Seit mehr als einem Jahrhundert wissen Wissenschaftler, dass sich das Universum seit dem Urknall , dem Urereignis , das vor Milliarden von Jahren alles begann, ausdehnt .
Aber ein kniffliges Problem konnten sie bisher nicht lösen. Wie schnell expandiert es? Das liegt daran, dass es eine Diskrepanz zwischen der geschätzten Geschwindigkeit gibt, die auf der Strahlung basiert, die vom Urknall übrig geblieben ist, bekannt als kosmischer Mikrowellenhintergrund oder in der wissenschaftlichen Sprache CMB, und der deutlich schnelleren Geschwindigkeit, die auf Beobachtungen von Supernovae basiert. Die Expansionsrate des Universums ist als Hubble-Konstante bekannt, daher wird die Disparität als "Hubble-Spannung" bezeichnet.
Wissenschaftler glauben, dass die fortgesetzte Expansion des Universums von einer Kraft namens Dunkle Energie angetrieben wurde, die 7 oder 8 Milliarden Jahre nach dem Urknall begonnen hat, die Verlangsamung des Universums umzukehren.
Was ist dunkle Energie?
"Dunkle Energie ist heute eine hypothetische Energiequelle im Universum, die nach unserem besten Verständnis des Universums etwa 70 Prozent der Gesamtenergie im Universum ausmacht ", erklärt Glenn Starkman , ein angesehener Universitätsprofessor und Co-Vorsitzender der Physikabteilung der Case Western Reserve University.
„Der Hauptbeweis für seine Existenz ist die beschleunigte Expansion des Universums, die seit mehreren Milliarden Jahren im Gange zu sein scheint“, sagt Starkman. „Um eine solche Expansion voranzutreiben, ist eine Energiequelle erforderlich, die sich bei der Expansion des Universums nicht (oder nur sehr wenig) verdünnt. Dies disqualifiziert die meisten Energiequellen – z. B. gewöhnliche Materie oder dunkle Materie, die beide weniger werden dichter, wenn das Universum größer wird. Das einfachste Modell der Dunklen Energie ist, dass es sich um die unveränderliche Energiedichte handelt, die mit dem leeren Raum verbunden ist. Wenn sich der Raum ausdehnt, würde die Dichte der Dunklen Energie also konstant bleiben."
Aber es gibt viele Dinge, die über die dunkle Energie ungeklärt sind , einschließlich der Frage, warum sie nicht die ganze Zeit existierte. Und selbst die Einbeziehung der Dunklen Energie in das Standardmodell löst die Diskrepanz zwischen den beiden Messungen der kosmischen Expansion nicht auf.
Und frühe dunkle Energie?
Aber zwei neue, noch zu veröffentlichende Studien, die beide auf Daten basieren, die zwischen 2013 und 2016 vom Atacama Cosmology Telescope (ACT) gesammelt wurden , können helfen, eine mögliche Lösung für ein Problem aufzuzeigen. Forscher glauben, Spuren einer Art "früher" dunkler Energie gefunden zu haben, die in den ersten 300.000 Jahren nach dem Urknall existierte. Dieser kürzlich erschienene Artikel in Nature von Davide Castelvecchi veröffentlichte zuerst die beiden Veröffentlichungen, eine vom ACT-Team und die andere von einer unabhängigen Gruppe, zu der Vivian Poulin , eine Astrophysikerin an der Universität Montpellier in Frankreich, und die Kollegen Tristian L. Smith und Alexa Bartlett . gehörten des Swarthmore College.
Die Idee der frühen Dunklen Energie wurde ursprünglich vor einigen Jahren von Poulin, damals Postdoktorand an der Johns Hopkins University, Smith und Kollegen, vorgeschlagen, um diese Frage zu lösen.
„Frühe Dunkle Energie ist ein Vorschlag für eine andere Form der Dunklen Energie, dh nicht offensichtlich verwandt mit der Dunklen Energie, die die heutige beschleunigte Expansion verursacht“, erklärt Starkman. EDE "hätte im Universum vor langer Zeit eine wichtige Rolle gespielt, als das Universum etwa 10.000 Mal kleiner und heißer war als es derzeit ist." Es ist ein Konzept, sagt er, das "entwickelt wurde, um gewisse mysteriöse Meinungsverschiedenheiten über die Geschichte der Expansionsrate des Universums zu lösen."
