Physiker haben subtile Hinweise darauf abgeleitet, dass die mysteriöse „dunkle“ Energie, die das Universum dazu bringt, sich immer schneller auszudehnen, mit der Zeit möglicherweise etwas schwächer wird. Es ist eine Entdeckung, die das Potenzial hat, die Grundlagen der Physik zu erschüttern.

„Wenn das stimmt, wäre es der erste wirkliche Hinweis, den wir seit 25 Jahren über die Natur der Dunklen Energie bekommen haben“, sagte er Adam Rieß, ein Astrophysiker an der Johns Hopkins University, der 1998 den Nobelpreis für die Mitentdeckung der Dunklen Energie erhielt.

Die neuen Beobachtungen stammen vom Team des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), das heute eine Karte des Kosmos von beispiellosem Umfang sowie eine Fülle von aus der Karte abgeleiteten Messungen enthüllte. Für viele Forscher ist der Höhepunkt eine Darstellung, die zeigt, dass drei verschiedene Kombinationen von Beobachtungen alle darauf hindeuten, dass der Einfluss der Dunklen Energie im Laufe der Äonen nachgelassen haben könnte.

„Es ist möglich, dass wir Hinweise auf die Entwicklung dunkler Energie sehen“, sagte er Dillon Brout von der Boston University, Mitglied des DESI-Teams.

Forscher innerhalb und außerhalb der Zusammenarbeit betonen alle, dass die Beweise nicht stark genug sind, um eine Entdeckung zu behaupten. Die Beobachtungen deuten auf die Erosion der Dunklen Energie mit einer mittelmäßigen statistischen Signifikanz hin, die mit zusätzlichen Daten leicht verschwinden könnte. Aber Forscher stellen auch fest, dass drei unterschiedliche Beobachtungsreihen alle in die gleiche faszinierende Richtung weisen, eine, die im Widerspruch zum Standardbild der Dunklen Energie als der intrinsischen Energie des Vakuums des Weltraums steht – der Größe, die Albert Einstein die „kosmologische Konstante“ nannte. aufgrund seiner unveränderlichen Natur.

„Es ist aufregend“, sagte er Sesh Nadathur, ein Kosmologe an der University of Portsmouth, der an der DESI-Analyse gearbeitet hat. „Wenn dunkle Energie keine kosmologische Konstante ist, wäre das eine riesige Entdeckung.“

Aufstieg der kosmologischen Konstante

Im Jahr 1998 nutzte Riess‘ Gruppe zusammen mit einem anderen Team von Astronomen unter der Leitung von Saul Perlmutter das Licht Dutzender entfernter, sterbender Sterne, sogenannte Supernovas, um die Struktur des Kosmos zu beleuchten. Sie entdeckten, dass die Ausdehnung des Universums mit zunehmendem Alter schneller zunimmt.

Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie kann jede Materie oder Energie die kosmische Expansion vorantreiben. Aber wenn sich der Weltraum ausdehnt, werden alle bekannten Arten von Materie und Energie weniger dicht, da sie sich in einem größeren Universum ausbreiten. Wenn ihre Dichten sinken, sollte sich die Expansion des Universums verlangsamen und nicht beschleunigen.

Eine Substanz, die bei der Ausdehnung des Raumes jedoch nicht verdünnt wird, ist der Raum selbst. Wenn das Vakuum über eine eigene Energie verfügt, wird sich die Expansion beschleunigen, je mehr Vakuum (und damit mehr Energie) erzeugt wird, genau wie die Teams von Riess und Perlmutter beobachtet haben. Ihre Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums enthüllte das Vorhandensein einer winzigen Energiemenge, die mit dem Vakuum des Weltraums verbunden ist – dunkle Energie.

Praktischerweise hatte Einstein bei der Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie eine solche Möglichkeit in Betracht gezogen. Um zu verhindern, dass die Verdünnung der Materie das Universum kollabieren lässt, stellte er sich vor, dass der gesamte Raum mit einer festen Menge zusätzlicher Energie durchflutet werden könnte, dargestellt durch das Symbol Λ, genannt Lambda, und als kosmologische Konstante bezeichnet. Einsteins Intuition erwies sich als falsch, da das Universum nicht so ausgeglichen ist, wie er es sich vorgestellt hatte. Doch nach der Entdeckung im Jahr 1998, dass der Weltraum scheinbar alles nach außen drängt, kehrte seine kosmologische Konstante zurück und nahm ihren Platz im Herzen des aktuellen Standardmodells der Kosmologie ein, einer Reihe miteinander verflochtener Bestandteile, die als „Lambda-CDM-Modell“ bezeichnet werden.

"Es ist einfach. Es ist eine Zahl. Es gibt eine Geschichte, die Sie damit verbinden können. Deshalb geht man davon aus, dass es konstant ist“, sagte er Licia Verde, ein theoretischer Kosmologe und Mitglied der DESI-Kollaboration.

