Direkt zum Inhalt

Rätselhafte Expansion : Gab es einst eine zweite dunkle Energie?

Für die Ausdehnung des Alls stehen zwei Werte im Raum. Vereinbaren lassen sie sich mit einer gewagten Hypothese, auf deren Spur nun die kosmische Hintergrundstrahlung führte.
Das South Pole Telescope - Seine Messungen könnten über das Schicksal der Theorie von der frühen dunklen Energie entscheiden.

Die dunkle Energie ist eine rätselhafte, bislang kaum verstandene Kraft, die nach vorherrschender Meinung dafür sorgt, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt. Noch ist nicht abschließend geklärt, ob sie wirklich existiert, da mehren sich die Hinweise darauf, dass es in den Jugendjahren des Kosmos sogar eine weitere Art dieser Energie gegeben haben könnte.

Dafür haben zwei Wissenschaftlerteams in voneinander unabhängigen Studien, die in der vergangenen Woche auf dem Preprint-Server arXiv veröffentlicht wurden, Anhaltspunkte vorgelegt (Studie 1, Studie 2). Fündig wurden sie in Daten, die zwischen 2013 und 2016 vom Atacama Cosmology Telescope (ACT) in Chile gesammelt wurden. Sollten die Ergebnisse Bestand haben, könnten sie vielleicht ein altes Rätsel des frühen Universums lösen – eine hartnäckige Diskrepanz zwischen der Expansionsrate des Universums, wie man sie heute misst, und jener, die man anhand des kosmischen Mikrowellenhintergrunds ermittelt. In einem Szenario, in dem es während der ersten 300 000 Jahre eine »frühe dunkle Energie« (early dark energy) gab, wäre das Universum sogar um einiges jünger als heutzutage angenommen.

Bislang aber sind die Ergebnisse bei Weitem nicht als gesichert zu betrachten. Von einer echten Entdeckung neuer Physik wollen Fachkollegen darum noch nicht reden. »Es gibt eine Reihe von Gründen, warum Vorsicht geboten ist«, sagt etwa Silvia Galli, Kosmologin am Pariser Institut für Astrophysik.

Die Autorenteams der beiden Vorabdrucke – das eine gehört zum ACT, das andere ist eine unabhängige Gruppe – räumen das selbst ein. Die Daten seien noch nicht aussagekräftig genug. Doch weitere Beobachtungen am ACT und am South Pole Telescope in der Antarktis könnten das ändern und schon in Kürze überzeugendere Belege liefern. »Wenn es damals wirklich eine frühe dunkle Energie gab, dann sollten wir bald ein deutliches Signal sehen«, sagt Colin Hill, ein Mitautor des ACT-Teams und Kosmologe an der Columbia University in New York City.

Konserviert der Mikrowellenhintergrund Spuren früher dunkler Energie?

Sowohl das in Chile befindliche ACT als auch das Teleskop in der Antarktis sind darauf ausgelegt, den kosmischen Mikrowellenhintergrund zu kartieren – das »Nachglühen« des Urknalls, wie er gelegentlich genannt wird. Er ist eine der Säulen beim Verständnis der Geschichte des Universums. Aus der Art, wie winzige Schwankungen in der Hintergrundstrahlung über den Himmel verteilt sind, lassen sich Rückschlüsse auf die Entwicklung des Alls ziehen. Die Hintergrundstrahlung lieferte auch starke Belege für das so genannte Standardmodell der Kosmologie und seine drei Hauptbestandteile des Universums: Neben der bereits erwähnten dunklen Energie sind dies die ebenso geheimnisvolle dunkle Materie, die dazu führte, dass sich Galaxien ausbildeten, und die gewöhnliche Materie, die weniger als fünf Prozent der Gesamtmasse und -energie des Universums ausmacht.

»Es ist das einzige Modell, das am Ende aufgeht«(Marc Kamionkowski)

Die derzeit besten Karten der Hintergrundstrahlung wurden vom Weltraumteleskop Planck der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) erstellt, das zwischen 2009 und 2013 aktiv war. Berechnungen auf dieser Grundlage sagen – unter der Annahme, dass das Standardmodell der Kosmologie korrekt ist – genau voraus, wie schnell sich das Universum heutzutage ausdehnen sollte. Die Expansion lässt sich jedoch auch durch weitere Techniken bestimmen, unter anderem dadurch, dass man Supernova-Explosionen beobachtet. In den letzten zehn Jahren wurde das mit immer höherer Genauigkeit getan. Doch dabei kam ein ganz anderes Ergebnis heraus: Demnach scheint sich das Universum um rund fünf bis zehn Prozent schneller auszudehnen, als man auf Basis der Hintergrundstrahlung annehmen sollte.

