Am 30. Juni 1905 begann Albert Einstein eine Revolution mit der Veröffentlichung der Theorie der Spezielle Relativität . Diese Theorie besagt unter anderem, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum für alle Beobachter gleich ist, unabhängig von der Quelle. 1915 folgte er mit der Veröffentlichung seiner Allgemeinen Relativitätstheorie, die behauptete, dass die Schwerkraft einen verzerrenden Effekt auf die Raumzeit hat. Seit über einem Jahrhundert sind diese Theorien ein wesentliches Instrument der Astrophysik, um das Verhalten des Universums im großen Maßstab zu erklären.
Seit den 1990er Jahren wissen Astronomen jedoch, dass sich das Universum mit beschleunigter Geschwindigkeit ausdehnt. Um die dahinterstehende Mechanik zu erklären, reichten die Vorschläge von der möglichen Existenz einer unsichtbaren Energie (d.h. Dunkle Energie ) auf die Möglichkeit, dass Einsteins Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie könnte zusammenbrechen . Aber dank der jüngsten Arbeit eines internationalen Forscherteams ist jetzt bekannt, dass Einstein die ganze Zeit Recht hatte.
Mit dem Fiber Multi-Object Spectrograph (FMOS) am Subaru-Teleskop hat das Team – das von Forschern des japanischen Institut für Physik und Mathematik des Universums (Kavli IMPU) und der Universität Tokio – erstellten die bisher tiefste 3D-Karte des Universums. Alles in allem enthält diese Karte etwa 3.000 Galaxien und umfasst ein Raumvolumen von 13 Milliarden Lichtjahren.
Experimentelle Ergebnisse zur Ausdehnung des Universums im Vergleich zu der von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagten in Grün. Quelle: Kavli IPMU/Okumura et al.
Um Einsteins Theorie zu testen, nutzte das Team – das von Dr. Teppei Okumura, einem Kavli IPMU-Projektforscher, geleitet wurde – Informationen des FastSound-Projekt in den letzten Jahren. Als Teil ihrer Bemühungen, die Ursprünge der kosmischen Beschleunigung zu ermitteln, stützt sich dieses Projekt auf Daten, die vom Subaru-Teleskop gesammelt wurden, um eine Durchmusterung zu erstellen, die die Rotverschiebung von Galaxien überwacht.
Aus den Beobachtungen von 40 Nächten (zwischen 2012 und 2014) konnte der FastSound Survey die Geschwindigkeiten und Anhäufungen von mehr als 3.000 entfernten Galaxien bestimmen. Okumura und sein Team maßen ihre Rotverschiebungs-Raumverzerrungen, um zu sehen, wie schnell sie sich bewegten, und konnten die Ausdehnung dieser Galaxien auf eine Entfernung von 13 Milliarden Lichtjahren verfolgen.
Dies war eine historische Leistung, da frühere 3D-Modelle des Universums nicht mehr als 10 Milliarden Lichtjahre erreichen konnten. Aber dank des FMOS am Subaru-Teleskop, das 12,4 bis 14,7 Milliarden Lichtjahre entfernte Galaxien analysieren kann, konnte das Team diesen Rekord brechen. Anschließend verglichen sie die Ergebnisse mit der von Einsteins Theorie vorhergesagten Art der Expansion, insbesondere mit der Einbeziehung seiner kosmologischen Konstanten.
Die kosmologische Konstante wurde ursprünglich 1917 von Einstein als Ergänzung zu seiner Allgemeinen Relativitätstheorie eingeführt und war im Grunde eine Möglichkeit, die Schwerkraft zurückzuhalten und ein statisches Universum zu erreichen. Und während Einstein diese Theorie aufgab, als Edwin Hubble entdeckte, dass sich das Universum ausdehnt, ist sie seitdem zu einem akzeptierten Teil des Standardmodells der modernen Kosmologie (bekannt als das Lambda-CDM Modell).
Das Forscherteam fand heraus, dass selbst in einer Entfernung von 13 Milliarden Lichtjahren im Universum die Regeln der Allgemeinen Relativitätstheorie noch gültig sind. „Wir haben die Allgemeine Relativitätstheorie weiter getestet als irgendjemand sonst“, sagte Dr. Okumura. 'Es ist ein Privileg, unsere Ergebnisse 100 Jahre nachdem Einstein seine Theorie vorgeschlagen hat, veröffentlichen zu können.'
Diese Ergebnisse haben dazu beigetragen, etwas zu lösen, über das Astronomen seit Jahrzehnten rätseln, nämlich ob Einsteins kosmologische Konstante mit einem expandierenden Universum vereinbar ist oder nicht. Und während verschiedene Experimente bestätigt haben, dass die Allgemeine Relativitätstheorie mit Beobachtungsdaten übereinstimmt, waren sie in der Vergangenheit etwas eingeschränkt.
Zum Beispiel die Pfund-Rebka-Experiment , das 1960 stattfand, war die erste Bestätigung von Einsteins Theorie. Dieses Experiment und die vielen, die in den folgenden Jahrzehnten folgten, waren jedoch entweder indirekt oder auf das Sonnensystem beschränkt. EIN Experiment 2010 durchgeführt von Forschern der Princeton University bestätigte die Allgemeine Relativitätstheorie auf eine Entfernung von 7 Milliarden Lichtjahren.
Aber mit diesem Experiment wurde die Allgemeine Relativitätstheorie auf eine Entfernung von 13 Milliarden Lichtjahren bestätigt, was den größten Teil des Universums ausmacht, das wir sehen können (das sind 13,8 Milliarden Lichtjahre). Es scheint, dass Einsteins Theorien auch ein Jahrhundert später immer noch Bestand haben. Und wenn man bedenkt, dass er einmal behauptete, die kosmologische Konstante sei der „größte Fehler“ seiner wissenschaftlichen Karriere!
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