Jetzt könnte eine neue Generation von Kosmologen mit einer neuen Generation von Teleskopen die ersten Gerüchte über eine reichere Geschichte aufschnappen.

Den Himmel kartieren

Eines dieser Teleskope steht auf dem Kitt Peak in Arizona. Das DESI-Team hat den Vier-Meter-Spiegel des Teleskops mit 5,000 Roboterfasern ausgestattet, die automatisch auf ihre Himmelsziele schwenken. Die Automatisierung ermöglicht eine blitzschnelle Datenerfassung im Vergleich zur vorherigen Flaggschiff-Galaxiendurchmusterung, dem Sloan Digital Sky Survey (SDSS), bei dem ähnliche Fasern verwendet wurden, die von Hand in gemusterte Metallplatten gesteckt werden mussten. In einer Rekordnacht konnte DESI die Standorte von fast 200,000 Galaxien aufzeichnen.

Von Mai 2021 bis Juni 2022 saugten die Roboterfasern Photonen auf, die aus verschiedenen Epochen der kosmischen Geschichte auf der Erde ankamen. Seitdem haben die DESI-Forscher diese Daten in die detaillierteste kosmische Karte umgewandelt, die jemals erstellt wurde. Es zeigt die genauen Standorte von etwa 6 Millionen Galaxien, wie sie vor etwa 2 bis 12 Milliarden Jahren existierten (aus der 13.8 Milliarden Jahre alten Geschichte des Universums). „DESI ist ein wirklich großartiges Experiment, das erstaunliche Daten liefert“, sagte Riess.

Das Geheimnis der präzisen Kartierung von DESI ist seine Fähigkeit, Spektren von Galaxien zu sammeln – datenreiche Diagramme, die die Intensität jedes Lichtfarbtons aufzeichnen. Ein Spektrum zeigt, wie schnell sich eine Galaxie von uns entfernt und somit in welchem ​​Zeitalter der kosmischen Geschichte wir sie sehen (je schneller sich eine Galaxie zurückzieht, desto älter ist sie). Damit können Sie die Galaxien relativ zueinander positionieren, aber um die Karte mit den richtigen Abständen relativ zur Erde zu kalibrieren – wesentliche Informationen für eine vollständige Rekonstruktion der kosmischen Geschichte –, benötigen Sie etwas anderes.

Für die DESI-Kollaboration war dieses Etwas ein Flickenteppich aus gefrorenen Dichtewellen, die vom frühen Universum zurückgeblieben waren. In den ersten paar hunderttausend Jahren nach dem Urknall war der Kosmos eine heiße, dicke Suppe, die hauptsächlich aus Materie und Licht bestand. Die Schwerkraft zog die Materie nach innen, während das Licht sie nach außen drückte, und der Kampf löste Dichtewellen aus, die sich von einigen wenigen anfänglichen dichten Stellen in der Suppe nach außen ausbreiteten. Nachdem das Universum abgekühlt war und sich Atome gebildet hatten, wurde es transparent. Das Licht strömte nach außen und ließ die Wellen – sogenannte baryonische akustische Oszillationen (BAOs) – an Ort und Stelle eingefroren.

Das Endergebnis war eine Reihe überlappender Kugeln mit etwas dichteren Schalen mit einem Durchmesser von etwa einer Milliarde Lichtjahren – die Distanz, die BAOs zurücklegen konnten, bevor sie gefrierten. Diese dichten Hüllen bildeten im Laufe der Zeit etwas mehr Galaxien als an anderen Standorten, und wenn DESI-Forscher Millionen von Galaxien kartieren, können sie Spuren dieser Kugeln entdecken. Nähere Kugeln erscheinen größer als entfernte, aber da DESI-Forscher wissen, dass alle Kugeln gleich groß sind, können sie erkennen, wie weit die Galaxien tatsächlich von der Erde entfernt sind, und die Größe der Karte entsprechend anpassen.

Um eine unbewusste Beeinflussung ihrer Ergebnisse zu vermeiden, führten die Forscher eine „blinde“ Analyse durch und arbeiteten mit Messungen, die zufällig gemischt wurden, um etwaige physikalische Muster zu verschleiern. Dann traf sich die Zusammenarbeit letzten Dezember in Hawaii, um die Ergebnisse zu entschlüsseln und zu sehen, welche Art von Karte die Kitt Peak-Roboterfasern beobachtet hatten.

