Anfang der 2000er Jahre schien es, als hätten Kosmologen das größte und komplexeste Rätsel überhaupt gelöst: Wie das Universum funktioniert.

„Es gab diesen erstaunlichen Moment, als plötzlich alle Teile der Kosmologie zusammenpassten“, sagte er J. Colin Hill, ein theoretischer Kosmologe an der Columbia University.

Alle Arten der Erforschung des Universums – die Kartierung von Galaxien und ihren größeren Strukturen, das Auffangen katastrophaler Sternexplosionen, sogenannte Supernovas, die Berechnung von Entfernungen zu veränderlichen Sternen, die Messung des restlichen kosmischen Leuchtens aus dem frühen Universum – erzählten Geschichten, die „sich zu überschneiden schienen“, sagte Hill.

Der Kitt, der die Geschichten zusammenhält, war einige Jahre zuvor, im Jahr 1998, entdeckt worden: dunkle Energie, eine mysteriöse Kraft, die den Kosmos nicht zusammenhält, sondern ihn irgendwie immer schneller ausdehnt, anstatt sich mit der Zeit zu verlangsamen. Als Wissenschaftler dieses kosmische Etwas in ihre Modelle des Universums einbezog, griffen Theorien und Beobachtungen aufeinander. Sie entwarfen das, was heute als Standardmodell der Kosmologie bekannt ist, genannt Lambda-CDM, in dem dunkle Energie fast 70 % des Universums ausmacht, während ein anderes mysteriöses dunkles Wesen – eine Art unsichtbare Masse, die nur mit normaler Materie zu interagieren scheint durch die Schwerkraft – macht etwa 25 % aus. Die restlichen 5 % sind alles, was wir sehen können: die Sterne, Planeten und Galaxien, die Astronomen seit Jahrtausenden erforscht haben.

Aber dieser Moment der Ruhe war nur eine kurze Atempause zwischen den Zeiten des Kampfes. Als Astronomen im Laufe der kosmischen Zeit präzisere Beobachtungen des Universums machten, begannen Risse im Standardmodell aufzutreten. Einige der ersten Anzeichen von Problemen ergaben sich aus Messungen von variable Sterne und Supernovae in einer Handvoll nahegelegener Galaxien – Beobachtungen, die im Vergleich mit dem restlichen kosmischen Leuchten darauf schließen ließen, dass in unserem Universum andere Regeln gelten als wir dachten, und dass sich ein entscheidender kosmologischer Parameter, der definiert, wie schnell das Universum auseinanderfliegt, ändert, wenn man sich bewegt Messen Sie es mit verschiedenen Maßstäben.

Kosmologen hatten ein Problem – etwas, das sie Spannung nannten, oder, in ihren dramatischeren Momenten, a Krise.

Diese widersprüchlichen Messungen sind in den etwa zehn Jahren seit dem Auftreten der ersten Risse nur noch deutlicher geworden. Und diese Diskrepanz ist nicht die einzige Herausforderung für das Standardmodell der Kosmologie. Beobachtungen von Galaxien legen nahe, dass die Art und Weise, wie kosmische Strukturen haben sich verklumpt Im Laufe der Zeit kann es von unserem besten Verständnis davon abweichen, wie das heutige Universum aus im frühen Kosmos eingebetteten Samen hätte entstehen sollen. Und noch subtilere Diskrepanzen ergeben sich aus detaillierten Studien des frühesten Lichts des Universums.

Es gibt noch weitere Ungereimtheiten. „Andernorts gibt es noch viel mehr kleinere Probleme“, sagte er Eleonora Di Valentino, ein theoretischer Kosmologe an der University of Sheffield. „Deshalb ist es rätselhaft. Denn es sind nicht nur diese großen Probleme.“

Um diese Spannungen abzubauen, verfolgen Kosmologen zwei komplementäre Ansätze. Erstens führen sie weiterhin genauere Beobachtungen des Kosmos durch, in der Hoffnung, dass bessere Daten Hinweise auf das weitere Vorgehen liefern. Darüber hinaus finden sie Möglichkeiten, das Standardmodell subtil zu optimieren, um den unerwarteten Ergebnissen Rechnung zu tragen. Aber diese Lösungen sind oft erfunden, und wenn sie ein Problem lösen, verschlimmern sie oft andere.

