Die spezielle Relativitätstheorie in die Praxis umsetzen, indem man Galaxien zählt

Wissenschaftler, die den Kosmos studieren, haben eine Lieblingsphilosophie, die als „Mittelmäßigkeitsprinzip“ bekannt ist und im Wesentlichen darauf hindeutet, dass die Erde, die Sonne oder die Milchstraße im Vergleich zum Rest des Universums wirklich nichts Besonderes sind.

Jetzt fügt eine neue Forschung von CU Boulder dem Argument für Mittelmäßigkeit einen weiteren Beweis hinzu: Galaxien befinden sich im Durchschnitt in Ruhe in Bezug auf das frühe Universum. Jeremy Darling, Astrophysikprofessor an der CU Boulder, veröffentlichte kürzlich diese neue kosmologische Erkenntnis in Die Briefe des astrophysikalischen Journals.

„Was uns diese Forschung sagt, ist, dass wir eine komische Bewegung haben, aber diese komische Bewegung stimmt mit allem überein, was wir über das Universum wissen – hier passiert nichts Besonderes“, sagte Darling. „Wir sind weder als Galaxie noch als Beobachter etwas Besonderes.“

Vor etwa 35 Jahren entdeckten Forscher den kosmischen Mikrowellenhintergrund, eine elektromagnetische Strahlung, die bei der Entstehung des Universums während des Urknalls übrig geblieben ist. Der kosmische Mikrowellenhintergrund erscheint in Richtung unserer Bewegung wärmer und von unserer Bewegungsrichtung weg kühler.

Aus diesem Leuchten des frühen Universums können Wissenschaftler schließen, dass sich die Sonne – und die sie umkreisende Erde – mit einer bestimmten Geschwindigkeit in eine bestimmte Richtung bewegt. Forscher finden heraus, dass unsere abgeleitete Geschwindigkeit ein Bruchteil eines Prozents der Lichtgeschwindigkeit ist – klein, aber nicht null.

Wissenschaftler können diese Schlussfolgerung unabhängig testen, indem sie die von der Erde aus sichtbaren Galaxien zählen oder ihre Helligkeit addieren. Sie können dies vor allem dank der speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein aus dem Jahr 1905 tun, die erklärt, wie sich Geschwindigkeit auf Zeit und Raum auswirkt. Bei dieser Anwendung sollte eine Person auf der Erde, die in eine Richtung ins Universum blickt – in die gleiche Richtung, in die sich die Sonne und die Erde bewegen – Galaxien sehen, die heller, blauer und konzentrierter sind. In ähnlicher Weise sollte die Person, wenn sie in die andere Richtung schaut, Galaxien sehen, die dunkler, röter und weiter voneinander entfernt sind.

Aber als Forscher in den letzten Jahren versuchten, Galaxien zu zählen – ein Prozess, der schwer genau durchzuführen ist –, kamen sie auf Zahlen, die darauf hindeuten, dass sich die Sonne viel schneller bewegt als bisher angenommen, was im Widerspruch zur Standardkosmologie steht.

„Es ist schwer, Galaxien über den ganzen Himmel zu zählen – normalerweise bleibt man bei einer Hemisphäre oder weniger hängen“, sagte Darling. „Und obendrein kommt uns unsere eigene Galaxie in die Quere. Sie hat Staub, der dazu führt, dass Sie weniger Galaxien finden und sie dunkler aussehen lassen, wenn Sie sich unserer Galaxie nähern.“

Darling war fasziniert und verwirrt von diesem kosmologischen Rätsel, also beschloss er, selbst nachzuforschen. Er wusste auch, dass es zwei kürzlich veröffentlichte Vermessungen gab, die helfen könnten, die Genauigkeit einer Galaxienzählung zu verbessern – und Licht auf das Rätsel der Geschwindigkeit werfen könnten: eine namens Very Large Array Sky Survey (VLASS) in New Mexico und die andere namens Rapid Australian Square Kilometre Array Pathfinder Continuum Survey (RACS) in Australien.

Zusammen erlaubten diese Vermessungen Darling, den gesamten Himmel zu studieren, indem sie Ansichten von der nördlichen und südlichen Hemisphäre zusammenfügten. Wichtig ist, dass die neuen Vermessungen auch Radiowellen verwendeten, die es einfacher machten, durch den Staub der Milchstraße zu „sehen“, wodurch die Sicht auf das Universum verbessert wurde.

Als Darling die Vermessungen analysierte, stellte er fest, dass die Anzahl der Galaxien und ihre Helligkeit perfekt mit der Geschwindigkeit übereinstimmten, die Forscher zuvor aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund abgeleitet hatten.

„Wir finden eine helle Richtung und eine dunkle Richtung – wir finden eine Richtung, in der es mehr Galaxien gibt, und eine Richtung, in der es weniger Galaxien gibt“, sagte er. „Der große Unterschied besteht darin, dass es vom kosmischen Mikrowellenhintergrund aus mit dem frühen Universum übereinstimmt und die richtige Geschwindigkeit hat. Unsere Kosmologie ist in Ordnung.“

Da sich Darlings Ergebnisse von früheren Ergebnissen unterscheiden, wird seine Arbeit wahrscheinlich verschiedene Folgestudien veranlassen, um seine Ergebnisse zu bestätigen oder zu bestreiten.

Aber abgesehen davon, dass sie das Gebiet der Kosmologie vorantreiben, sind die Ergebnisse ein gutes reales Beispiel für Einsteins spezielle Relativitätstheorie – und sie zeigen, wie Forscher die Theorie immer noch in die Praxis umsetzen, mehr als 100 Jahre nachdem der berühmte Physiker sie erstmals vorgeschlagen hat .

„Ich liebe die Idee, dass dieses Grundprinzip, von dem Einstein uns vor langer Zeit erzählt hat, etwas ist, das man sehen kann“, sagte Darling. „Es ist eine wirklich esoterische Sache, die super seltsam erscheint, aber wenn man hinausgeht und Galaxien zählt, kann man diesen netten Effekt sehen. Es ist nicht ganz so esoterisch oder seltsam, wie man vielleicht denkt.“