In den letzten Jahren wurde das etablierte Fachgebiet der Kosmologie von einer Reihe von Kontroversen erschüttert. Kurz gesagt: Die Vorhersagen des Standardmodells des Universums scheinen im Widerspruch zu einigen neueren Beobachtungen zu stehen.
Es gibt hitzige Debatten darüber, ob diese Beobachtungen verzerrt sind oder ob das kosmologische Modell, das die Struktur und Entwicklung des gesamten Universums vorhersagt, überdacht werden muss. Einige behaupten sogar, dass Die Kosmologie steckt in der Krise. Im Moment wissen wir nicht, welche Seite gewinnen wird. Aber spannend ist, dass wir kurz davor stehen, es herauszufinden.
Fairerweise muss man sagen, dass Kontroversen der normale Lauf der wissenschaftlichen Methode sind. Und im Laufe der Jahre hat das Standardmodell der Kosmologie seinen Anteil daran gehabt. Dieses Modell geht davon aus, dass das Universum zu 68,3 % aus „dunkler Energie“ (einer unbekannten Substanz, die die Ausdehnung des Universums beschleunigt), zu 26,8 % aus dunkler Materie (einer unbekannten Form von Materie) und zu 4,9 % aus gewöhnlichen Atomen besteht, was sehr genau anhand der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung gemessen wurde – dem Nachglühen der Strahlung des Urknalls.
Es erklärt sehr erfolgreich Unmengen an Daten sowohl im großen als auch im kleinen Maßstab des Universums. So kann es beispielsweise Dinge wie die Verteilung der Galaxien um uns herum und die Menge an Helium und Deuterium erklären, die in den ersten Minuten des Universums entstanden ist. Und was vielleicht am wichtigsten ist: Es kann auch die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung perfekt erklären.
Dies hat ihm den Ruf als „Konkordanzmodell“ eingebracht. Doch ein perfekter Sturm inkonsistenter Messungen – oder „Spannungen“, wie sie in der Kosmologie genannt werden – stellt nun die Gültigkeit dieses seit langem bestehenden Modells in Frage.
Unangenehme Spannungen
Das Standardmodell macht bestimmte Annahmen über die Natur der dunklen Energie und der dunklen Materie. Doch trotz jahrzehntelanger intensiver Beobachtung scheinen wir der Frage, woraus dunkle Materie und dunkle Energie bestehen, immer noch keinen Schritt näher gekommen zu sein.
Der Lackmustest ist die sogenannte Hubble-Spannung. Sie bezieht sich auf die Hubble-Konstante, also die Expansionsrate des Universums zum gegenwärtigen Zeitpunkt. Gemessen in unserem nahen, lokalen Universum, aus der Entfernung zu pulsierenden Sternen in nahegelegenen Galaxien, den sogenannten Cepheiden, beträgt ihr Wert 73 km/s/Megaparsec (Mpc ist eine Maßeinheit für Entfernungen im intergalaktischen Raum). Theoretisch vorhergesagt beträgt der Wert jedoch 67,4 km/s/Mpc. Der Unterschied ist zwar nicht groß (nur 8 %), aber er ist statistisch signifikant.
Die Hubble-Spannung wurde vor etwa einem Jahrzehnt bekannt. Damals dachte man, dass die Beobachtungen könnte voreingenommen gewesen sein. Beispielsweise waren die Cepheiden, obwohl sie sehr hell und leicht zu sehen waren, von anderen Sternen umgeben, was sie noch heller erscheinen lassen könnte. Dies könnte die Hubble-Konstante im Vergleich zur Modellvorhersage um einige Prozent höher gemacht und so künstlich eine Spannung erzeugt haben.
Mit der Einführung des James Webb-Weltraumteleskops (JWST), das die Sterne einzeln voneinander trennen kann, hoffte man, eine Antwort auf diese Spannung zu finden.
Frustrierenderweise ist dies bisher nicht geschehen. Astronomen verwenden jetzt neben den Cepheiden zwei weitere Arten von Sternen (bekannt als die Sterne der Spitze des Roten Riesenastes (TRGB) und die Sterne des J-Region-asymptotischen Riesenastes (JAGB). Aber während eine Gruppe Werte von den JAGB- und TRGB-Sternen gemeldet hat, die verlockend nah dem vom kosmologischen Modell erwarteten Wert entspricht, hat eine andere Gruppe behauptet, sie sehen immer noch Unstimmigkeiten in ihren Beobachtungen. Unterdessen zeigen die Cepheidenmessungen weiterhin eine Hubble-Spannung.