Nadathur, der von seinem Haus im Vereinigten Königreich aus live über Zoom zusah, war begeistert, als die Karte enthüllt wurde, weil sie etwas seltsam wirkte. „Wenn man genug Erfahrung mit BAO-Daten hätte, könnte man erkennen, dass etwas benötigt wird, das sich ein wenig vom Standardmodell unterscheidet“, sagte Nadathur. „Ich wusste, dass Lambda CDM nicht ganz das ganze Bild war.“

Als die Forscher in der darauffolgenden Woche den neuen Datensatz durchforsteten, ihn analysierten und mit anderen großen kosmologischen Datensätzen vermischten, entdeckten sie die Ursache der Kuriosität und tauschten eine Flut von Slack-Nachrichten aus.

„Einer meiner Kollegen hat eine Handlung veröffentlicht, die diese Beschränkung der dunklen Energie zeigt, und keine Worte dazu geschrieben. Nur die Handlung und ein explodierendes Kopf-Emoji“, sagte Nadathur.

Daten für Tage

Ziel von DESI ist es, herauszufinden, wie sich das Universum im Laufe der Zeit ausgedehnt hat, indem es verschiedene Arten von Galaxien beobachtet, wie sie in sieben Epochen der kosmologischen Geschichte auftauchten. Anschließend sehen sie, wie gut diese sieben Schnappschüsse mit der von Lambda CDM vorhergesagten Entwicklung übereinstimmen. Sie berücksichtigen auch, wie gut andere Theorien abschneiden – beispielsweise Theorien, die es ermöglichen, dass die dunkle Energie zwischen Schnappschüssen variiert.

Allein mit dem ersten Jahr der DESI-Daten passt Lambda CDM fast so gut zu den Schnappschüssen wie ein Modell der variablen Dunklen Materie. Erst als die Zusammenarbeit die DESI-Karte mit anderen Schnappschüssen kombiniert – Licht, das als kosmischer Mikrowellenhintergrund bekannt ist, und einer Reihe von drei aktuellen Supernova-Karten – beginnen die beiden Theorien auseinanderzudriften.

Sie fanden heraus, dass die Ergebnisse um 2.5, 3.5 oder 3.9 „Sigmas“ von der Vorhersage von Lambda CDM abwichen, je nachdem, welchen der drei Supernova-Kataloge sie berücksichtigten. Stellen Sie sich vor, Sie werfen 100 Mal eine Münze. Die Vorhersage für eine faire Münze liegt bei 50 Kopf und 50 Zahl. Wenn Sie 60 Köpfe bekommen, ist das zwei Sigma vom Mittelwert entfernt; Die Wahrscheinlichkeit, dass es zufällig passiert (im Gegensatz dazu, dass die Münze manipuliert wird), liegt bei 1 zu 20. Wenn Sie 75 Köpfe bekommen – was eine Chance von 1 zu 2 Millionen hat, dass es zufällig passiert – ist das ein Fünf-Sigma-Ergebnis Goldstandard für die Behauptung einer Entdeckung in der Physik. die von DESI erhaltenen Sigma-Werte liegen irgendwo dazwischen; Dabei könnte es sich um seltene statistische Schwankungen oder um echte Beweise dafür handeln, dass sich die dunkle Energie verändert.

Während Forscher diese Zahlen verlockend finden, warnen sie auch davor, zu sehr auf die höheren Werte zu deuten. Das Universum ist viel komplizierter als eine Münze, und die statistischen Signifikanzen hängen von subtilen Annahmen bei der Datenanalyse ab.

Ein stärkerer Grund für die Begeisterung ist die Tatsache, dass alle drei Supernova-Kataloge – die einigermaßen unabhängige Supernova-Populationen umfassen – darauf hindeuten, dass die dunkle Energie auf die gleiche Weise variiert: Ihre Kraft lässt nach oder, wie Kosmologen sagen, „taut auf“. „Wenn wir alle diese komplementären Datensätze austauschen, tendieren sie alle dazu, sich dieser leicht negativen Zahl anzunähern“, sagte Brout. Wenn die Diskrepanz zufällig wäre, würden die Datensätze eher in unterschiedliche Richtungen weisen.

Joshua Frieman, ein Kosmologe an der University of Chicago und Mitglied der DESI-Kollaboration, der nicht an der Datenanalyse gearbeitet hat, sagte, er würde sich freuen, wenn Lambda CDM fallen würde. Als Theoretiker schlug er in den 1990er Jahren Theorien zum Auftauen dunkler Energie vor und war kürzlich Mitbegründer des Dark Energy Survey – eines Projekts, das von 2013 bis 2019 nach Abweichungen vom Standardmodell suchte und einen der drei Supernova-Kataloge DESI erstellte gebraucht. Aber er erinnert sich auch daran, dass er in der Vergangenheit durch das Verschwinden kosmologischer Anomalien verbrannt wurde. „Meine Reaktion darauf ist, fasziniert zu sein“, aber „solange die Fehler nicht kleiner werden, werde ich meine [Nobel-]Dankesrede nicht schreiben“, scherzte Frieman.

