Dunkle Energie überflüssig? Mathematiker stellen kosmisches Weltbild infrage

Seit fast 30 Jahren erklärt die Kosmologie die beschleunigte Expansion des Universums mit Dunkler Energie. Doch womöglich gibt es noch eine andere Erklärung. Mathematiker der University of California, Davis, haben untersucht, wie stabil die Gleichungen sind, auf denen das kosmologische Standardmodell beruht. Ihr Ergebnis: Bestimmte Lösungen reagieren empfindlich auf Störungen. Daraus könnte sich ein neuer Ansatz ergeben, um die Expansion des Universums ohne Dunkle Energie zu erklären.

Die Arbeit von Christopher Alexander, Blake Temple und Zeke Vogler erschien im Mai 2026 in der Fachzeitschrift Proceedings of the Royal Society A. Ende Oktober griffen internationale Wissenschaftsmedien die Ergebnisse erneut auf. An der entscheidenden Einschränkung hat sich nichts geändert: Die Forschenden haben ein mathematisches Ergebnis vorgelegt, aber noch nicht nachgewiesen, dass ihr Ansatz unser tatsächliches Universum besser beschreibt.

Warum braucht das Universum Dunkle Energie?

Ende der 1990er-Jahre machten Astronomen eine überraschende Entdeckung. Bei der Untersuchung weit entfernter Supernovae stellten sie fest, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt. Seine Expansion hat sich im Laufe der kosmischen Geschichte auch beschleunigt.

Für diese Beschleunigung gibt es im heutigen Standardmodell der Kosmologie eine Erklärung: die Dunkle Energie. Sie wird in der einfachsten Modellvariante durch Einsteins kosmologische Konstante beschrieben.

Das sogenannte Lambda-CDM-Modell verbindet diese Konstante mit kalter Dunkler Materie und gewöhnlicher Materie. Es kann zahlreiche Beobachtungen erklären, darunter die kosmische Hintergrundstrahlung und die großräumige Verteilung der Galaxien.

Was die Dunkle Energie physikalisch ist, wissen Forschende allerdings nicht. Im Standardmodell wird ihr eine räumlich konstante Energiedichte zugeschrieben, die eine beschleunigte Expansion bewirkt. An der mathematischen Grundlage dieses Modells setzt die Forschungsgruppe aus Kalifornien an.

Ein Bleistift zeigt das Problem

Der Mathematiker Blake Temple, inzwischen emeritierter Professor an der University of California, Davis, beschreibt das Problem mit einem einfachen Beispiel: einem Bleistift, der senkrecht auf seiner Spitze steht.

„Alle Kräfte befinden sich im Gleichgewicht, wenn ein Bleistift auf seiner Spitze steht. Deshalb ist dies eine Lösung der Gleichungen“, erklärt Temple in einer Mitteilung seiner Universität. „Aber sie ist instabil. Schon ein Luftzug genügt, und er fällt um.“

Der Bleistift kann sich theoretisch im Gleichgewicht befinden. In der Praxis reicht jedoch eine winzige Störung, damit er dieses Gleichgewicht verlässt. Ähnlich verhält es sich nach den Berechnungen der Forschungsgruppe mit bestimmten mathematischen Lösungen, die zur Beschreibung des expandierenden Universums verwendet werden.

Dabei geht es um sogenannte Friedmann-Raumzeiten. Sie beschreiben ein Universum, das auf großen Skalen überall ungefähr gleich aussieht und dessen Expansion sich mit den Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie berechnen lässt.

Diese idealisierten Raumzeiten bilden die geometrische Grundlage des kosmologischen Standardmodells. Die Forschenden untersuchten, was passiert, wenn solche Lösungen gestört werden. Dabei fanden sie unter den betrachteten Bedingungen Instabilitäten, durch die Abweichungen anwachsen können, anstatt wieder zu verschwinden.

Was die Mathematiker tatsächlich berechnet haben

Die Wissenschaftler untersuchten die sogenannten Einstein-Euler-Gleichungen. Sie verbinden Einsteins Gravitationstheorie mit Gleichungen, die das Verhalten einer Materieverteilung beschreiben.