Wie der Artikel von Nature erklärt, wäre die frühe dunkle Energie nicht stark genug gewesen, um Milliarden von Jahren später die beschleunigte Expansion des Universums zu bewirken. Stattdessen hätte es ihn indirekt beeinflusst, indem es das kurz nach dem Urknall gebildete Gemisch aus Elementarteilchen oder Plasma schneller abkühlen ließ. Dies wiederum würde sich darauf auswirken, wie der kosmische Mikrowellenhintergrund gemessen werden sollte – insbesondere Messungen des Alters und der Expansionsgeschwindigkeit des Universums basierend darauf, wie weit Schallwellen im Plasma wandern könnten, bevor es zu Gas abkühlte – und zu einem schnelleren Expansionsrate, die näher an dem liegt, was Astronomen auf der Grundlage von Himmelsobjekten berechnen.
Die frühe dunkle Energie ist eine knifflige theoretische Lösung, aber "es ist das einzige Modell, das wir zum Laufen bringen können", wie Mark Kamionkowski , theoretischer Physiker der Johns Hopkins University , einer der Autoren des Papiers über frühe dunkle Energie von 2018, gegenüber Nature erklärte.
Die Schlussfolgerung ist nicht klar
Die beiden Studien könnten dazu beitragen, die Argumente für frühe dunkle Energie zu stärken, aber einer der beteiligten Forscher sagt, er sei immer noch nicht ganz überzeugt und warnt davor, dass noch mehr Arbeit erforderlich ist, um zu einem klaren Ergebnis zu kommen.
"Ich war skeptisch gegenüber frühen Dunkelenergiemodellen aufgrund von Problemen, mit denen sie bei der Abstimmung hochpräziser Messungen der großräumigen Verteilung von Galaxien und Materie im Universum ('Large-Scale Structure', oder LSS) konfrontiert sind." Columbia University Assistenzprofessor für Physik J. Colin Hill , Co-Autor der Studie des ACT-Teams, notiert in einer E-Mail. (Hills Infragestellung des Konzepts spiegelt sich in dieser Arbeit wider , die er 2020 mitverfasst hat, und auch in einer späteren Arbeit , und er erwähnt auch eine andere Arbeit anderer Forscher, die ähnliche Komplikationen aufwirft.)
„Aus den drei oben verlinkten Veröffentlichungen geht hervor, dass die frühen Dunkelenergiemodelle, die zu den CMB-Daten und den Riess, et al., H0-Daten passen, Vorhersagen für LSS liefern, die nicht mit den Daten aus diesen Umfragen übereinstimmen“, schreibt Hill in der Email. "Daher kamen wir zu dem Schluss, dass wahrscheinlich ein anderes theoretisches Modell oder zumindest eine Modifikation des frühen Szenarios der dunklen Energie erforderlich ist."
In der neuen Studie, die die Kollegen von Hill und ACT gerade veröffentlicht haben, haben sie LSS-Daten bei der Analyse nicht berücksichtigt und sich stattdessen fast ausschließlich auf CMB-Daten konzentriert. „Das Ziel war wirklich zu sehen, ob Planck- und ACT-CMB-Daten im frühen Kontext der Dunklen Energie konsistente Ergebnisse liefern. Wir haben festgestellt, dass sie etwas unterschiedliche Ergebnisse liefern, was ein großes Rätsel ist, das wir jetzt mit Hochdruck zu verstehen versuchen Perspektive bleibt das LSS-Problem für das frühe Dunkelenergie-Szenario ungelöst."
„Außerdem zeigen die Planck-Daten (die nach wie vor der genaueste Datensatz in der Kosmologie bleiben) keine Präferenz für frühe dunkle Energie“, erklärt Hill. „Deshalb bleibe ich trotz der Hinweise, die wir in den ACT-Daten für frühe Dunkle Energie gesehen haben, vorsichtig, ob dieses Modell wirklich die letzte Geschichte sein könnte. Wir werden mehr Daten brauchen, um das herauszufinden.“
Wenn sie existiert hätte, wäre die frühe dunkle Energie der Kraft ähnlich gewesen, von der angenommen wird, dass sie die gegenwärtige Expansionsrate des Universums antreibt. Aber es würde immer noch ein erhebliches Überdenken des theoretischen Modells erfordern.
„Der Hauptunterschied besteht darin, dass diese frühe dunkle Energie nur für einen kurzen Zeitraum in der kosmischen Geschichte eine Rolle spielen darf und dann ‚verschwinden‘ muss“, sagt Hill. "Um dies zu erreichen, konstruieren wir Teilchenphysikmodelle eines neuen Feldes (technisch ein axionähnliches Feld), das die Expansion des Universums vor der Rekombination kurzzeitig beschleunigt, dann aber schnell verblasst und irrelevant wird."
