Wissenschaftler helfen bei der Erforschung der dunklen Energie, indem sie die Schwerkraft testen

Könnte eines der größten Rätsel der Astrophysik durch eine Überarbeitung der Gravitationstheorie von Albert Einstein gelöst werden? Eine neue Studie, die von NASA-Wissenschaftlern mitverfasst wurde, sagt noch nicht.

Das Universum dehnt sich immer schneller aus und Wissenschaftler wissen nicht warum. Dieses Phänomen scheint allem zu widersprechen, was Forscher über die Wirkung der Schwerkraft auf den Kosmos wissen: Es ist, als würde man einen Apfel in die Luft werfen, und es würde immer schneller nach oben gehen. Die Ursache der Beschleunigung, dunkle Energie genannt, bleibt ein Rätsel.

Eine neue Studie des internationalen Dark Energy Survey unter Verwendung des Victor M. Blanco 4-Meter-Teleskops in Chile stellt den jüngsten Versuch dar, festzustellen, ob dies alles nur ein Missverständnis ist: diese Erwartungen an die Funktionsweise der Schwerkraft auf der Ebene des gesamten Universums fehlerhaft oder unvollständig sind. Dieses potenzielle Missverständnis könnte Wissenschaftlern helfen, dunkle Energie zu erklären. Aber die Studie – einer der bisher präzisesten Tests von Albert Einsteins Gravitationstheorie auf kosmischer Ebene – stellt fest, dass das aktuelle Verständnis immer noch richtig zu sein scheint.

Die Ergebnisse, die von einer Gruppe von Wissenschaftlern verfasst wurden, zu denen auch einige vom Jet Propulsion Laboratory der NASA gehören, wurden am Mittwoch, den 23. August, auf der Internationalen Konferenz für Teilchenphysik und Kosmologie (COSMO’22) in Rio de Janeiro vorgestellt. Die Arbeit hilft dabei, die Voraussetzungen für zwei kommende Weltraumteleskope zu schaffen, die unser Verständnis der Schwerkraft mit noch höherer Präzision als die neue Studie untersuchen und vielleicht endlich das Rätsel lösen werden.

Vor mehr als einem Jahrhundert entwickelte Albert Einstein seine Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie um die Schwerkraft zu beschreiben, und hat bisher alles genau vorhergesagt, von der Umlaufbahn des Merkur bis zur Existenz von Schwarzen Löchern. Aber wenn diese Theorie dunkle Energie nicht erklären kann, haben einige Wissenschaftler argumentiert, dann müssen sie vielleicht einige ihrer Gleichungen ändern oder neue Komponenten hinzufügen.

Um herauszufinden, ob dies der Fall ist, suchten Mitglieder des Dark Energy Survey nach Beweisen dafür, dass sich die Stärke der Schwerkraft im Laufe der Geschichte des Universums oder über kosmische Entfernungen verändert hat. Ein positiver Befund würde darauf hindeuten, dass Einsteins Theorie unvollständig ist, was helfen könnte, die beschleunigte Expansion des Universums zu erklären. Sie untersuchten neben Blanco auch Daten von anderen Teleskopen, einschließlich des Planck-Satelliten der ESA (Europäische Weltraumorganisation), und kamen zu dem gleichen Ergebnis.

Die Studie stellt fest, dass Einsteins Theorie immer noch funktioniert. Also noch keine Erklärung für dunkle Energie. Aber diese Forschung wird in zwei bevorstehende Missionen einfließen: die Euclid-Mission der ESA, deren Start nicht vor 2023 geplant ist und die Beiträge der NASA hat; und das römische Weltraumteleskop Nancy Grace der NASA, das spätestens im Mai 2027 gestartet werden soll. Beide Teleskope werden nach Änderungen der Schwerkraft über Zeit oder Entfernung suchen.

Verschwommene Sicht

Woher wissen Wissenschaftler, was in der Vergangenheit des Universums passiert ist? Durch das Betrachten entfernter Objekte. Ein Lichtjahr ist ein Maß für die Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegen kann (etwa 6 Billionen Meilen oder etwa 9,5 Billionen Kilometer). Das heißt, ein Objekt, das ein Lichtjahr entfernt ist, erscheint uns so, wie es vor einem Jahr war, als das Licht das Objekt zum ersten Mal verließ. Und Galaxien, die Milliarden von Lichtjahren entfernt sind, erscheinen uns wie vor Milliarden von Jahren. Die neue Studie untersuchte Galaxien, die etwa 5 Milliarden Jahre in die Vergangenheit zurückreichen. Euklid blickt 8 Milliarden Jahre in die Vergangenheit und Roman 11 Milliarden Jahre zurück.

Die Galaxien selbst offenbaren nicht die Stärke der Schwerkraft, aber wie sie aussehen, wenn sie von der Erde aus betrachtet werden. Die meiste Materie in unserem Universum ist dunkle Materie, die kein Licht emittiert, reflektiert oder anderweitig mit Licht interagiert. Obwohl Wissenschaftler nicht wissen, woraus es besteht, wissen sie, dass es da ist, weil seine Schwerkraft es verrät: Große Reservoire dunkler Materie in unserem Universum Warp-Raum selbst. Wenn Licht durch den Weltraum wandert, trifft es auf diese Teile des verzerrten Weltraums, wodurch Bilder entfernter Galaxien gekrümmt oder verschmiert erscheinen. Dies war in einem der ersten Bilder zu sehen, die vom James-Webb-Weltraumteleskop der NASA veröffentlicht wurden.

Wissenschaftler des Dark Energy Survey suchen in Galaxienbildern nach subtileren Verzerrungen aufgrund dunkler Materie, die den Raum krümmt, ein Effekt, der als schwacher Gravitationslinseneffekt bezeichnet wird. Die Stärke der Schwerkraft bestimmt die Größe und Verteilung von Strukturen der Dunklen Materie, und die Größe und Verteilung wiederum bestimmen, wie verzerrt uns diese Galaxien erscheinen. Auf diese Weise können Bilder die Stärke der Schwerkraft in verschiedenen Entfernungen von der Erde und in fernen Zeiten im Laufe der Geschichte des Universums offenbaren. Die Gruppe hat inzwischen die Formen von über 100 Millionen Galaxien gemessen, und bisher stimmen die Beobachtungen mit den Vorhersagen von Einsteins Theorie überein.

„Es gibt immer noch Raum, Einsteins Gravitationstheorie in Frage zu stellen, da die Messungen immer präziser werden“, sagte die Co-Autorin der Studie, Agnès Ferté, die die Forschung als Postdoktorandin am JPL durchführte. „Aber wir haben noch so viel zu tun, bevor wir für Euclid und Roman bereit sind. Daher ist es wichtig, dass wir weiterhin mit Wissenschaftlern auf der ganzen Welt an diesem Problem zusammenarbeiten, wie wir es mit der Dark Energy Survey getan haben.“