Das Standardmodell der Kosmologie – unsere führende Theorie der kosmischen Evolution – geht davon aus, dass die Dunkle Energie im gesamten Universum und über die Zeit hinweg konstant ist und somit eine grundlegende Eigenschaft des Weltraums darstellt. Wäre sie konstant, würde die mysteriöse Dunkle Energie, die bis zu 70 Prozent des Universums ausmacht, alle Sterne und Galaxien verdrängen. Die umfassendste Untersuchung der kosmischen Geschichte des Universums legt jedoch nahe, dass sich die Dunkle Energie, auch als hypothetische „Antigravitationskraft“ bekannt, im Laufe der Zeit eher entwickelt als konstant bleibt, was auf eine weniger einsame Zukunft für die Bewohner des Universums hindeutet.
Mehr als zwei Jahrzehnte sind seit der Entdeckung der Dunklen Energie vergangen. Wissenschaftler hatten also mehr als 20 Jahre Zeit, die Geheimnisse dieser unsichtbaren Substanz zu lüften, die das Universum zu zerreißen scheint. Doch sie wissen immer noch so gut wie nichts über sie. Tatsächlich ist Dunkle Energie möglicherweise gar keine Substanz. Sie könnte eine Kraft oder sogar eine inhärente Eigenschaft des Weltraums selbst sein, berichtet Space.com.
Sollte dieses vorläufige Ergebnis durch zukünftige Beobachtungen bestätigt werden, müssen Kosmologen zumindest die systematischen Unsicherheiten des vorherrschenden Lambda-CDM-Modells (LCDM) untersuchen – einem mathematischen Modell des Universums, in dem Lambda die Dunkle Energie darstellt. Sie müssen möglicherweise auch Dutzende anderer Modelle unseres Universums analysieren, um das beste Modell zu finden. Derzeit sind die Daten vorläufig – sie erreichen nicht die sogenannte „5-Sigma-Schwelle“, ab der ein Signal als offizielle Entdeckung gelten kann. Daher könnten sich die Interpretationen der Entwicklung der Dunklen Energie in den nächsten Jahren ändern, wenn neue Daten verfügbar werden.
„Wenn das stimmt, stellt es die Kosmologie auf den Kopf“, sagte Dillon Brout von der Boston University, der die Beschleunigung des Universums mithilfe von Supernovas misst. Eine solche Entdeckung wäre „ein Paradigmenwechsel in unserem Verständnis dessen, was unser bestes Verständnis des Universums ist.“
Ein Fragment der DESI-Daten zeigt Himmelskörper von der Erde (Mitte) bis in Milliarden Lichtjahre Entfernung. DESI Collaboration/DOE/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/C.Lamman
Das Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), das am Nicholas W. Mayall Four-Meter Telescope des Kitt Peak National Observatory in Arizona montiert ist, ortet jeden Monat eine Million Galaxien. Mithilfe dieser Beobachtungen können Kosmologen die Expansionsrate des Universums in den letzten elf Milliarden Jahren messen. Diese fernen Galaxien, die mit den „Straßenlaternen des Universums“ verglichen werden, helfen Kosmologen, das Geheimnis der dunklen Energie zu erforschen, die das Universum durchdringt.
Am 4. April 2024 präsentierte DESI die größte 3D-Karte des Universums aller Zeiten. Sie enthält auch hochpräzise Messungen der Expansionsrate des Universums in den letzten 11 Milliarden Jahren. Bereits im ersten Betriebsjahr zeigte DESI eine doppelt so hohe Effizienz bei der Messung der Expansionsgeschichte des frühen Universums wie sein Vorgänger, der Sloan Digital Sky Survey, der mehr als ein Jahrzehnt für die Erstellung einer ähnlichen 3D-Karte benötigte.
Neben den unzähligen Galaxien, die wie gewebte Fäden aneinandergereiht sind, enthüllt die neue 3D-DESI-Karte ein subtiles Muster im frühen Universum, die sogenannten baryonischen akustischen Oszillationen (BAOs). Diese subtilen dreidimensionalen Falten durchzogen die Materie der ersten 380.000 Jahre der Geschichte unseres Universums und verfestigten sich im Laufe der Zeit zu Relikten des frühen Kosmos. Durch die Kartierung der Größe dieser gefrorenen BAOs konnten die Forscher die Entfernungen zu den Galaxien abschätzen und die Expansionsrate des Universums zu verschiedenen Zeitpunkten ableiten.
