die Theorie setzt aber voraus, dass die bekannten Elementarteilchen außer über die Gravitation nicht mit der Dunklen Materie wechselwirken: Die beiden Materiearten existieren nebeneinanderher, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Trojanowski und sein Forschungsteam schlagen vor, diese Annahme fallenzulassen.

Die Forschenden haben untersucht, welche Folgen eine Wechselwirkung zwischen den geisterhaften Neutrinos, die keine elektrische Ladung und nur eine sehr geringe Masse besitzen, und Dunkler Materie auf die kosmologischen Daten haben würde. Es ist, als würden zwei Geister miteinander wechselwirken, erklärt Trojanowski es seinen beiden Kindern. »Seit über zwei Jahrzehnten untersuchen Forscher die möglichen kosmologischen Auswirkungen von Wechselwirkungen zwischen Neutrinos und Dunkler Materie«, so der Forscher, »aber wir haben erst vor Kurzem begonnen, mögliche Hinweise darauf in kosmologischen Daten zu erkennen.«

Im frühen Universum nahmen Neutrinos eine wichtige Rolle ein. Damals gab es deutlich mehr von diesen geisterhaften Teilchen als andere gewöhnliche Materie. Falls sie also mit Dunkler Materie wechselwirken – und sei es nur schwach – , kann das enorme Auswirkungen haben. Im jungen Universum könnte die Interaktion von Neutrinos und Dunkler Materie zu Dichteschwankungen geführt haben, deren Spuren sich sowohl im kosmischen Mikrowellenhintergrund niederschlagen als auch in der heute messbaren großräumigen Struktur des Kosmos.

»Es ist eine spannende Zeit in der Kosmologie, ähnlich wie in den Anfängen der Quantenmechanik!«Sebastian Trojanowski, Astrophysiker

Die Fachleute um Trojanowski testeten diese Hypothese, indem sie ihr Modell mit den Daten des jungen Universums abglichen, die vom erdgebundenen Atacama Cosmology Telescope (ACT) und dem ESA-Weltraumteleskop Planck gesammelt wurden, sowie mit den Beobachtungen des heutigen Kosmos durch den Dark Energy Survey (DES) mit dem Victor M. Blanco Telescope in Chile. »Die größte Herausforderung bestand hierbei darin, Menschen aus zwei sehr unterschiedlichen Bereichen zusammenzubringen: der kosmologischen Datenanalyse und der theoretischen Astroteilchenphysik«, erklärt Trojanowski. »Jeder Bereich hat seine eigene Fachsprache, seinen eigenen Forschungsstil und sogar seine eigene kulturelle Herangehensweise an die Problemlösung.«

Wie die Forschenden herausfanden, passen die neu ermittelten S₈-Werte zusammen. »Unsere Studie zeigt, dass Wechselwirkungen zwischen Dunkler Materie und Neutrinos dazu beitragen könnten, die S₈-Spannung zu erklären, und neue Einblicke in die Entstehung von Strukturen im Universum liefern«, sagt Di Valentino. Auch aus statistischer Sicht passt das wechselwirkende Modell des Teams deutlich besser zu den Beobachtungsdaten – doch die Signifikanz ist noch nicht hoch genug, um dem »physikalischen Goldstandard« einer gesicherten Entdeckung zu entsprechen.

»Unser Ergebnis ist ein weiteres Teil in einem viel größeren Puzzle«, sagt Trojanowski. »Die Herausforderung besteht nun darin, zu verstehen, welche dieser Hinweise echt sind und welche statistische Zufälle. Es ist eine spannende Zeit in der Kosmologie, ähnlich wie in den Anfängen der Quantenmechanik!«