„Die Situation scheint im Moment ein großes Durcheinander zu sein“, sagte Hill. „Ich weiß nicht, was ich davon halten soll.“

Verzerrtes Licht

Um unser Universum zu charakterisieren, verwenden Wissenschaftler eine Handvoll Zahlen, die Kosmologen Parameter nennen. Die physischen Einheiten, auf die sich diese Werte beziehen, sind allesamt Zahnräder in einer riesigen kosmischen Maschine, wobei jedes Teil mit dem anderen verbunden ist.

Einer dieser Parameter hängt davon ab, wie stark die Masse verklumpt. Das wiederum verrät uns etwas darüber, wie dunkle Energie funktioniert, da ihr beschleunigter Druck nach außen im Widerspruch zur Anziehungskraft der kosmischen Masse steht. Um die Klumpenbildung zu quantifizieren, verwenden Wissenschaftler eine Variable namens S₈. Wenn der Wert Null ist, dann hat das Universum keine Variation und keine Struktur, erklärt Sunao Sugiyama, ein beobachtender Kosmologe an der University of Pennsylvania. Es ist wie eine flache, eintönige Prärie, in der nicht einmal ein Ameisenhaufen die Landschaft durchbricht. Aber falls S₈ näher an 1 liegt, gleicht das Universum einer riesigen, zerklüfteten Bergkette mit massiven Klumpen dichter Materie, die durch Täler des Nichts getrennt sind. Beobachtungen der Planck-Raumsonde im sehr frühen Universum – wo die ersten Keime der Struktur entstanden – ergeben einen Wert von 0.83.

Aber Beobachtungen der jüngeren kosmischen Geschichte stimmen nicht ganz überein.

Um die Klumpenbildung im heutigen Universum mit Messungen des jungen Kosmos zu vergleichen, untersuchen Forscher, wie Materie über weite Teile des Himmels verteilt ist.

Die Berücksichtigung sichtbarer Galaxien ist eine Sache. Aber die Kartierung des unsichtbaren Netzwerks, in dem diese Galaxien liegen, ist eine andere Sache. Dazu untersuchen Kosmologen winzige Verzerrungen im Licht der Galaxien, denn der Weg des Lichts auf seinem Weg durch den Kosmos wird verzerrt, da das Licht durch die Schwerkraft der unsichtbaren Materie abgelenkt wird.

Durch die Untersuchung dieser Verzerrungen (bekannt als schwacher Gravitationslinseneffekt) können Forscher die Verteilung der Dunklen Materie entlang der Wege des Lichts verfolgen. Sie können auch abschätzen, wo sich die Galaxien befinden. Mit beiden Informationen erstellen Astronomen 3D-Karten der sichtbaren und unsichtbaren Masse des Universums und können so messen, wie sich die Landschaft der kosmischen Struktur im Laufe der Zeit verändert und wächst.

In den letzten Jahren haben drei Durchmusterungen mit schwachen Linsen große Teile des Himmels kartiert: der Dark Energy Survey (DES), bei dem ein Teleskop in der chilenischen Atacama-Wüste zum Einsatz kommt; die Kilo-Degree Survey (KIDS), ebenfalls in Chile; und zuletzt eine fünfjährige Durchmusterung mit der Hyper Suprime-Cam (HSC) des Subaru-Teleskops in Hawaii.

Vor einigen Jahren wurden die DES- und KIDS-Umfragen durchgeführt S₈ Werte, die niedriger sind als die von Planck – was kleinere Gebirgsketten und niedrigere Gipfel impliziert, als die ursprüngliche kosmische Suppe geschaffen hat. Aber das waren nur verlockende Hinweise auf Mängel in unserem Verständnis davon, wie kosmische Strukturen wachsen und sich zusammenballen. Kosmologen benötigten mehr Daten und warteten gespannt auf die veröffentlichten Ergebnisse des Subaru HSC in einer Reihe von fünf Aufsätzen Im Dezember.

Das Subaru HSC-Team untersuchte Dutzende Millionen Galaxien, die etwa 416 Quadratgrad am Himmel abdeckten, was 2,000 Vollmonden entspricht. In ihrem Himmelsfleck berechnete das Team eine S₈ Wert von 0.78 – im Einklang mit den ersten Ergebnissen früherer Untersuchungen und kleiner als der gemessene Wert aus den Beobachtungen der Strahlung des frühen Universums mit dem Planck-Teleskop. Das Subaru-Team betont mit Bedacht, dass seine Messungen nur „einen Hinweis auf Spannungen“ geben, da sie noch nicht ganz das von Wissenschaftlern erwartete Maß an statistischer Signifikanz erreicht haben, obwohl sie daran arbeiten, ihre Daten um weitere Beobachtungen aus drei Jahren zu ergänzen.

