Neue Beobachtungen zeigen, dass sich das Universum möglicherweise nicht in alle Richtungen gleich schnell ausdehnt
Wenn wir die Welt um uns herum betrachten, sehen wir Muster. Die Sonne geht auf und unter. Die Jahreszeiten durchlaufen das Jahr. Die Sternbilder ziehen über den Nachthimmel. Während wir diese Muster studiert haben, haben wir wissenschaftliche Gesetze und Theorien entwickelt, die uns helfen, den Kosmos zu verstehen. Obwohl unsere Theorien mächtig sind, wurzeln sie immer noch in einigen grundlegenden Annahmen. Eine davon ist, dass die Physikalische Gesetze sind überall gleich. Dies ist als kosmische Isotropie bekannt und ermöglicht es uns, das, was wir im Labor sehen, mit dem zu vergleichen, was wir Lichtjahre entfernt sehen.
Beobachtungen von Quasaren zeigen eine konstante Lichtgeschwindigkeit. Bildnachweis: C. Berengut
Obwohl Isotropie eine allgemeine Annahme ist, bedeutet das nicht, dass wir diese Annahme nicht testen können. Als wir Raumsonden durch unser Sonnensystem geschickt haben, haben wir festgestellt, dass die Gesetze der Schwerkraft und des Elektromagnetismus auf fernen Planeten genau so funktionieren wie auf der Erde. Wenn wir entfernte Galaxien beobachten, sehen wir das gleiche Verhalten. Das haben wir sogar gezeigt physikalische Konstanten wie die Lichtgeschwindigkeit sind gleich. Isotropie ist eine gute Arbeitsannahme.
Aber wir könnten uns immer noch irren, wie eine kürzlich durchgeführte Studie entfernter Galaxienhaufen nahelegt.
Die Studie untersucht entfernte Galaxienhaufen. Wenn wir uns diese Cluster ansehen, stellen wir fest, dass sie sich von uns entfernen. Je weiter die Galaxie entfernt ist, desto schneller scheint sie sich zu bewegen. Dies gilt für Galaxienhaufen in jede Richtung, in die wir blicken. Dies steht im Einklang mit einer kosmischen Expansion, die von dunkler Energie angetrieben wird.
Dunkle Energie ist noch mysteriöser als dunkle Materie, daher sind wir uns nicht sicher, was es ist. Die beliebteste Idee ist, dass dunkle Energie eine inhärente Eigenschaft der Raumzeit ist. Innerhalb der Allgemeinen Relativitätstheorie kann der Raumzeit eine kosmologische Konstante gegeben werden, die bewirkt, dass sich der Raum mit der Zeit ausdehnt. Die Idee wurde zuerst von Einstein vorgeschlagen, um zu verhindern, dass das Universum unter seiner eigenen Schwerkraft zusammenbricht, und verwarf die Idee später. Aber es wurde wiederbelebt, als sich das Universum ausdehnte.
Die Helligkeit von Röntgenclustern hängt davon ab, wo Sie hinschauen. Bildnachweis: NASA/CXC/Univ. von Bonn/K. Migkaset al.
Die kosmologische Konstante ist beliebt, weil sie nicht erfordert, dass irgendwelche unentdeckten exotischen Dinge über den Kosmos verstreut werden. Es unterstützt auch die kosmische Isotropie. Wenn dunkle Energie durch eine kosmologische Konstante verursacht wird und die Materie im Universum ziemlich gleichmäßig verteilt ist (was es zu sein scheint), dann sollten wir sehen, wie sich das Universum in alle Richtungen gleich ausdehnt. Anders ausgedrückt sollte der Hubble-Parameter (die von uns gemessene Expansionsrate) isotrop sein. Frühere Studien zur kosmischen Expansion haben dies unterstützt, weshalb es oft als bezeichnet wird Hubble-Konstante.
Diese neue Studie untersuchte die kosmische Expansion durch die Beobachtung von heißem Gas in Galaxienhaufen. Dieses Gas emittiert starke Röntgenstrahlen, und durch Beobachtung des Spektrums dieser Röntgenstrahlen konnte das Team die Temperatur des Gases berechnen. Je höher die Temperatur, desto heller das Gas. Durch Messung der Gastemperatur konnte das Team bestimmen, wie viel Röntgenlicht es aussendet. Dies gilt unabhängig davon, wie sich das Universum ausdehnt.
Die kosmische Ausdehnung variiert am Himmel. Bildnachweis: Migkas, K., et al
Aber dann verglich das Team die tatsächliche Helligkeit des Gases in diesen Galaxienhaufen mit ihrer scheinbaren Helligkeit. Daraus konnten sie die Hubble-Konstante in Richtung des Galaxienhaufens messen. Sie taten dies mit Hunderten von Clustern am ganzen Himmel, und das Ergebnis, das sie erhielten, hängte davon ab, aus welcher Richtung sie schauten. Basierend auf dieser Forschung ist das Universum nicht isotrop. Wenn dies zutrifft, müssen wir uns ernsthaft mit den Grundannahmen der Kosmologie befassen.
Es gibt mehrere Gründe, bei diesem Ergebnis vorsichtig zu sein. Wenn dieses nicht-isotrope Verhalten im gesamten Universum anhält, sollte seine Wirkung zunächst im kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) gesehen werden. Da der CMB diesen Effekt nicht zeigt, könnte dies eine lokale Eigenschaft sein. Lokal beträgt in diesem Fall etwa 5 Milliarden Lichtjahre. Es können auch Probleme mit der Kalibrierung der Daten auftreten, die gelöst werden müssen.
Es ist ein vorläufiges Ergebnis, aber andere Forschungen haben auf eine ähnliche Nicht-Isotropie im gesamten Kosmos hingewiesen. Dies ist definitiv etwas, das wir weiter untersuchen möchten.
Referenz:Migkas, K., et al. “ Untersuchung der kosmischen Isotropie mit einer neuen Röntgen-Galaxienhaufen-Probe durch das Lx? T-Skalierungsbeziehung. 'Astronomie & Astrophysik636, A15 (2020).