Es ist wichtig zu beachten, dass diese Messungen zwar sehr präzise sind, aber dennoch durch Effekte verzerrt sein können, die mit jeder Art von Messung eindeutig verbunden sind. Dies wirkt sich auf die Genauigkeit der Beobachtungen aus, und zwar für jede Art von Stern auf unterschiedliche Weise. Eine präzise, aber ungenaue Messung ist wie der Versuch, ein Gespräch mit einer Person zu führen, die immer das Wesentliche nicht versteht. Um Unstimmigkeiten zwischen widersprüchlichen Daten zu lösen, benötigen wir Messungen, die sowohl präzise als auch genau.
Die gute Nachricht ist, dass sich die Hubble-Spannung nun rasch weiterentwickelt. Vielleicht werden wir die Antwort darauf im nächsten Jahr oder so haben. Eine Verbesserung der Genauigkeit der Daten, beispielsweise durch die Einbeziehung von Sternen aus weiter entfernten Galaxien, wird helfen, dies zu klären. Ebenso werden uns Messungen von Kräuselungen in der Raumzeit, die als Gravitationswellen bekannt sind, helfen können die Konstante festhalten.
Dies alles könnte das Standardmodell bestätigen. Oder es könnte ein Hinweis darauf sein, dass etwas darin fehlt. Vielleicht ist die Natur der dunklen Materie oder die Art und Weise, wie sich die Schwerkraft auf bestimmten Skalen verhält, anders als wir heute glauben. Doch bevor man das Modell abtut, muss man seine unübertroffene Präzision bewundern. Es verfehlt das Ziel nur um höchstens ein paar Prozent, obwohl es über 13 Milliarden Jahre Evolution extrapoliert.
Um es ins Verhältnis zu setzen: Selbst die Uhrwerkbewegungen der Planeten im Sonnensystem können nur zuverlässig berechnet werden seit weniger als 1 Milliarde Jahrendanach werden sie unvorhersehbar. Das Standardmodell der Kosmologie ist eine außergewöhnliche Maschine.
Die Hubble-Spannung ist nicht das einzige Problem für die Kosmologie. Eine andere, die sogenannte „S8-Spannung“, macht auch Ärgerwenn auch nicht im gleichen Maßstab. Hier hat das Modell ein Glätteproblem, da es vorhersagt, dass die Materie im Universum stärker geballt sein sollte, als wir tatsächlich beobachten – und zwar um etwa 10 %. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die „Klumpigkeit“ der Materie zu messen, beispielsweise durch die Analyse der Verzerrungen im Licht von Galaxien, die durch die angenommene dunkle Materie verursacht werden, die entlang der Sichtlinie eingreift.
Derzeit scheint in der Gemeinschaft Konsens darüber zu herrschen, dass die Unsicherheiten in den Beobachtungen geklärt werden müssen, bevor das kosmologische Modell ausgeschlossen werden kann. Eine Möglichkeit, diese Spannung zu mildern, besteht darin, die Rolle der Gaswinde in Galaxien besser zu verstehen, die einen Teil der Materie herausdrücken und sie dadurch glatter machen können.
Es wäre hilfreich zu verstehen, wie Klumpenmessungen auf kleinen Skalen mit denen auf größeren Skalen zusammenhängen. Beobachtungen könnten auch darauf hinweisen, dass wir unsere Modellierung der Dunklen Materie ändern müssen. Wenn Dunkle Materie beispielsweise nicht vollständig aus kalten, sich langsam bewegenden Partikeln besteht, wie das Standardmodell annimmt, sondern mit einigen heiße, sich schnell bewegende Partikel. Dies könnte das Wachstum der Klumpenbildung in späteren kosmischen Phasen verlangsamen, was die S8-Spannung verringern würde.
Das JWST hat weitere Herausforderungen für das Standardmodell aufgezeigt. Eine davon ist, dass frühe Galaxien scheinen viel massiver als erwartet. Einige Galaxien könnten heute so viel wiegen wie die Milchstraße, obwohl sie weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall entstanden sind, was darauf hindeutet, dass sie weniger Masse haben sollten.
Die Konsequenzen für das kosmologische Modell sind in diesem Fall jedoch weniger klar, da es für diese überraschenden Ergebnisse auch andere mögliche Erklärungen geben könnte. Der Schlüssel zur Lösung dieses Problems liegt in der Verbesserung der Messung der Sternmassen in Galaxien. Anstatt sie direkt zu messen, was nicht möglich ist, leiten wir diese Massen aus dem von Galaxien ausgestrahlten Licht ab.