„Wenn das so ist S₈ Spannung ist wirklich wahr, es gibt etwas, das wir noch nicht verstehen“, sagte Sugiyama, der eine der Subaru HSC-Analysen leitete.

Kosmologen brüten nun über den Details der Beobachtungen, um Quellen der Unsicherheit herauszufinden. Zunächst schätzte das Subaru-Team die Entfernungen zu den meisten seiner Galaxien anhand ihrer Gesamtfarbe, was zu Ungenauigkeiten führen könnte. „Wenn Sie die [durchschnittlichen] Entfernungsschätzungen falsch machen würden, würden Sie auch einige Ihrer kosmologischen Parameter, die Ihnen wichtig sind, falsch machen“, sagte ein Teammitglied Rachel Mandelbaum der Carnegie Mellon University.

Darüber hinaus sind diese Messungen nicht einfach durchzuführen und weisen eine subtile Komplexität bei der Interpretation auf. Und der Unterschied zwischen dem verzerrten Aussehen einer Galaxie und ihrer tatsächlichen Form – der Schlüssel zur Identifizierung unsichtbarer Masse – sei oft sehr gering, sagte er Diana Scognamiglio des Jet Propulsion Laboratory der NASA. Darüber hinaus kann Unschärfe in der Erdatmosphäre die Form einer Galaxie leicht verändern. Dies ist einer der Gründe, warum Scognamiglio eine Analyse schwacher Linsen mit dem James Webb-Weltraumteleskop der NASA durchführt.

Für noch mehr Verwirrung sorgen Wissenschaftler der DES- und KIDS-Teams haben kürzlich ihre Messungen erneut analysiert zusammen und abgeleitet an S₈ Wert näher an den Planck-Ergebnissen.

Im Moment ist das Bild also chaotisch. Und einige Kosmologen sind noch nicht davon überzeugt, dass die verschiedenen S₈ Messungen stehen unter Spannung. „Ich glaube nicht, dass es da einen offensichtlichen Hinweis auf einen größeren katastrophalen Misserfolg gibt“, sagte Hill. Aber er fügte hinzu: „Es ist nicht unplausibel, dass da etwas Interessantes vor sich gehen könnte.“

Wo Risse sichtbar sind

Vor einem Dutzend Jahren sahen Wissenschaftler erste Hinweise auf Probleme bei der Messung eines anderen kosmologischen Parameters. Es dauerte jedoch Jahre, bis genügend Daten gesammelt waren, um die meisten Kosmologen davon zu überzeugen, dass sie es mit einer umfassenden Krise zu tun hatten.

Kurz gesagt: Messungen der Geschwindigkeit, mit der sich das Universum heute ausdehnt – bekannt als Hubble-Konstante – stimmen nicht mit dem Wert überein, den man erhält, wenn man aus dem frühen Universum extrapoliert. Das Rätsel ist als Hubble-Spannung bekannt geworden.

Um die Hubble-Konstante zu berechnen, müssen Astronomen wissen, wie weit die Dinge entfernt sind. Im nahegelegenen Kosmos messen Wissenschaftler Entfernungen mithilfe von Sternen, sogenannten Cepheid-Variablen, deren Helligkeit sich periodisch ändert. Es besteht ein bekannter Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit, mit der einer dieser Sterne vom hellsten zum schwächsten Stern wechselt, und der Energiemenge, die er ausstrahlt. Diese im frühen 20. Jahrhundert entdeckte Beziehung ermöglicht es Astronomen, die intrinsische Helligkeit des Sterns zu berechnen und durch den Vergleich mit seiner Helligkeit seine Entfernung zu berechnen.

Mithilfe dieser veränderlichen Sterne können Wissenschaftler die Entfernungen zu Galaxien messen, die bis zu etwa 100 Millionen Lichtjahre von uns entfernt sind. Um aber etwas weiter entfernt und etwas weiter zurück in der Zeit zu sehen, verwenden sie eine hellere Meilensteinmarkierung – eine bestimmte Art von Sternexplosion, die als Typ-Ia-Supernova bezeichnet wird. Astronomen können auch die intrinsische Helligkeit dieser „Standardkerzen“ berechnen und so Entfernungen zu Galaxien messen, die Milliarden Lichtjahre entfernt sind.