Im Mittelpunkt stehen bestimmte kosmologische Modelle mit druckloser Materie. Die Forschenden betrachteten unter anderem radiale Störungen. Dabei verändert sich die Materieverteilung beziehungsweise die Geometrie in Abhängigkeit vom Abstand zu einem Mittelpunkt.

Für die untersuchten Friedmann-Raumzeiten weisen die Autoren Instabilitäten gegenüber solchen Störungen nach. Temple formuliert das Ergebnis in der Mitteilung der Universität so:

„Wir beweisen, dass die Friedmann-Raumzeiten, ähnlich wie Einsteins statisches Modell, auf großen Längenskalen gegenüber radialen Störungen instabil sind.“

Das heißt aber nicht, dass alle Friedmann-Lösungen grundsätzlich instabil sind. Die Forschenden haben nur bestimmte Bedingungen und Störungen untersucht. Ihre Ergebnisse stellen damit einige Annahmen des kosmologischen Standardmodells infrage. Sie beweisen jedoch nicht, dass das Modell die Entwicklung unseres Universums falsch beschreibt.

Beschleunigte Expansion auch ohne Dunkle Energie?

Die Forschenden beschäftigen sich mit einer Frage, die für die Kosmologie weitreichende Folgen hätte: Könnte die beobachtete Beschleunigung auch aus der Gravitation selbst entstehen? Ihr Ansatz beruht auf der Vorstellung, dass sich ein zunächst annähernd gleichförmig expandierendes Universum unter bestimmten Bedingungen von den üblichen Friedmann-Lösungen entfernt.

Dabei untersuchen die Mathematiker auch sogenannte selbstähnliche Lösungen. Vereinfacht gesagt handelt es sich um mathematische Strukturen, deren charakteristische Form bei geeigneter Veränderung der Größenmaßstäbe erhalten bleibt.

In diesem Rahmen können räumliche Abweichungen entstehen, die sich als beschleunigte Expansion interpretieren lassen. Temple sieht darin eine mögliche Alternative zur Dunklen Energie. In der Mitteilung seiner Universität erklärt er:

„Die Instabilität aller Friedmann-Raumzeiten gegenüber einer beschleunigten Expansion deutet auf eine einfachere, natürlichere Erklärung für die Beschleunigung des Universums hin als die Dunkle Energie.“

Die Aussage ist als Interpretation des Forschers zu verstehen. Die mathematischen Ergebnisse zeigen nicht, dass die beobachtete kosmische Beschleunigung tatsächlich auf diesem Mechanismus beruht. Dafür müssten die entsprechenden Modelle zunächst quantitative Vorhersagen liefern, die sich mit astronomischen Messungen überprüfen lassen.

Warum die Studie das Standardmodell nicht widerlegt

Eine mathematisch instabile Lösung ist nicht automatisch physikalisch falsch. Entscheidend ist, welche Störungen auftreten können, wie sich diese im Laufe der Zeit entwickeln und ob das resultierende Modell mit Beobachtungen übereinstimmt.

Das Lambda-CDM-Modell beschreibt die Entwicklung des Universums bislang in vielen Bereichen sehr erfolgreich. Besonders die kosmische Hintergrundstrahlung liefert präzise Informationen über die Materieverteilung und die Expansion des frühen Universums. Hinzu kommen die großräumige Verteilung der Galaxien und charakteristische Muster in dieser Verteilung, die sogenannten baryonischen akustischen Oszillationen.

Ein alternatives Modell ohne Dunkle Energie müsste diese Beobachtungen mindestens ebenso gut erklären. Dazu gehört auch die Helligkeit entfernter Supernovae, aus der Ende der 1990er-Jahre auf die beschleunigte Expansion geschlossen wurde. Die mathematische Arbeit von Alexander, Temple und Vogler liefert dafür einen möglichen Ansatz, aber noch keine umfassend überprüfte Alternative zum Standardmodell.

Neue Messungen stellen die Dunkle Energie ebenfalls infrage

Unabhängig von der mathematischen Untersuchung gibt es auch bei den astronomischen Beobachtungen offene Fragen. Das Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) hatte 2025 Hinweise darauf geliefert, dass sich die Wirkung der Dunklen Energie im Laufe der kosmischen Geschichte verändern könnte. Das würde nicht zur einfachsten Variante des Lambda-CDM-Modells passen, in der die Dunkle Energie konstant bleibt.