Da das Licht typischer Galaxien aufgrund ihrer großen Entfernung und ihrer relativ geringen Emission zu schwach ist, um sichtbar zu sein, untersuchte die DESI-Kollaboration auch über 400.000 extrem helle Objekte, sogenannte Quasare. Auf ihrem Weg durch den interstellaren Raum wird das Licht dieser Objekte von Gas- und Staubwolken absorbiert. Dies hilft Kosmologen, Regionen dichter Materie ähnlich wie Galaxien zu kartieren.
Die vorläufige Schlussfolgerung, dass sich Dunkle Energie im Laufe der Zeit entwickeln könnte, wurde auf Grundlage einer frühen Analyse der DESI-Daten in Kombination mit Daten aus anderen kosmologischen Quellen gezogen. Die Forscher stellten fest, dass das Modell der Entwicklung Dunkler Energie besser zu den Daten passt als das Standardmodell. Es ist zu beachten, dass kein einzelner Datensatz für sich genommen die evolutionäre Natur der Dunklen Energie überzeugend aufzeigt, das Signal jedoch etwas stärker wird, wenn alle Datensätze kombiniert werden.
„Meiner Meinung nach ist die Präferenz nicht stark genug, um das Lambda-CDM-Modell als falsch zu bezeichnen“, sagte Kyle Dawson, Co-Vorsitzender des DESI an der University of Utah, gegenüber Space.com. „Tatsächlich haben wir bisher noch nie nennenswerte Abweichungen von diesem Modell gesehen.“
Dawson sagte jedoch, vorläufige Analysen deuteten darauf hin, dass die Rolle der Dunklen Energie, die bisher ein starker Faktor bei der Beschleunigung unseres Universums war, zunehmend abnimmt.
„Wenn das stimmt, betreten wir Neuland“, sagte Brout. Die DESI-Kollaboration verwendete das zweiteinfachste Modell unseres Universums nach Lambda CDM, das unauffällig ist, abgesehen von seiner Fähigkeit, Kosmologen dabei zu helfen, Abweichungen vom Standardmodell zu erkennen. Sollten zukünftige Beobachtungen tatsächlich zeigen, dass sich die Dunkle Energie im Laufe der Zeit entwickelt, werden Dutzende weiterer Modelle ebenfalls praktikabel, und Kosmologen müssen jedes einzeln testen, sagte Brout.
Beweise für die Rotation des Universums lieferte kürzlich das James Webb Space Telescope (JWST). Es stellte fest, dass zwei Drittel aller Galaxien in die gleiche Richtung rotieren. Dies deutet darauf hin, dass es keinen Zufall gibt und dass es eine bevorzugte Richtung der kosmischen Rotation gibt.
Das Universum scheint sich zu drehen, und wenn das so ist, könnte dies tiefgreifende Auswirkungen auf einige der größten Fragen der Wissenschaft haben, darunter auch die oben aufgeführten, so der polnische theoretische Physiker Nikodem Poplawski von der University of New Haven, der für seine Theorie bekannt ist, dass Schwarze Löcher als Portale zu anderen Universen dienen.
„Dunkle Energie ist eines der faszinierendsten Mysterien des Universums. Viele Forscher haben versucht, sie zu erklären, indem sie die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie modifizierten oder neue Felder vorschlugen, die die Expansion des Universums beschleunigen könnten“, sagte Poplawski gegenüber Space.com. „Es wäre überraschend, wenn die einfache Rotation des Universums die Quelle der Dunklen Energie wäre, zumal sie ihren Zerfall vorhersagt.“
Darüber hinaus stellte Poplawski fest, dass andere astronomische Daten darauf hindeuten, dass der Winkel zwischen der wahrscheinlichsten Rotationsachse von Galaxien und der Achse des Hauptstroms nahegelegener Galaxienhaufen 98 Grad beträgt, was bedeutet, dass sie fast senkrecht zueinander stehen. Dies steht im Einklang mit der Hypothese, dass sich das Universum dreht.