In den letzten zwei Jahrzehnten haben diese Beobachtungen Astronomen dabei geholfen, einen Wert dafür zu bestimmen, wie schnell sich das nahe Universum ausdehnt: ungefähr 73 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec, was bedeutet, dass, wenn man weiter wegschaut, für jedes Megaparsec (oder 3.26 Millionen Lichtjahre). ) Entfernung fliegt der Weltraum 73 Kilometer pro Sekunde schneller davon.

Dieser Wert kollidiert jedoch mit dem Wert, der von einem anderen Herrscher abgeleitet wurde, der im Säuglingsuniversum verankert ist.

Ganz am Anfang war das Universum sengendes Plasma, eine Suppe aus elementaren Teilchen und Energie. „Es war ein heißes Durcheinander“, sagte er Vivian Poulin-Détolle, Kosmologe an der Universität Montpellier.

Einen Bruchteil einer Sekunde in der kosmischen Geschichte sandte ein Ereignis, vielleicht eine Periode extremer Beschleunigung, bekannt als Inflation, Stöße – Druckwellen – durch das trübe Plasma.

Dann, als sich das Universum abkühlte, löste sich schließlich das Licht, das im elementaren Plasmanebel eingeschlossen war. Dieses Licht – der kosmische Mikrowellenhintergrund oder CMB – enthüllt diese frühen Druckwellen, so wie die Oberfläche eines zugefrorenen Sees die überlappenden Kämme von in der Zeit eingefrorenen Wellen festhält, sagte Poulin-Détolle.

Kosmologen haben die häufigste Wellenlänge dieser gefrorenen Druckwellen gemessen und daraus einen Wert für die Hubble-Konstante berechnet 67.6 km/s/MPC, mit einer Unsicherheit von weniger als 1 %.

Die besonders widersprüchlichen Werte – etwa 67 gegenüber 73 – haben eine hitzige Debatte in der Kosmologie entfacht, die noch immer ungelöst ist.

Astronomen wenden sich unabhängigen kosmischen Meilensteinen zu. In den letzten sechs Jahren Wendy Freemann von der University of Chicago (der seit einem Vierteljahrhundert an der Hubble-Konstante arbeitet) hat sich auf eine Art alter, roter Sterne konzentriert, die typischerweise in den äußeren Teilen von Galaxien leben. Da draußen können weniger überlappende helle Sterne und weniger Staub zu klareren Messungen führen. Anhand dieser Sterne haben Freedman und ihre Kollegen eine Expansionsrate von etwa 70 km/s/Mpc gemessen – „was eigentlich ziemlich gut mit den Cepheiden übereinstimmt“, sagte sie. „Aber es stimmt auch ziemlich gut mit dem Mikrowellenhintergrund überein.“

Sie hat sich nun an das leistungsstarke Infrarot-Auge von JWST gewandt, um das Problem anzugehen. Mit ihren Kollegen misst sie die Entfernungen zu diesen riesigen roten Sternen in 11 nahegelegenen Galaxien und misst gleichzeitig die Entfernungen zu Cepheiden und einer Art pulsierendem Kohlenstoffstern in denselben Galaxien. Sie gehen davon aus, die Ergebnisse irgendwann im Frühjahr zu veröffentlichen, aber schon jetzt, sagte sie, „sehen die Daten wirklich spektakulär aus.“

„Ich bin sehr gespannt, was sie finden“, sagte Hill, der daran arbeitet, Modelle des Universums zu verstehen. Werden diese neuen Beobachtungen die Risse im Lieblingsmodell der Kosmologie vergrößern?

Ein neues Modell?

Da Beobachtungen diese entscheidenden kosmologischen Parameter weiterhin einschränken, versuchen Wissenschaftler, die Daten an ihre besten Modelle der Funktionsweise des Universums anzupassen. Vielleicht lösen genauere Messungen ihre Probleme, oder vielleicht sind die Spannungen nur ein Artefakt von etwas Alltäglichem, etwa Eigenheiten der verwendeten Instrumente.