"Im Gegensatz dazu ist das derzeit führende Bild für Standard-Dunkelenergie, dass es sich einfach um eine kosmologische Konstante handelt, die wahrscheinlich aus Vakuumenergie stammt", fährt Hill fort. „Diese Energieform ändert sich nicht mit der Zeit. Es ist jedoch möglich, dass die normale dunkle Energie auf ein neues fundamentales Feld zurückzuführen ist, das wir noch nicht verstanden haben könnte daher eine gewisse Ähnlichkeit mit dem oben diskutierten frühen Dunkelenergiemodell aufweisen."
"Auch hier werden wir mehr Daten brauchen, um diese Fragen genauer zu untersuchen und hoffentlich im kommenden Jahrzehnt Antworten zu finden", sagt Hill. "Zum Glück kommen bald viele mächtige Experimente online." Er erwähnt Einrichtungen wie das Simons-Observatorium , das CMB untersuchen wird, sowie das Rubin-Observatorium und die Weltraumteleskope Euklid und Roman , die neue Informationen über LSS sammeln werden. "Es sollte sehr spannend sein zu sehen, was wir finden", sagt er.
Hier ist ein YouTube-Video, in dem Hill über frühe dunkle Energie spricht:
Starkman sagt, es sei wichtig, mit solchen „außergewöhnlichen“ Behauptungen vorsichtig zu sein, es sei denn, die Beweise sind klar und zwingend. Wie er betont, gibt es auch Beweise gegen EDE. „Die aktuellen Ergebnisse zeigen zunehmende Spannungen zwischen zwei experimentellen Datensätzen der Beobachtung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds – vom Planck-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation ESAdie Anfang des letzten Jahrzehnts geflogen ist, und vom aktuellen Atacama Cosmology Telescope. Ersteres scheint die Idee der frühen Dunklen Energie nicht zu unterstützen, während letzteres dies jetzt tut. Solche Spannungen zwischen Experimenten sind üblich und frustrierend. Es ist verlockend zu sagen, dass mehr Daten von ACT die Angelegenheit regeln werden, aber das einfache Überfüllen der vollständigen Planck-Daten mit mehr ACT-Daten wird nicht erklären, warum die Planck-Daten EDE nicht begünstigen. Die Spannung scheint wahrscheinlich ein überarbeitetes Verständnis eines dieser Experimente zu erfordern, um auf die eine oder andere Weise einen klaren Fall zu liefern."
Wendy Freedman , Professorin für Astronomie und Astrophysik an der University of Chicago, die sich mit der Messung der kosmischen Expansion beschäftigt hat, hält es für wichtig, verschiedene alternative Modelle zu verfolgen.
Das Lambda Cold Dark Matter (LCDM)-Modell
„Wir haben derzeit ein Standardmodell der Kosmologie, das sogenannte Lambda Cold Dark Matter (LCDM)-Modell“, erklärt Freedman, der Autor dieses Artikels , der am 17. September 2021 über die Hubble-Konstante im Astrophysical Journal veröffentlicht wurde, in eine E-Mail. "In diesem Modell ist etwa 1/3 der gesamten Materie + Energiedichte auf Materie zurückzuführen (von denen die meisten dunkle Materie sind) und 2/3 sind auf eine Komponente der dunklen Energie zurückzuführen."
„Allerdings kennen wir derzeit weder die Natur der Dunklen Materie noch der Dunklen Energie“, fährt Freedman fort. „Allerdings bietet LCDM eine extrem gute Anpassung an ein sehr breites Spektrum unterschiedlicher Experimente und Beobachtungen. Angesichts unseres Wissensstandes ist es eindeutig wichtig, das Standardmodell weiter zu testen Messungen und einige lokale Messungen könnten auf neue Physik hinweisen. Deshalb sage ich, dass es wichtig ist, andere Modelle jenseits von Lambda-CDM zu untersuchen."
Freedman fügt jedoch einen wichtigen Vorbehalt hinzu: "Alternativ kann es einen noch unbekannten systematischen Fehler geben, der für die scheinbare Diskrepanz verantwortlich ist. Daher ist es auch wichtig, die Unsicherheiten bei den aktuellen Messungen der Hubble-Konstanten zu reduzieren."
Das ist jetzt interessant
Wenn sich herausstellt , dass es früher dunkle Energie gegeben hat, würde ihre Einrechnung in die Schätzung des Alters des Universums dazu führen, dass der Kosmos 1,4 Milliarden Jahre jünger ist als die derzeitige Schätzung von 13,8 Milliarden Jahren.