Um zu verstehen, warum ein rotierendes Universum die Existenz mehrerer Universen impliziert, greift Poplavsky auf „Bezugssysteme“ zurück. Dabei handelt es sich um Koordinatensysteme, die ein wesentlicher Bestandteil der Physik sind und die es uns ermöglichen, Bewegung und Ruhe zu messen.
Stellen Sie sich zwei Wissenschaftlerinnen vor, Terra und Stella. Beide befinden sich in einem anderen Bezugssystem, doch Terra befindet sich auf der Erde und Stella fliegt in einem Raumschiff an unserem Planeten vorbei. Terra sieht Stellas Bezugssystem (das Raumschiff) sich relativ zu ihrem eigenen (der Erde) bewegen, die sich im Ruhezustand befindet. Stella sieht ihr Bezugssystem als ruhend, während sich Terras Bezugssystem bewegt, während sich die Erde von ihr entfernt.
Die Ausdehnung des Universums durch dunkle Energie, wobei sich Galaxien wie Punkte auf der Oberfläche eines sich aufblasenden Ballons ausdehnen. Robert Lee
Poplavsky stellte fest, dass, wenn sich das Universum dreht, sich auch sein Bezugssystem dreht, und dies ergibt nur dann Sinn, wenn es sich relativ zu mindestens einem anderen Bezugssystem dreht.
„Wenn sich das Universum dreht, muss es sich relativ zu einem Bezugssystem drehen, das etwas Größerem entspricht“, fuhr er fort. „Daher ist das Universum nicht einzigartig; es ist Teil eines Multiversums.“
Laut Poplavsky ist die Kosmologie der Schwarzen Löcher die einfachste und natürlichste Erklärung für den Ursprung der Rotation des Universums.
Die Kosmologie der Schwarzen Löcher geht davon aus, dass jedes Schwarze Loch jenseits seines Ereignishorizonts ein neues Tochteruniversum schafft, eine einseitige Oberfläche, die Licht einfängt und die äußere Grenze des Schwarzen Lochs definiert.
Die Theorie ersetzt die zentrale Singularität im Herzen des Schwarzen Lochs durch eine „Verdrehung der Raumzeit“, die eine abstoßende Schwerkraft erzeugt und die Expansion des neuen Universums vorantreibt.
„Da alle Schwarzen Löcher aus rotierenden Objekten wie rotierenden Sternen oder den Zentren rotierender Galaxien entstehen, rotieren sie ebenfalls“, sagte Poplawski. „Ein Universum, das in einem rotierenden Schwarzen Loch entsteht, erbt die Rotationsachse des Schwarzen Lochs als seine bevorzugte Achse.“
Die Zeitlinie des Universums und seiner Expansion begann in einem Schwarzen Loch. NASA/WMAP
Mit anderen Worten: Unser Universum kann sich in eine bevorzugte Richtung drehen, weil dies die Richtung ist, in der sich das Schwarze Loch dreht, in dem es eingeschlossen ist.
„Das Schwarze Loch wird zu einer Einstein-Rosen-Brücke oder einem Wurmloch vom Mutteruniversum zum Tochteruniversum“, erklärte Poplawski. „Beobachter im neuen Universum werden die andere Seite des Mutter-Schwarzen Lochs als ursprüngliches Weißes Loch wahrnehmen.“
Anstatt der Entdeckung eines ursprünglichen weißen Lochs in unserem Universum, das zu unserem Mutter-Schwarzen Loch und Ur-Universum führt, ist der stärkste Beweis für diese Schwarze-Loch-Kosmologie die bevorzugte Richtung oder „Rotationsasymmetrie“ in unserem Universum. Dies zeigt sich in der Rotationsasymmetrie von Galaxien.
„Die Bewegung einzelner Galaxien in diesem jungen Universum hängt von der Rotation ab“, sagte Poplawski. „Galaxien neigen dazu, ihre Rotationsachsen an der bevorzugten Rotationsachse des Universums auszurichten, was zu der beobachteten Rotationsasymmetrie führt.“
Astronomen beginnen dies bereits zu bemerken.