Theoretiker haben eine Fülle von Änderungen am Standardmodell vorgeschlagen, die diesen Unterschied erklären könnten. So etwa der Kosmologe Marc Kamionkowski von der Johns Hopkins University in Baltimore und seine Mitarbeiter. Vor zwei Jahren brachten sie eine weitere Zutat für das Standardmodell ins Spiel. Letztendlich handelte es sich um die Präzisierung einer Idee, an der sie gemeinsam mit anderen Gruppen über Jahre gearbeitet hatten. Ihre »frühe dunkle Energie« wäre eine Art Flüssigkeit, die zunächst das gesamte Universum durchdringt, dann jedoch, einige hunderttausend Jahre nach dem Urknall, wieder verschwindet. Das klinge wirklich nicht sonderlich überzeugend, sagt Kamionkowski, »aber es ist das einzige Modell, das am Ende aufgeht.«

Im jungen Universum kühlte das Plasma womöglich schneller ab

In ihrem Szenario ist die frühe dunkle Energie nicht stark genug gewesen, um eine beschleunigte Expansion zu bewirken, wie es die »normale« dunkle Energie derzeit tut. Aber sie soll dazu geführt haben, dass das aus dem Urknall hervorgegangene Plasma schneller abkühlte, als es sonst der Fall gewesen wäre. Dies wiederum wirkt sich darauf aus, wie Hintergrunddaten zu interpretieren sind – insbesondere mit Blick auf Alter und Expansionsrate des Universums. Beides errechnet sich aus den Distanzen, die Schallwellen im Plasma des jungen Universums zurücklegen konnten, bevor es sich zu Gas abkühlte. Im Mikrowellenhintergrund blieben bei diesem Übergang bestimmte Muster und Merkmale zurück, die man mit Planck und ähnlichen Observatorien ermitteln und für Altersberechnungen verwenden kann.

Die beiden jetzt veröffentlichten Studien zeigen, dass die Polarisation im Mikrowellenhintergrund, wie sie von ACT aufgezeichnet wurde, besser zu einem Modell mit früher dunkler Energie passt als zu einem ohne, sprich, zu dem althergebrachten Standardmodell. Folglich wäre das Universum heute auch nur 12,4 Milliarden Jahre alt und damit etwa elf Prozent jünger als die 13,8 Milliarden Jahre, die das Standardmodell nahelege, sagt der Koautor der ACT-Studie Hill. Und es würde dementsprechend rund fünf Prozent schneller expandieren. Das bringt die Expansionsrate näher an den Wert, den die Astrophysik mit Hilfe der alternativen Methoden ermittelt hat.

»Absolut nüchterne, bodenständige Leute«

Das Konzept der »frühen dunklen Energie« habe er vorher immer skeptisch gesehen, doch die Ergebnisse seines Teams hätten ihn selbst überrascht, sagt Hill. Vivian Poulin, Astrophysikerin an der Universität Montpellier in Frankreich und Mitautorin der zweiten Studie, die ebenfalls auf den ACT-Daten basiert, sagt, es sei beruhigend, dass die Analyse ihres Teams mit der des ACT-Teams übereinstimme. Beide Paper seien laut Kamionkowski von »absolut nüchternen, bodenständigen Leuten« verfasst worden, die sich mit den Daten und Messungen hervorragend auskennen würden.

Doch die Pariser Astrophysikerin Galli weist darauf hin, dass die ACT-Daten offenbar nicht mit den Berechnungen des Planck-Teams übereinstimmen, an denen sie beteiligt war. Außerdem scheint es zwar so, als würden die ACT-Daten zur Polarisation des Mikrowellenhintergrunds für frühe dunkle Energie sprechen, aber ob das auch für die Daten zur Temperaturverteilung gelte, dem anderen wichtigen Datensatz über die kosmische Hintergrundstrahlung, sei noch offen. Darum müssten die Ergebnisse unbedingt mit Hilfe der Daten des South Pole Telescope gegengerechnet werden, eine Einrichtung, an der sie selbst mitarbeitet.

Wendy Freedman hat als Astronomin der Universität von Chicago an den präzisesten Bestimmungen der kosmischen Expansion mitgewirkt. Wie beurteilt sie die Ergebnisse zur frühen dunklen Materie? Was die beiden Teams auf Basis der ACT-Daten herausgefunden hätten, sei interessant, aber noch nicht das letzte Wort, sagt sie. »Es ist wichtig, verschiedenen Ansätzen nachzugehen« und dann zu schauen, wie gut sie im Vergleich mit dem Standardmodell abschneiden.

Lesermeinung

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

Partnerinhalte