Weitere Auswertungen aus dem Jahr 2026 ergaben allerdings kein einheitliches Bild. Einige Datenkombinationen zeigen weiterhin Auffälligkeiten, andere stimmen besser mit dem bisherigen Standardmodell überein.

Hinzu kommt eine Diskussion darüber, ob die Helligkeit bestimmter Supernovae bisher vollständig korrekt berücksichtigt wird. Verschiedene Forschungsgruppen gelangen bei der Auswertung der Daten zu unterschiedlichen Ergebnissen. Über diese Kontroverse und die jüngeren DESI-Ergebnisse haben wir im Beitrag „Kosmologie-Streit eskaliert: Beschleunigt sich das Universum überhaupt noch?“ berichtet.

Diese Untersuchungen sind von der Arbeit der Mathematiker aus Kalifornien zu unterscheiden. Während DESI und andere Forschungsgruppen anhand von Beobachtungen prüfen, wie sich die Expansion entwickelt, untersuchen Alexander, Temple und Vogler die mathematische Stabilität bestimmter theoretischer Modelle.

Aus den bisherigen Messungen ergibt sich keine Bestätigung ihres Ansatzes. Neue Beobachtungsmethoden sollen die kosmische Expansion künftig genauer vermessen. Dazu gehört beispielsweise das kanadische Radioteleskop CHIME. Es konnte 2026 ein schwaches Wasserstoffsignal aus dem fernen Universum erstmals ohne zusätzliche Galaxienkarten nachweisen. Wie diese Technik funktioniert, erklären wir im Artikel „Ein Signal aus der Tiefe des Universums und eine Spur zur Dunklen Energie“.

Hat das Universum einen Mittelpunkt?

Ein weiterer Aspekt der mathematischen Untersuchung betrifft das kopernikanische Prinzip. Es besagt, dass die Erde keinen ausgezeichneten Platz im Universum einnimmt. Das kosmologische Standardmodell verwendet eine auf großen Skalen homogene und isotrope Beschreibung des Universums. In diesem Modell gibt es keinen bevorzugten räumlichen Mittelpunkt.

Bei sphärisch symmetrischen, aber räumlich inhomogenen Alternativmodellen sieht das anders aus. Dort kann ein Mittelpunkt der Symmetrie eine besondere Rolle spielen. Das wirft die Frage auf, an welcher Position sich ein Beobachter befinden müsste, damit ein solches Modell mit den astronomischen Daten übereinstimmt.

Temple vertritt die Auffassung, dass das kopernikanische Prinzip bei der Bewertung unterschiedlicher Modelle konsequent angewendet werden müsse. Seine weitergehende Interpretation ist jedoch von den mathematischen Instabilitätsnachweisen zu unterscheiden.

Was bedeutet das für unser Bild vom Universum?

Die Berechnungen der Mathematiker zeigen, dass bestimmte Modelle des expandierenden Universums empfindlich auf Störungen reagieren. Daraus ergibt sich eine spannende Frage: Könnte sich die beschleunigte Expansion auch ohne Dunkle Energie erklären lassen?

Noch ist das offen. Denn eine mathematisch mögliche Erklärung muss auch zu dem passen, was Astronomen tatsächlich beobachten. Dazu gehören die Expansion des Universums, die kosmische Hintergrundstrahlung und die Verteilung der Materie im All. Ob der neue Ansatz all diese Beobachtungen erklären kann, ist bislang nicht geklärt.

Die Dunkle Energie bleibt deshalb vorerst ein wichtiger Bestandteil des kosmologischen Standardmodells. Die Studie liefert aber einen weiteren Grund, dessen mathematische Grundlagen genauer zu untersuchen.

Quellen

• Alexander, C.; Temple, B.; Vogler, Z. (2026): The instability of critical and underdense Friedmann spacetimes at the Big Bang as an alternative to dark energy. Proceedings of the Royal Society A
• University of California, Davis: Taking Dark Energy Out of the Equation (Mai 2026)
• ScienceDaily: Einstein’s equations may explain the universe without dark energy (29. Oktober 2026)