Dieser Schritt beinhaltet einige vereinfachende Annahmen, die zu einer Überschätzung der Masse führen könnten. Es wurde auch argumentiert dass ein Teil des Lichts, das den Sternen in diesen Galaxien zugeschrieben wird, von mächtigen schwarzen Löchern erzeugt wird. Das würde bedeuten, dass diese Galaxien vielleicht doch nicht so massereich sind.
Alternative Theorien
Wo stehen wir also jetzt? Zwar könnten einige Spannungen bald durch mehr und bessere Beobachtungen erklärt werden, aber es ist noch nicht klar, ob es eine Lösung für alle Probleme geben wird, die das kosmologische Modell erschüttern.
Es gab jedoch keinen Mangel an theoretischen Ideen, wie das Modell repariert werden könnte – vielleicht zu viele, im Bereich von einigen Hundert und mehr. Das ist eine verwirrende Aufgabe für jeden Theoretiker, der sie alle erforschen möchte.
Die Möglichkeiten sind vielfältig. Vielleicht müssen wir unsere Annahmen über die Natur der dunklen Energie ändern. Vielleicht ist es ein Parameter, der variiert mit der Zeitwie einige neuere Messungen nahelegen. Oder vielleicht müssen wir dem Modell mehr dunkle Energie hinzufügen, um die Expansion des Universums in frühen Zeiten oder im Gegenteil in späten Zeiten zu beschleunigen. Indem wir ändern, wie Die Schwerkraft verhält sich auf großen Skalen des Universums (anders als in den Modellen mit der Bezeichnung „Modifizierte Newton-Dynamik“ oder MOND) kann ebenfalls eine Option sein.
Bisher kann jedoch keine dieser Alternativen die große Bandbreite an Beobachtungen erklären, die das Standardmodell erklären kann. Noch beunruhigender ist, dass einige von ihnen bei einer Spannung helfen, andere jedoch verschärfen.
Die Tür ist nun offen für alle möglichen Ideen, die selbst die grundlegendsten Grundsätze der Kosmologie in Frage stellen. Beispielsweise müssen wir möglicherweise die Annahme aufgeben, dass das Universum „homogen und isotrop“ auf sehr großen Skalenwas bedeutet, dass es für alle Beobachter in alle Richtungen gleich aussieht und es keine besonderen Punkte im Universum gibt. Andere schlagen vor Änderungen an der Allgemeinen Relativitätstheorie.
Manche stellen sich sogar ein Trickster-Universum vor, das nimmt mit uns am Akt der Beobachtung teiloder das sein Aussehen ändert, je nachdem, ob wir es betrachten oder nicht – etwas, von dem wir wissen, dass es in der Quantenwelt der Atome und Teilchen passiert.
Mit der Zeit werden viele dieser Ideen wahrscheinlich ins Kuriositätenkabinett der Theoretiker verbannt. Doch in der Zwischenzeit bieten sie einen fruchtbaren Boden für die Erprobung der „neuen Physik“.
Das ist eine gute Sache. Die Antwort auf diese Spannungen wird zweifellos durch mehr Daten kommen. In den nächsten Jahren wird eine leistungsstarke Kombination von Beobachtungen aus Experimenten wie JWST, dem Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), dem Vera Rubin Observatorium und Euklid werden uns neben vielen anderen helfen, die lange gesuchten Antworten zu finden.
Wendepunkt
Einerseits könnten genauere Daten und ein besseres Verständnis der systematischen Messunsicherheiten uns zum beruhigenden Vertrauen des Standardmodells zurückführen. Aus seinen früheren Schwierigkeiten könnte das Modell nicht nur bestätigt, sondern auch gestärkt hervorgehen, und die Kosmologie würde eine Wissenschaft sein, die sowohl präzise als auch genau ist.
Wenn sich das Gleichgewicht jedoch in die andere Richtung verschiebt, betreten wir unbekanntes Terrain, wo neue physikalische Phänomene entdeckt werden müssen. Dies könnte zu einem großen Paradigmenwechsel in der Kosmologie führen, ähnlich der Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums Ende der 1990er Jahre. Auf diesem Weg müssen wir uns jedoch möglicherweise ein für alle Mal mit der Natur der dunklen Energie und der dunklen Materie auseinandersetzen, zwei der großen ungelösten Rätsel des Universums.
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