Kosmische Expansion ohne Dunkle Energie? Studie sorgt für Streit
War alles ganz anders? Könnte das Universum auch ohne Dunkle Energie erklärt werden? Neue Studie sorgt für Diskussionen.
Was geschah nach dem Urknall? Neue mathematische Studie stellt zentrale Annahmen des kosmologischen Standardmodells infrage.
Foto: Smarterpix / Juric.P
Seit Jahrzehnten gilt das sogenannte Lambda-CDM-Modell als Fundament der modernen Kosmologie. Es beschreibt die Entstehung und Entwicklung des Universums seit dem Urknall. Dunkle Energie spielt darin eine zentrale Rolle. Sie soll erklären, warum sich das Universum immer schneller ausdehnt.
Nun sorgt eine mathematische Studie aus den USA für Diskussionen. Forschende der University of California, Davis, kommen zu dem Schluss, dass zentrale Lösungen des Standardmodells möglicherweise instabil sind. Sollte sich diese Interpretation bestätigen, müsste die Kosmologie einige ihrer Grundannahmen neu bewerten.
Inhaltsverzeichnis
Das Universum als instabiles Gleichgewicht?
Im Mittelpunkt der Arbeit stehen sogenannte Friedmann-Raumzeiten. Dabei handelt es sich um mathematische Modelle, mit denen sich die Expansion des Universums beschreiben lässt. Genau diese Modelle bilden die Grundlage des heutigen kosmologischen Standardmodells.
Der emeritierte Mathematikprofessor Blake Temple vergleicht die Situation mit einem Bleistift, der auf seiner Spitze balanciert: „Alle Kräfte sind im Gleichgewicht, wenn ein Bleistift auf der Spitze steht, daher ist dies eine ‚Lösung der Gleichungen‘. Aber sie ist instabil. Der kleinste Luftzug, und er fällt um.“
Temple und seine Kolleginnen und Kollegen argumentieren, dass Friedmann-Raumzeiten empfindlich auf Störungen reagieren. Kleine Abweichungen könnten demnach ausreichen, damit sich das Verhalten des Universums deutlich verändert. Genau darin sehen die Forschenden ein mögliches Problem für das heutige Standardmodell.
Die Rolle der Dunklen Energie
Ende der 1990er Jahre entdeckten Astronominnen und Astronomen mithilfe entfernter Supernovae, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt. Um dieses Verhalten zu erklären, griff die Kosmologie auf ein älteres Konzept zurück: Einsteins kosmologische Konstante.
Albert Einstein hatte diesen mathematischen Zusatz ursprünglich eingeführt, um ein statisches Universum zu beschreiben. Nachdem Edwin Hubble später die Expansion des Kosmos nachwies, bezeichnete Einstein die Konstante angeblich als seinen „größten Fehler“. Jahrzehnte später wurde die Idee wieder aufgegriffen – diesmal als Erklärung für Dunkle Energie.
Heute gilt Dunkle Energie als einer der wichtigsten Bestandteile des Lambda-CDM-Modells. Allerdings konnte sie bislang nicht direkt nachgewiesen werden. Forschende kennen nur ihre vermutete Wirkung auf die Expansion des Universums. Genau hier setzt die neue mathematische Arbeit an.
Beschleunigte Expansion auch ohne Dunkle Energie?
Temple und sein Team vertreten die Ansicht, dass die beschleunigte Expansion möglicherweise direkt aus den Einstein-Gleichungen entsteht – ganz ohne zusätzliche Dunkle Energie.
„Die Instabilität aller Friedmann-Raumzeiten gegenüber einer beschleunigten Expansion legt eine einfachere, natürlichere Erklärung für die Beschleunigung des Universums nahe als die Dunkle Energie“, sagte Temple.
Die Forschenden arbeiten dabei mit sogenannten selbstähnlichen Lösungen. Solche mathematischen Modelle beschreiben Systeme, deren Struktur auf unterschiedlichen Größenskalen ähnlich bleibt.
Mit diesen Methoden untersuchten sie die Stabilität des Standardmodells während der frühen Entwicklungsphase des Universums. Das Ergebnis formulieren sie deutlich: „Wir beweisen, dass die Friedmann-Raumzeiten […] bei großen Längenskalen alle gegenüber radialen Störungen instabil sind.“
Die Forschenden sehen darin ein mögliches Problem für das Lambda-CDM-Modell – unabhängig davon, ob Dunkle Energie berücksichtigt wird oder nicht.
Noch keine Widerlegung des Standardmodells
Trotz der zugespitzten Debatte bedeutet die Studie nicht automatisch, dass das heutige Weltbild falsch ist. Die Arbeit liefert zunächst ein mathematisches Argument. Ob sich daraus tatsächlich ein alternatives kosmologisches Modell ableiten lässt, müssen weitere Untersuchungen zeigen.
Denn bislang erklärt das Lambda-CDM-Modell viele Beobachtungen erstaunlich präzise. Dazu gehören:
- die kosmische Hintergrundstrahlung,
- die großräumige Verteilung von Galaxien,
- die Entwicklung des frühen Universums,
- sowie zahlreiche Messdaten moderner Teleskope.
Dennoch gibt es seit Jahren offene Fragen. Besonders bekannt ist die sogenannte Hubble-Spannung. Verschiedene Messmethoden liefern unterschiedliche Werte für die Expansionsgeschwindigkeit des Universums. Einige Forschende vermuten deshalb bereits länger, dass das Standardmodell unvollständig sein könnte.
Auch das kopernikanische Prinzip gerät in die Diskussion
Die Studie berührt zudem das sogenannte kopernikanische Prinzip. Dieses besagt, dass die Erde keinen besonderen Platz im Universum einnimmt. Temple weist jedoch darauf hin, dass sowohl das Standardmodell als auch alternative sphärisch-symmetrische Modelle bestimmte bevorzugte Beobachtungspositionen erzeugen könnten.
„Wenn dieses Prinzip das eine ausschließt, muss es auch das andere ausschließen.“ Damit stellt die Arbeit nicht direkt das kopernikanische Prinzip auf den Kopf. Sie zeigt jedoch, dass einige kosmologische Modelle möglicherweise schwieriger mit diesem Grundsatz vereinbar sind als bislang angenommen.
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