Dies bedeutet natürlich, dass jedes Schwarze Loch in unserem Universum ein Portal zu einem anderen jungen Kosmos ist. Diese jungen Universen sind durch den Ereignishorizont ihrer Mutter-Schwarzen Löcher vor der Erforschung geschützt, da er jegliches Signal aus dem Inneren des Schwarzen Lochs verhindert.
Ebenso wäre es für einen angehenden „Multinauten“ unmöglich, durch dieses kosmische Portal zu reisen, da die enorme Schwerkraft, die das Schwarze Loch umgibt, Gezeitenkräfte hervorrufen würde, die einen solch mutigen Entdecker „spaghettifizieren“ könnten.
Selbst wenn ein solcher Multinaut die Reise überlebte, so wie nichts ein schwarzes Loch verlassen kann, kann nichts in ein weißes Loch eindringen, was bedeutet, dass er keine Möglichkeit hätte, zurückzukehren oder Bericht zu erstatten!
Schlimmer noch ist jedoch, dass es keine Garantie dafür gibt, dass die physikalischen Gesetze im Tochteruniversum dieselben sind wie im Mutteruniversum. Das bedeutet für jeden mutigen Multinauten, der das Schwarze Loch umschiffen kann, ein unvorhersehbares Schicksal und möglicherweise einen schmerzhaften Tod.
Bevor wir uns jedoch in die Erforschung anderer Universen stürzen, müssen wir zunächst die Geheimnisse unseres eigenen Universums ergründen. Und vor allem die geheimnisvolle Kraft der dunklen Energie.
Dunkle Energie ist die gebräuchliche Bezeichnung für jede Kraft, die eine beschleunigte Ausdehnung des Universums bewirkt. Derzeit dominiert die Dunkle Energie das Universum und macht 68% der gesamten kosmischen Materie-Energie aus. Dies war jedoch nicht immer so.
In der frühesten Epoche des Universums wurde es von der Energie des Urknalls dominiert, was zu seiner Inflation führte. Als das Universum in die Epoche der von Materie dominierten, angetrieben durch die Schwerkraft, verlangsamte sich diese Inflation bis fast zum Stillstand. Das hätte das Ende des Kosmos sein sollen, doch etwa 9 bis 10 Milliarden Jahre nach dem Urknall begann das Universum erneut zu expandieren, und diese Expansion beschleunigte sich, was zur Epoche der dunklen Energie führte.
Um zu verstehen, warum dies ein so beunruhigendes Rätsel ist, stellen Sie sich vor, Sie geben einem Kind auf einer Schaukel einen sanften Schubs und beobachten, wie seine Schaukel stoppt und dann ohne ersichtlichen Grund wieder anfängt zu schaukeln, wobei die Schaukel immer schneller wird.
Als ob die Dunkle Energie nicht schon merkwürdig genug wäre, haben jüngste Ergebnisse des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) gezeigt, dass diese mysteriöse Kraft schwächer wird. Dies scheint dem Standardmodell der Kosmologie, dem Lambda-Kalte-Dunkle-Materie-Modell (LCDM), zu widersprechen, das davon ausgeht, dass die Dunkle Energie (dargestellt durch die kosmologische Konstante Lambda) konstant ist.
Die Abbildung zeigt Materie, die in ein Schwarzes Loch fließt, die Einstein-Rosen-Brücke überquert und aus einem Weißen Loch wieder austritt. Aber entsteht sie in einem neuen, entstehenden Universum? Robert Lee
Poplawski schlägt jedoch vor, dass ein rotierendes Universum sowohl die dunkle Energie als auch ihre Schwächung erklären könnte.
„Dunkle Energie entsteht durch die Zentrifugalkraft in einem rotierenden Universum im großen Maßstab“, erklärte der theoretische Physiker. „Wäre das Universum flach, würde die Zentrifugalkraft nur in Richtungen senkrecht zur gewählten Achse wirken.“
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Da das durch das Schwarze Loch geschaffene Universum jedoch in Poplavskys kosmologischer Theorie geschlossen ist, führt jede Bewegung in jede Richtung letztendlich zur Rückkehr aus der entgegengesetzten Richtung.
