Die neuen Beobachtungen stützen das Standardmodell der Kosmologie, zeigen jedoch eine Diskrepanz zwischen den Vorhersagen der Theorie und der Art und Weise, wie Materie gruppiert ist
Anhand der Untersuchung von Galaxienhaufen kann die DES-Kollaboration Aufschluss über die Dunkle Energie geben, die die Expansion des Universums beschleunigt
Die DES-Kollaboration (Dark Energy Survey) ist eines der ehrgeizigsten Projekte, mit denen die Wissenschaft hofft, das Rätsel der dunklen Energie zu lösen, jener Kraft, die die beschleunigte Expansion unseres Universums steuert und deren Natur und Verhalten bislang unbekannt sind. Zu diesem Zweck beobachtet diese Initiative, wie sich Galaxien im Kosmos gruppieren und welche Verzerrungen das Licht dieser Objekte auf seinem Weg zur Erde erfährt.
DES hat gerade die Ergebnisse seiner ersten sechs Beobachtungsjahre veröffentlicht, in denen das Firmament mit einer hochempfindlichen Kamera mit 570 Millionen Pixeln untersucht wurde, die am Blanco-Teleskop des Cerro Tololo Observatoriums (in den chilenischen Anden) installiert ist. Es handelt sich um einen umfangreichen Katalog mit 669 Millionen Objekten, der nach 758 Beobachtungsnächten erstellt wurde.
Die wichtigste Schlussfolgerung ist, dass die Analysen gut mit den Vorhersagen des Standardmodells der Kosmologie übereinstimmen, das über Jahrzehnte hinweg entwickelt wurde: Dunkle Energie macht etwa 70 % des Inhalts des Universums aus und ihre Intensität ändert sich im Laufe der Zeit nicht.
Trotz dieser Übereinstimmung hebt DES jedoch eine signifikante Diskrepanz hervor: Die Art und Weise, wie sich die Materie im Universum gruppiert, stimmt nicht genau mit den Vorhersagen des Standardmodells überein. Sollte sich diese Diskrepanz bestätigen, könnte dies darauf hindeuten, dass die bestehenden theoretischen Modelle überarbeitet werden müssen.
DES ist ein Projekt mit umfangreicher internationaler Beteiligung, darunter so bedeutende spanische Einrichtungen wie das Zentrum für Energie-, Umwelt- und Technologieforschung (CIEMAT), das Institut für Weltraumwissenschaften (ICE-CSIC), das Institut für Hochenergiephysik (IFAE) und das Institut für Theoretische Physik (UAM-CSIC).
In Expansion
1929 entdeckte der amerikanische Astronom Edwin Hubble die Expansion des Universums, als er beobachtete, dass sich fast alle Galaxien von uns entfernen. Und am Ende des letzten Jahrhunderts bestätigten Astronomen, dass sich der Kosmos nicht nur ausdehnt, sondern dies auch in beschleunigter Form und mit immer größerer Geschwindigkeit tut. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Kraft, die für dieses Wachstum verantwortlich ist, als dunkle Energie bezeichnet.
Im Laufe der Jahre und trotz der großen Fortschritte auf dem Gebiet der Kosmologie bleibt die dunkle Energie ein Rätsel, da die Wissenschaft ihre Natur nicht erklären kann. Und obwohl das sogenannte Standardmodell, die am häufigsten akzeptierte Beschreibung des Universums, davon ausgeht, dass sich die dunkle Energie wie eine Konstante verhält, wurden im letzten Jahrzehnt einige Diskrepanzen zwischen den Vorhersagen und den Beobachtungen festgestellt, die darauf hindeuten könnten, dass die Intensität dieser Kraft im Laufe der Zeit variiert, was sich auf das endgültige Schicksal des Universums auswirken würde.
Millionen von Galaxien
Die DES-Kollaboration nahm 2013 ihre Arbeit auf mit dem Ziel, eine enorme Anzahl von Galaxien zu beobachten, um vor allem zwei Effekte zu untersuchen. Erstens, wie sich diese Himmelsobjekte gruppieren, da die großen Strukturen des Kosmos durch die Expansion (d. h. durch die dunkle Energie) beeinflusst worden sein müssen.
