Technische Versuche zur Entspannung der (kosmologischen) Spannung

Dank des schwindelerregenden Wachstums kosmischer Beobachtungen und Messinstrumente und einiger neuer Fortschritte (hauptsächlich der „Entdeckung“ dessen, was wir dunkle Materie und dunkle Energie nennen) und das alles vor dem Hintergrund der Allgemeinen Relativitätstheorie, waren die frühen 2000er Jahre eine Zeit, in der nichts dazu in der Lage zu sein schien Wir stellen die Weiterentwicklung unseres Wissens über den Kosmos, seine Ursprünge und seine zukünftige Entwicklung in Frage.

Obwohl uns bewusst war, dass es noch viel zu entdecken gab, deutete die offensichtliche Übereinstimmung zwischen unseren Beobachtungen, Berechnungen und unserem theoretischen Rahmen darauf hin, dass unser Wissen über das Universum deutlich und ohne Unterbrechung wachsen würde.

Dank immer ausgefeilterer Beobachtungen und Berechnungen erwies sich jedoch das Auftauchen eines scheinbar kleinen „Fehlers“ in unserem Verständnis des Universums als fähig, scheinbar perfekt geölte Zahnräder lahmzulegen. Zunächst glaubte man, das Problem könne durch noch genauere Berechnungen und Messungen gelöst werden, doch das war nicht der Fall.

Die „kosmologische Spannung“ (oder Hubble-Spannung) ist eine Diskrepanz zwischen den beiden Methoden, mit denen wir den sogenannten Hubble-Parameter H0 berechnen, der die Expansion des Universums beschreibt.

Der Hubble-Parameter kann auf zwei Wegen berechnet werden:

Diese beiden Quellen lieferten zwar nicht ganz gleiche, aber sehr ähnliche und konsistente H0-Werte, und damals schien es, als ob die beiden Methoden eine gute Übereinstimmung zeigten. Bingo.

Es war etwa 2013, als uns klar wurde, dass die „Zahlen nicht stimmten“. „Die entstandene Diskrepanz mag klein erscheinen, aber da die Fehlerbalken auf beiden Seiten immer kleiner werden, wird dieser Abstand zwischen den beiden Messungen immer größer“, erklärt Khalife.

Tatsächlich waren die beiden Anfangswerte von H0 nicht allzu genau, und da die „Fehlerbalken“ groß genug waren, um sich zu überlappen, bestand die Hoffnung, dass künftige feinere Messungen endlich übereinstimmen würden. „Dann kam das Planck-Experiment, das im Vergleich zu den vorherigen Experimenten sehr kleine Fehlerbalken lieferte“, die Diskrepanz aber immer noch bestehen blieb, was die Hoffnungen auf eine einfache Lösung zunichte machte.

Planck war ein Satellit, der 2007 ins All geschossen wurde, um ein so detailliertes Bild des CMB wie nie zuvor zu sammeln. Die einige Jahre später veröffentlichten Ergebnisse bestätigten, dass die Diskrepanz real war und aus einer bescheidenen Sorge eine erhebliche Krise wurde. Kurz gesagt: Die jüngsten und nächsten Teile des Universums, die wir beobachten, erzählen eine andere Geschichte oder scheinen vielmehr einer anderen Physik zu gehorchen als die ältesten und entferntesten, eine sehr unwahrscheinliche Möglichkeit.

Wenn es sich nicht um ein Problem der Messungen handelt, könnte es sich um einen Fehler in der Theorie handeln, dachten viele. Das derzeit akzeptierte theoretische Modell heißt ΛCDM. ΛCDM basiert weitgehend auf der Allgemeinen Relativitätstheorie – der außergewöhnlichsten, elegantesten und wiederholt durch Beobachtungen bestätigten Theorie über das Universum, die Albert Einstein vor mehr als einem Jahrhundert formuliert hat – und berücksichtigt dunkle Materie (interpretiert als kalt und langsam) und dunkle Energie als kosmologische Konstante.

In den letzten Jahren wurden verschiedene alternative Modelle oder Erweiterungen zum ΛCDM-Modell vorgeschlagen, aber bisher hat sich keines davon als überzeugend (oder manchmal sogar trivial testbar) erwiesen, die „Spannung“ deutlich zu reduzieren.

„Es ist wichtig, diese verschiedenen Modelle zu testen und zu sehen, was funktioniert und was ausgeschlossen werden kann, damit wir den Weg eingrenzen oder neue Richtungen finden können“, erklärt Khalife. In ihrer neuen Arbeit haben er und seine Kollegen auf der Grundlage früherer Forschungen elf dieser Modelle zusammengestellt und so etwas Ordnung in den entstandenen theoretischen Dschungel gebracht.

Die Modelle wurden mit analytischen und statistischen Methoden an verschiedenen Datensätzen aus dem nahen und fernen Universum getestet, darunter die neuesten Ergebnisse der SH0ES-Kollaboration (Supernova H0 for the Equation of State) und SPT-3G (die neue verbesserte Kamera). des Südpolteleskops, das das CMB sammelt). Die Arbeit war veröffentlicht im Zeitschrift für Kosmologie und Astroteilchenphysik.

Drei der ausgewählten Modelle, die sich in früheren Arbeiten als praktikable Lösungen erwiesen hatten, wurden letztendlich durch die neuen Daten, die diese Forschung berücksichtigt, ausgeschlossen. Die anderen drei Modelle scheinen hingegen noch in der Lage zu sein, die Spannung zu reduzieren, aber das löst das Problem nicht.

„Wir haben herausgefunden, dass diese die Spannung auf statistisch signifikante Weise reduzieren könnten, aber nur, weil sie sehr große Fehlerbalken haben und die Vorhersagen, die sie machen, für die Standards der kosmologischen Forschung zu unsicher sind“, sagt Khalife.

„Es gibt einen Unterschied zwischen Lösen und Reduzieren: Diese Modelle reduzieren die Spannung aus statistischer Sicht, aber sie lösen sie nicht“, was bedeutet, dass keines von ihnen allein aus CMB-Daten einen großen H0-Wert vorhersagt. Generell erwies sich keines der getesteten Modelle hinsichtlich der Spannungsreduzierung als den anderen in dieser Arbeit untersuchten Modellen überlegen.

„Aus unserem Test wissen wir jetzt, welche Modelle wir nicht betrachten sollten, um die Spannung zu lösen“, schlussfolgert Khalife, „und wir kennen auch die Modelle, die wir in Zukunft möglicherweise in Betracht ziehen.“

Diese Arbeit könnte eine Grundlage für die Modelle sein, die in Zukunft entwickelt werden, und indem wir sie mit immer präziseren Daten einschränken, könnten wir der Entwicklung eines neuen Modells für unser Universum näher kommen.