Dies würde bedeuten, dass die im rotierenden Universum entstehende Zentrifugalkraft zu einer Kraft wird, die vom ursprünglichen weißen Loch, dem Mutteruniversum, in alle Richtungen wirkt.
„Die Stärke dieser Kraft ist proportional zum Quadrat der Winkelgeschwindigkeit des Universums und der Entfernung zum Weißen Loch“, sagte Poplavsky. „Diese Beziehung nimmt die Form einer Kraft an, die von der dunklen Energie auf die Galaxie ausgeübt wird und proportional zur kosmologischen Konstante und der Entfernung zum Weißen Loch ist. Daher ist die kosmologische Konstante proportional zum Quadrat der Winkelgeschwindigkeit des Universums.“
Eine Illustration unseres rotierenden Universums als Teil eines größeren Multiversums. Robert Lee
Doch wie lässt sich dies erklären, dass die DESI-Beobachtungen auf eine Schwächung der Dunklen Energie hindeuten?
„Da der Drehimpuls des Universums erhalten bleibt, nimmt er mit der Ausdehnung des Universums ab“, sagte Poplawski. „Daher sollte auch die kosmologische Konstante, die die einfachste Erklärung für die Dunkle Energie darstellt, mit der Zeit abnehmen. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit den jüngsten DESI-Beobachtungen.“
Um Poplavskys Theorie weiter zu bestätigen, sind zusätzliche Daten über den Fluss von Galaxienhaufen und die Asymmetrie der Rotationsachsen von Galaxien erforderlich. Dies wird dazu beitragen, die Rotation unseres Universums weiter zu bestätigen.
Darüber hinaus könnten zusätzliche Daten zur Abhängigkeit der Dunklen Energie von kosmischen Entfernungen und dem Zeitablauf in unserem 13,7 Milliarden Jahre alten Kosmos dazu beitragen, zu bestätigen, ob die Schwächung der Dunklen Energie mit der abnehmenden Winkelgeschwindigkeit des Universums zusammenhängt.
„Der nächste Schritt zur Weiterentwicklung dieser Ideen besteht darin, eine Gleichung zu bestimmen, die die Abnahme der kosmologischen Konstante beschreibt, die durch die Winkelgeschwindigkeit des Universums im Laufe der Zeit entsteht, und diese theoretische Vorhersage mit der beobachteten Abnahme der Dunklen Energie zu vergleichen“, schloss Poplavsky. „Diese Forschung könnte die Suche nach einer Metrik beinhalten, die ein expandierendes und rotierendes Universum beschreibt.“
Eine neue Theorie besagt, dass Dunkle Materie das Universum geformt hat. Dunkle Materie soll „schwach“ mit dem sichtbaren Universum interagieren, aber war das schon immer so? Physiker haben das Inflaton modelliert – einen theoretischen Raum, den Wissenschaftler zur Untersuchung der Zeit unmittelbar nach dem Urknall nutzen – um diese Wechselwirkungen zu untersuchen. Es ist möglich, dass Dunkle Materie in dieser Zeit gleichmäßiger mit dem Rest des Universums interagierte als sichtbare Materie.
In einer von Experten begutachteten Studie kam ein Wissenschaftlerteam der Northeastern University zu dem Schluss, dass Dunkle Materie bei der Entstehung unseres sichtbaren Universums eine viel größere Rolle gespielt haben könnte als bisher angenommen. Das ist eine gewagte Behauptung – Physiker betrachteten Dunkle Materie bislang weitgehend als einen unerklärlichen, relativ stabilen Teil der Gleichung und nicht als einen aktiven Teilnehmer an der Gestaltung unseres sichtbaren Universums. Während sich Wissenschaftler im Allgemeinen einig sind, dass Dunkle Materie nur sehr, sehr schwach mit dem sichtbaren Universum verbunden ist, fragten sich diese Forscher: Gibt es einen Ort, an dem beide gleichberechtigt sind?