Das zweite Phänomen ist das, was in der Astronomie als schwache Gravitationslinse bezeichnet wird: Das Licht entfernter Galaxien wird auf seinem Weg zur Erde durch die Schwerkraft von Materiekonzentrationen, die im Vordergrund existieren können, verzerrt. Auf diese Weise lässt sich ableiten, wie sich der Inhalt des Universums verteilt.
Wie William d’Assignies Doumerg, einer der Forscher des IFAE und Teilnehmer der DES-Kooperation, betont, können Astronomen anhand der aufgenommenen Bilder „die Formen der Galaxien und die durch die Schwerkraft verursachten Verzerrungen sowie ihre Positionen und die Art und Weise, wie sie sich am Himmel gruppieren, messen”.
Diese Informationen, so der Wissenschaftler, müssen durch die Berechnung der Entfernung jeder Galaxie ergänzt werden, ein Wert, der aus der Beobachtung durch verschiedene Filter abgeleitet werden kann. Zu diesem Punkt betont Giulia Giannini, Co-Leiterin einer der DES-Arbeitsgruppen und Forscherin am ICE-CSIC, dass „die Kalibrierung der Entfernungen auf ein beispielloses Maß an Genauigkeit gebracht wurde“.
In den ersten sechs Betriebsjahren (2013 bis 2019) hat DES 669 Millionen Objekte beobachtet, von denen viele Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Und innerhalb dieses umfangreichen Katalogs wurden etwa 150 Millionen Galaxien identifiziert, die für die Analyse des Effekts der schwachen Gravitationslinse in Frage kommen. All dies wurde durch die Empfindlichkeit der 570-Millionen-Pixel-Kamera ermöglicht, die am Blanco-Teleskop auf dem Cerro Tololo installiert ist.
Stimmt, aber…
Die Daten aus diesen sechs Betriebsjahren wurden sorgfältig analysiert und mit den Vorhersagen verschiedener kosmologischer Modelle verglichen. Das Ergebnis: Die Beobachtungen des DES stimmen mit dem Standardmodell überein, das ein Universum beschreibt, das zu etwa 5 % aus gewöhnlicher Materie (aus der alles besteht, was wir im Kosmos sehen), zu 25 % aus dunkler Materie (einer unbekannten Substanz, die nicht aus Atomen besteht) und zu 70 % aus dunkler Energie besteht, die für die beschleunigte Expansion verantwortlich ist und sich wie eine Konstante verhält.
Als die Wissenschaftler von DES jedoch die Verteilung und Gruppierung von Galaxien im Weltraum genau untersuchten, fanden sie erhebliche Diskrepanzen zu den Vorhersagen, die sich aus den genauesten Daten zur kosmischen Mikrowellenstrahlung ableiten lassen, dem Licht, das kurz nach dem Urknall ausgestrahlt wurde und eine der Säulen ist, auf denen das Standardmodell der Kosmologie basiert.
Wenn man konkret vergleicht, wie das Uruniversum nach dem Urknall aussah, mit dem, was heute beobachtet wird, scheint es, als sei die Materie etwas verstreuter und weniger gruppiert, als es die Theorie vorsieht.
Stehen wir vor einer neuen Kosmologie?
Die Existenz dieser Unstimmigkeiten widerlegt nicht das allgemein akzeptierte Weltbild, deutet jedoch auf eine der folgenden Möglichkeiten hin: Es könnte sich um statistische Ungenauigkeiten in den Daten oder um instrumentelle Fehler handeln (in diesem Fall sollten die Diskrepanzen mit mehr und besseren Beobachtungen verschwinden); oder es könnte sein, dass das Verhalten der dunklen Energie nicht den Erwartungen entspricht und sogar unser Verständnis der Schwerkraft nicht ganz korrekt ist.
Sollten andere Beobachtungsprogramme dieses letzte Szenario bestätigen, könnten sich neue und spannende Horizonte für die Kosmologie eröffnen, von denen einige revolutionär sind und schließlich zur Lösung der Rätsel führen könnten, die die dunkle Komponente umgeben, die den Raum ausdehnt.
Große Chance
Was die Entwicklung der spanischen Forschung in der Astronomie betrifft, so ist DES „eine Erfolgsgeschichte“, wie Santiago Ávila, leitender Wissenschaftler am CIEMAT, erklärt. Er fügt hinzu, dass es eine ganze Generation von Wissenschaftlern gibt, die mit diesem Projekt groß geworden ist und „bereit ist, die nächste Generation kosmologischer Experimente anzuführen“.