„Statistisch gesehen könnte es verschwinden“, sagte Brout über die Diskrepanz mit dem Lambda-CDM-Modell. „Wir setzen jetzt alles daran, herauszufinden, ob das klappt.“

Nach Abschluss ihres dritten Beobachtungsjahres Anfang dieser Woche gehen die DESI-Forscher davon aus, dass ihre nächste Karte fast doppelt so viele Galaxien enthalten wird wie die heute veröffentlichte Karte. Und da sie nun mehr Erfahrung mit der BAO-Analyse haben, planen sie, die aktualisierte Dreijahreskarte schnell herauszubringen. Als nächstes folgt eine Fünfjahreskarte mit 40 Millionen Galaxien.

Über DESI hinaus werden in den kommenden Jahren eine Reihe neuer Instrumente online gehen, darunter das 8.4-Meter-Observatorium Vera Rubin in Chile, das römische Weltraumteleskop Nancy Grace der NASA und die Euclid-Mission der Europäischen Weltraumorganisation.

„Unsere Daten in der Kosmologie haben in den letzten 25 Jahren enorme Sprünge gemacht, und sie werden noch größere Sprünge machen“, sagte Frieman.

Während sie neue Beobachtungen sammeln, könnten Forscher weiterhin feststellen, dass die Dunkle Energie so konstant zu sein scheint wie seit einer Generation. Oder wenn sich der Trend in der Richtung fortsetzt, die die DESI-Ergebnisse nahelegen, könnte sich alles ändern.

Neue Physik

Wenn die dunkle Energie schwächer wird, kann sie keine kosmologische Konstante sein. Stattdessen könnte es sich um dasselbe Feld handeln, von dem viele Kosmologen glauben, dass es während der Geburt des Universums einen Moment exponentieller Expansion ausgelöst hat. Diese Art von „Skalarfeld“ könnte den Raum mit einer Energiemenge füllen, die zunächst konstant aussieht – wie die kosmologische Konstante –, aber mit der Zeit anfängt zu schwanken.

„Die Vorstellung, dass dunkle Energie variiert, ist sehr natürlich“, sagte er Paul Steinhardt, ein Kosmologe an der Princeton University. Andernfalls, fuhr er fort, „wäre es die einzige uns bekannte Energieform, die in Raum und Zeit absolut konstant ist.“

Aber diese Variabilität würde einen tiefgreifenden Paradigmenwechsel mit sich bringen: Wir würden nicht in einem Vakuum leben, das als das definiert wird niedrigster Energiezustand des Universums. Stattdessen würden wir uns in einem energiegeladenen Zustand befinden, der langsam in Richtung eines echten Vakuums gleitet. „Wir sind es gewohnt zu denken, dass wir im Vakuum leben“, sagte Steinhardt, „aber das hat Ihnen niemand versprochen.“

Das Schicksal des Kosmos würde davon abhängen, wie schnell und wie weit die bisher als kosmologische Konstante bekannte Zahl abnimmt. Wenn sie Null erreicht, würde die kosmische Beschleunigung aufhören. Wenn er weit genug unter Null sinkt, würde die Ausdehnung des Weltraums in eine langsame Kontraktion übergehen – die Art von Umkehr, die dafür erforderlich ist zyklische Theorien der Kosmologie, wie sie beispielsweise von Steinhardt entwickelt wurden.

Stringtheoretiker vertreten eine ähnliche Ansicht. Mit ihrem Vorschlag, dass alles auf die Schwingung von Saiten hinausläuft, können sie Universen mit unterschiedlich vielen Dimensionen und allen möglichen exotischen Teilchen und Kräften verweben. Aber sie lässt sich nicht einfach konstruieren ein Universum, das dauerhaft eine stabile positive Energie aufrechterhält, wie es unser Universum zu sein schien. Stattdessen muss die Energie in der Stringtheorie im Laufe von Milliarden von Jahren entweder sanft abfallen oder heftig auf Null oder einen negativen Wert abfallen. „Im Grunde glauben alle Stringtheoretiker, dass es das eine oder das andere ist. Wir wissen nicht, welches“, sagte Cumrun Vafa von der Harvard Universität.

Beobachtungsnachweise für einen allmählichen Rückgang der Dunklen Energie wären ein Segen für das Szenario eines sanften Falls. "Das wäre fantastisch. Es wäre die wichtigste Entdeckung seit der Entdeckung der Dunklen Energie selbst“, sagte Vafa.

Doch im Moment wurzeln solche Spekulationen nur in sehr groben Zügen in der DESI-Analyse. Kosmologen müssen noch viele Millionen weitere Galaxien beobachten, bevor sie ernsthaft an eine Revolution denken.

„Wenn dies Bestand hat, könnte es den Weg zu einem neuen, möglicherweise tieferen Verständnis des Universums ebnen“, sagte Riess. „Die nächsten Jahre dürften sehr aufschlussreich sein.“