Vorläufige Beobachtungen der Spektroskopisches Instrument mit dunkler Energie (DESI) weisen darauf hin, dass die Beschleunigung der Expansion des Universums nicht konstant war – mit anderen Worten, die dunkle Energie hat sich im Laufe der Geschichte des Universums verändert.

Um die Jahrtausendwende stellten Astronomen fest, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt. Dies war ein Schock für die meisten Kosmologen, die angenommen hatten, dass die Anziehungskraft der Schwerkraft die Expansion des Universums nach dem Urknall verlangsamte.

1998 und 1999 entdeckten zwei unabhängige Teams die Beschleunigung, indem sie die Entfernungen zu alten Supernovae und die Geschwindigkeit maßen, mit der sie sich von der Erde entfernen. Dunkle Energie – ein Begriff, der 1998 geprägt wurde – wurde herangezogen, um die enorme Energiemenge bereitzustellen, die für diese konstante Beschleunigung erforderlich ist. Drei Leiter dieser Teams erhielten für diese Entdeckung 2011 gemeinsam den Nobelpreis für Physik, und im letzten Vierteljahrhundert haben verschiedene Beobachtungen die Einbeziehung der Dunklen Energie in das Standardmodell der Kosmologie unterstützt.

Dank DESI, das die Expansion des Universums untersuchen sollte, könnte nun ein weiterer Schock kommen.

Robotergesteuerte optische Fasern

DESI befindet sich am Nicholas U Mayall Telescope am Kitt Peak National Observatory in Arizona. Es besteht aus Tausenden von robotergesteuerten optischen Fasern, die Licht an eine Reihe von Spektrographen senden. Dies ermöglichte es DESI, eine umfassende Karte der Galaxien und Quasare im Universum zu erstellen. Die spektroskopischen Daten liefern ein Maß dafür, wie schnell sich eine Galaxie von uns entfernt, was durch die Rotverschiebung einer Galaxie bestimmt wird.

Der Schlüssel zur DESI-Studie zur Dunklen Energie liegt darin, dass Galaxien nicht gleichmäßig über das Universum verteilt sind, sondern sich vielmehr in blasenartigen Regionen konzentrieren, die von leererem Raum umgeben sind. Dies ist ein Ergebnis der Ausdehnung und Abkühlung des frühen Universums. Der Prozess begann mit einem heißen Plasma, durch das sich Schallwellen ausbreiteten und Bereiche mit hoher und niedriger Dichte erzeugten, die als akustische Baryonenoszillationen (BAO) bezeichnet wurden.

Schließlich „fror“ dieses Plasma und erzeugte das Gas, aus dem sich die frühesten Sterne und Galaxien bildeten. In den durch BAO geschaffenen dichten Regionen bildeten sich tendenziell Galaxienblasen, die sich zusammen mit dem Universum ausdehnten. Daher verrät die Größe einer Galaxienblase den Astronomen, wie alt sie war, als sie uns ihr Licht schickte. Das Team nutzte auch das Licht antiker Quasare, um die BAO zu beleuchten, was ihnen ermöglichte, weiter zurück in der Zeit zu forschen, als dies mit den Galaxienmessungen möglich war.

Verlockende Hinweise

Durch die Zusammenführung der spektroskopischen und BAO-Informationen konnte das DESI-Team die Expansionsrate des Universums zu sieben verschiedenen Zeitpunkten in den letzten 11 Milliarden Jahren bestimmen. Während ihre Beobachtungen im Großen und Ganzen mit einem konstanten Wert der Dunklen Energie übereinstimmen, haben DESI-Wissenschaftler verlockende Hinweise auf eine gewisse Abweichung gemeldet.

„Bisher sehen wir grundsätzliche Übereinstimmung mit unserem besten Modell des Universums, aber wir sehen auch einige potenziell interessante Unterschiede, die darauf hindeuten könnten, dass sich dunkle Energie mit der Zeit weiterentwickelt“, erklärt DESI-Direktor Michael Levi, der am Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA arbeitet. „Diese können mit mehr Daten verschwinden oder auch nicht, daher freuen wir uns, bald mit der Analyse unseres Dreijahresdatensatzes beginnen zu können.“

Insbesondere stellte das Team fest, dass seine Beobachtungen mit der zeitlichen Veränderung der Dunklen Energie übereinstimmen. Allerdings ist die statistische Signifikanz der Abweichung etwas besser als 3σ – was bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei der Beobachtung um einen statistischen Zufall handelt, bei etwa 0.2 % liegt. In der Kosmologie und einigen anderen Bereichen der Physik ist für eine Entdeckung eine Signifikanz von 5σ erforderlich.

Diese Beobachtungen wurden im ersten Betriebsjahr von DESI gemacht, das voraussichtlich mindestens fünf Jahre lang das Universum untersuchen wird.

„Es ist erstaunlich, dass wir bereits im ersten Jahr an Daten die Expansionsgeschichte unseres Universums in sieben verschiedenen Abschnitten der kosmischen Zeit messen können, jeweils mit einer Genauigkeit von 1 bis 3 %“, sagt Berkeley Nathalie Palanque-Delabrouille. „Das Team hat enorm viel Arbeit investiert, um die Feinheiten der instrumentellen und theoretischen Modellierung zu berücksichtigen, was uns Vertrauen in die Robustheit unserer ersten Ergebnisse gibt.“

DESI hat nicht nur neues Licht auf die Expansion des Universums geworfen, sondern auch neue Informationen über die Masse des Neutrinos geliefert.

Die BAO-Beobachtungen werden in einem Vorabdruck beschrieben arXiv. Verwandte Publikationen finden Sie hier hier.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/baryon-acoustic-oscillations-hint-that-dark-energy-may-have-changed-over-time/