Es ist intuitiv verständlich, dass dunkle Materie (die 95 % des modernen Universums ausmacht) beim Urknall, der Entstehung unseres Kosmos, eine Rolle gespielt haben muss. Doch es ist äußerst schwierig, diese Annahme mit Beweisen zu untermauern. In manchen Mathematik- und Programmierkursen werden sogenannte „Black-Box-Funktionen“ gelehrt: Man gibt einen Wert ein und schaut, was herauskommt, aber man sieht nie wirklich, welcher Prozess dazwischen abläuft und zu diesem Ergebnis führt. Der Urknall könnte die ultimative Black-Box-Funktion sein, und Wissenschaftler versuchen, sie mithilfe immer besserer Hypothesen zu rekonstruieren.
Der Urknall. Flavio Coelho
Für ihre Arbeit mussten Doktorand Jinzheng Li und Professor Pran Nath sowohl den Urknall als auch eine Reihe von Wechselwirkungen simulieren, um die Rolle der Dunklen Materie zu rekonstruieren. Sie überprüften die Annahme, dass der dunkle und der sichtbare Sektor enger miteinander verbunden sind als angenommen – dass also eine stärkere Kopplung zwischen Dunkler und Normaler Materie bestehen könnte als erwartet. In der Physik liegt eine Kopplung vor, wenn zwei Teilchen beliebiger Art durch eine der vier Grundkräfte gebunden sind: Gravitation, Elektromagnetismus, schwache Wechselwirkung oder starke Wechselwirkung. Fügt man Dunkle Materie und Dunkle Energie hinzu, entstehen zudem „schwache“ Wechselwirkungen, die deutlich schwächer sind als, nun ja, schwach.
Die Arbeit mit schwachen Wechselwirkungen ermöglicht es Wissenschaftlern, andere Modelle als das Standardmodell zur Erklärung des Universums zu verwenden. Es ist, als würde man 0,0001 einsetzen, um eine Division durch Null zu vermeiden. Und wenn die gesamte Dunkle Materie nur schwach an das sichtbare Universum gekoppelt wäre, würde dies die Annahme stützen, dass das sichtbare Universum einen enormen Einfluss auf die Physik hat. Wir könnten das Standardmodell weiterhin verwenden, ohne dass es zu besonders besorgniserregenden Abweichungen von der mathematischen Harmonie käme, sobald der Einfluss der Dunklen Materie effektiv auf Null reduziert wäre.
Doch was wäre, wenn dies nicht immer der Fall wäre? Was wäre, wenn im vielleicht entscheidenden Moment dunkle und sichtbare Materie „demokratischer“ miteinander verknüpft wären – eng genug, dass beide Seiten einen ausgewogeneren Einfluss auf das Geschehen im Universum hätten?
Um dies herauszufinden, erforschte das Team einen theoretischen Raum namens „Inflaton“, den Wissenschaftler nutzen, um die unfassbar schnelle Expansion (oder „Inflation“) des frühen Universums zu verstehen und zu modellieren. Wenn wir nicht mehr davon ausgehen, dass die Dunkle Materie im Inflaton nur schwach gekoppelt war, kommt plötzlich ein ganz neuer Parameter ins Spiel. „Der verborgene Sektor und die sichtbaren Sektoren könnten sich demokratisch an das Inflaton koppeln“, schrieb das Team. „In diesem Fall würden sich der verborgene Sektor und die sichtbaren Sektoren am Ende der Wiedererwärmung“ oder am Ende des Inflatons im thermischen Gleichgewicht befinden.
Obwohl diese Idee möglicherweise im Widerspruch zum Standardmodell steht, erklären die Forscher, dass sie gerade deshalb für Wissenschaftler von Interesse sein sollte. „Die Analyse legt nahe, dass die Einbeziehung verborgener Sektoren, die in verschiedenen Modellen der Teilchenphysik jenseits des Standardmodells vorkommen, und damit ihre Einbeziehung Auswirkungen auf die genaue Beschreibung physikalischer Phänomene haben wird“, schlussfolgern sie.
Siehe auch... Vollständige Liste der HTML/Javascript-Ereignishandler mit Beispielen Liste der erforderlichen Dokumente für eine Website in der Russischen Föderation |