Oder vielleicht sind die Modelle falsch und es werden neue Ideen – „neue Physik“ – benötigt.

„Entweder waren wir nicht schlau genug, ein Modell zu entwickeln, das tatsächlich zu allem passt“, sagte Hill, oder „es könnten tatsächlich mehrere Teile neuer Physik im Spiel sein.“

Was könnten sie sein? Vielleicht ein neues fundamentales Kraftfeld, sagte Hill, oder Wechselwirkungen zwischen Teilchen der Dunklen Materie, die wir noch nicht verstehen, oder neue Bestandteile, die noch nicht Teil unserer Beschreibung des Universums sind.

Einige neue physikalische Modelle optimieren die Dunkle Energie und sorgen für einen Anstieg der kosmischen Beschleunigung in den frühen Momenten des Universums, bevor Elektronen und Protonen aufeinanderprallen. „Wenn die Expansionsrate irgendwie erhöht werden könnte, nur ein wenig für eine kurze Zeit im frühen Universum“, sagte er Marc Kamionkowski, ein Kosmologe an der Johns Hopkins University, „kann die Hubble-Spannung lösen.“

Kamionkowski und einer seiner Doktoranden schlugen die Idee 2016 vor und zwei Jahre später folgten sie skizzierte einige Unterschriften das ein hochauflösendes kosmisches Mikrowellen-Hintergrundteleskop sehen sollte. Und das Atacama Cosmology Telescope, das auf einem Berg in Chile steht, hat einige dieser Signale gesehen. Aber seitdem haben andere Wissenschaftler gezeigt, dass das Modell macht Probleme mit anderen kosmischen Messungen.

Ein solches fein abgestimmtes Modell, bei dem eine zusätzliche Art dunkler Energie für einen Moment aufsteigt und dann abklingt, sei zu kompliziert, um zu erklären, was passiert, sagte er Dragan Huterer, ein theoretischer Kosmologe an der University of Michigan. Und andere vorgeschlagene Lösungen für die Hubble-Spannung stimmen tendenziell noch schlechter mit den Beobachtungen überein. Sie seien „hoffnungslos abgestimmt“, sagte er, wie „einfach so“-Geschichten, die zu spezifisch seien, als dass sie mit der lange gehegten Vorstellung übereinstimmen könnten, dass einfachere Theorien tendenziell die Oberhand über komplexe gewinnen.

Die im nächsten Jahr kommenden Daten könnten hilfreich sein. Zunächst werden die Ergebnisse von Freedmans Team vorgestellt, die verschiedene Sonden zur nahegelegenen Expansionsrate untersuchen. Im April werden die Forscher dann die ersten Daten der bisher größten kosmologischen Himmelsuntersuchung, dem Dark Energy Spectroscopic Instrument, veröffentlichen. Später im Jahr werden das Team des Atacama Cosmology Telescope – und Forscher, die mit dem Südpol-Teleskop eine weitere Urhintergrundkarte erstellen – wahrscheinlich ihre detaillierten Ergebnisse des Mikrowellenhintergrunds in höherer Auflösung veröffentlichen. Beobachtungen am weiter entfernten Horizont werden vom Euklid, einem im Juli gestarteten Weltraumteleskop der Europäischen Weltraumorganisation, und vom Vera C. Rubin-Observatorium stammen, einer in Chile gebauten All-Sky-Mapping-Maschine, die 2025 vollständig betriebsbereit sein wird.

Das Universum mag 13.8 Milliarden Jahre alt sein, aber unser Versuch, es – und unseren Platz darin – zu verstehen, steckt noch in den Kinderschuhen. Alles in der Kosmologie passte noch vor 15 Jahren zusammen, in einer kurzen Zeit der Ruhe, die sich als Fata Morgana herausstellte. Die Risse, die vor einem Jahrzehnt entstanden sind, sind weit aufgeplatzt und haben im Lieblingsmodell der Kosmologie größere Risse geschaffen.

„Jetzt“, sagte Di Valentino, „hat sich alles verändert.“

Anmerkung des Herausgebers: Mehrere in diesem Artikel erwähnte Wissenschaftler haben Fördermittel von der erhalten Simons Foundation, die auch dieses redaktionell unabhängige Magazin finanziert. Finanzierungsentscheidungen der Simons Foundation haben keinen Einfluss auf unsere Berichterstattung. Weitere Details sind finden Sie hier.