Steht Einsteins Theorie von der Raumzeit auf der Kippe?

Warum expandiert unser Universum immer schneller? Seit der Entdeckung dieser Beschleunigung vor 25 Jahren ist sie ein ungelöstes Rätsel der Wissenschaft. Forschende sind sich einig, dass zur Klärung dieses Phänomens die fundamentalen Gesetze der Physik hinterfragt werden müssen, darunter auch die Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein. Dabei geht es um Einsteins Idee von Raum und Zeit und um Mulden, die von der Schwerkraft von Objekten im Weltraum geformt werden.

Studienergebnisse stellen Einsteins Theorien infrage

Ein internationales Team von der Universität Genf und der Universität Toulouse III – Paul Sabatier hat  Einsteins Vorhersagen mit aktuellen Daten aus der Dark Energy Survey verglichen. Die Forschenden entdeckten dabei eine leichte Abweichung, die je nach Epoche in der kosmischen Entwicklung unterschiedlich ausfällt. Die in Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse stellen die universelle Gültigkeit von Einsteins Theorien infrage.

Einsteins Theorie: Gravitation als Geometrie

Einsteins Idee war, dass Gravitation nicht einfach als Kraft zwischen Objekten wirkt, sondern vielmehr aus der Geometrie von Raum und Zeit hervorgeht. Die Schwerkraft lässt sich somit geometrisch verstehen: Je mehr Masse ein Objekt besitzt, desto stärker verformt es die Struktur der Raumzeit. Diese Verzerrung beeinflusst die Bewegung benachbarter Objekte und lenkt sie in Richtung der massereichen Körper – was wir als Anziehungskraft wahrnehmen.

Damit stellt Einstein auch das Verständnis von Raumzeit auf den Kopf, das er selbst in der Speziellen Relativitätstheorie eingeführt hatte. Raum und Zeit sind nun nicht mehr bloß passive Kulissen, sondern wirken aktiv auf die Bewegung der Objekte im Universum ein.

Ein anschauliches Beispiel ist ein gespanntes Gummituch: Legt man eine schwere Kugel in die Mitte, senkt sie das Tuch in eine Mulde ab. Auf ähnliche Weise krümmt die Masse der Erde die Raumzeit. Wenn man Tischtennisbälle auf das Tuch legt, rollen sie zur Mulde, stets dem Gefälle folgend. Im wirklichen Leben entspricht dies einem fallenden Objekt: Es wird angezogen und trifft schließlich auf den Boden.

Sind Einsteins Gleichungen universell gültig?

Die Frage, ob Einsteins Gleichungen auch in den entlegensten Winkeln des Universums gelten, bleibt eine zentrale Herausforderung der modernen Physik. Die Materiedichte und die Expansion des Universums zu messen und zu verstehen, ist daher ein bedeutender Schwerpunkt der kosmologischen Forschung.

Mithilfe des Dark Energy Survey, der Formen von Millionen Galaxien kartiert, gewann das Team der Universitäten Genf und Toulouse neue Einblicke. „Bisher nutzten wir diese Daten zur Messung der Materieverteilung im Universum. Jetzt haben wir sie verwendet, um Raum- und Zeitverzerrungen direkt zu messen und mit Einsteins Vorhersagen zu vergleichen“, erklärt Camille Bonvin, die die Studie an der Universität Genf leitete.

Eine unerwartete Abweichung in der Vergangenheit

Die Dark Energy Survey ermöglichte es den Wissenschaftler*innen, in der Zeit zurückzublicken und die Entwicklung der Gravitationsmulden über Milliarden Jahre zu beobachten. Dabei untersuchte das Team 100 Millionen Galaxien und stellte fest, dass Einsteins Theorie in der fernen Vergangenheit gut mit den Daten übereinstimmt – vor etwa 6 bis 7 Milliarden Jahren. In der jüngeren Geschichte, vor 3,5 bis 5 Milliarden Jahren, erscheinen die Gravitationsquellen jedoch flacher als erwartet.

„In der fernen Vergangenheit stimmten unsere Messungen mit Einsteins Vorhersagen überein. Näher zur Gegenwart hin erkennen wir jedoch Abweichungen“, berichtet Isaac Tutusaus, Assistenzastronom und Hauptautor der Studie. Die beobachtete Diskrepanz könnte darauf hindeuten, dass die Schwerkraft auf größeren Skalen anderen Regeln folgt.

Wie geht es jetzt weiter?

„Unsere Ergebnisse zeigen eine 3-Sigma-Abweichung von Einsteins Vorhersagen. In der Physik ist dies eine bemerkenswerte Schwelle, die weitere Untersuchungen erfordert“, betont Nastassia Grimm, Mitautorin der Studie. Diese Abweichung reicht jedoch nicht aus, um Einsteins Theorie als falsch zu entlarven – eine Schwelle von 5 Sigma wäre notwendig.

Um die ersten Erkenntnisse zu bestätigen oder zu widerlegen, plant das Forschungsteam, neue Daten vom kürzlich gestarteten Weltraumteleskop Euclid zu analysieren. Euclid wird das Universum mit noch höherer Präzision beobachten und innerhalb seiner Mission etwa 1,5 Milliarden Galaxien analysieren. Dadurch könnten zukünftige Messungen zeigen, ob Einsteins Theorien auch in den weitesten Tiefen des Universums Bestand haben.

Hier geht es zur Originalpublikation