Im Standardmodell der Kosmologie erfüllt dunkle Energie das Universum. Es bewirkt, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt und es macht mehr als 70 % des Kosmos aus. Aber es gibt ein Problem. Wenn wir die Geschwindigkeit der kosmischen Expansion auf unterschiedliche Weise messen, erhalten wir Ergebnisse, die miteinander nicht übereinstimmen.
Hubble-Weltraumteleskop-Aufnahme der Supernova 1994D in der Galaxie NGC 4526. Bildnachweis: NASA/ESA, The Hubble Key Project Team and The High-Z Supernova Search Team
Es gibt mehrere Möglichkeiten, die kosmische Expansion zu messen. Eine ist die Messung der Relative Bewegung entfernter Galaxien. Dies geschieht durch Betrachten des Lichts von Supernovae innerhalb dieser Galaxien. Supernovae vom Typ Ia haben eine ziemlich einheitliche Standardhelligkeit, sodass wir durch die Messung ihrer beobachteten Helligkeit die Entfernung ihrer Heimatgalaxie kennen. Dies kann mit der beobachteten Rotverschiebung der Galaxie verglichen werden, um den Hubble-Parameter zu bestimmen. Es ist diese Methode, die zuerst entdeckte, dass sich die kosmische Expansion beschleunigte.
Ein Abschnitt von CMB-Fluktuationen, der von der Raumsonde Planck aufgenommen wurde. Quelle: ESA und die Planck-Kollaboration
Eine andere Methode besteht darin, den kosmischen Mikrowellenhintergrund zu betrachten. Während dieses schwache Nachglühen des Urknalls eine fast gleichmäßige Temperatur von etwa 3 K hat, gibt es kleine Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Himmelsregionen. Das Ausmaß dieser Fluktuationen hängt von der Geschwindigkeit der kosmischen Expansion ab. Sorgfältige Beobachtungen von der Planck-Raumsonde haben uns ein gutes Maß für die Hubble-Konstante gegeben. Und dies ist völlig unabhängig vom Supernova-Maß. Im Prinzip sollten diese beiden Ergebnisse übereinstimmen, aber sie tun es nicht.
Die Planck-Ergebnisse ergeben einen Hubble-Parameter von etwa 67 – 68 (km/s)/Mpc, während Supernova-Beobachtungen einen Wert von etwa 71 – 75 (km/s)/Mpc ergeben. Früher war die Unsicherheit dieser Maßnahmen groß genug, dass sie sich überschnitten, aber jetzt sind sie so präzise, dass sie völlig anderer Meinung sind. Das bedeutet nicht, dass die Dunkle Energie falsch ist, aber es bedeutet, dass es Dinge gibt, die wir darüber nicht verstehen.
Eine der Schwierigkeiten bei diesen Ergebnissen besteht darin, dass sie modellabhängig sind. Jeder hängt von bestimmten Annahmen über das Universum ab. Eine davon ist, dass das Universum räumlich flach ist. Mit anderen Worten, das Licht, das wir von fernen Galaxien sehen, hat sich im Wesentlichen geradlinig ausgebreitet. Es wird nicht durch eine allgemeine kosmische Krümmung des Weltraums verformt. Aber es gibt einige Hinweise in den Planck-Daten, dass der Weltraum eine kleine Gesamtkrümmung haben könnte. Dies würde helfen, den Unterschied in den Ergebnissen zu erklären.
Die Werte der dunklen Energie konvergieren. Credit: Jeremy Tinker und die SDSS-III-Kollaboration
Um das Problem zu lösen, haben Astronomen nach anderen Möglichkeiten gesucht, die kosmische Expansion zu messen. Eine Möglichkeit besteht darin, zu messen, wie sich Galaxien in großen Maßstäben anhäufen. Galaxienhaufen haben sich aufgrund kleiner Schwankungen in der Dichte des frühen Universums gebildet, die als bekannt sind Baryonische akustische Schwingungen (BAO). Während die Schwerkraft versucht, Galaxien näher zusammenzuziehen, versucht dunkle Energie, sie auseinander zu treiben. Als Ergebnis haben sich Galaxien zu dichten Superhaufen gebildet, die durch große Hohlräume getrennt sind. Die Größe dieser Hohlräume ermöglicht es uns, den Hubble-Parameter zu messen.
Vor kurzem hat ein Team die umfassendste Messung der Galaxienhaufen durchgeführt. Sie fanden einige interessante Dinge. Da die Struktur der Hohlräume sowohl von der dunklen Energie als auch von der Gesamtform des Raums abhängt, bestätigte das Team zunächst, dass das Universum räumlich flach ist. Die kosmische Krümmung kann die unterschiedlichen Werte nicht erklären. Für den Hubble-Parameter erhielten sie ein Ergebnis von etwa 70 – 74 (km/s)/Mpc, was mit dem größeren Supernova-Ergebnis übereinstimmt. Ihre Beobachtungen konzentrierten sich jedoch hauptsächlich auf Galaxien mit einer Rotverschiebung von z< 2, or within about 9 billion light-years. When the team added data from more distant galaxies, their result shifted to 68 – 70 (km/s)/Mpc, which better agrees with the Plank result.
Das Ergebnis von all dem ist, dass das Universum flach ist, dunkle Energie sehr real ist und es eine Seltsamkeit daran gibt, die wir immer noch nicht verstehen.
Referenz:Seshadri Nadathur et al. “ Testen der kosmischen Beschleunigung mit niedriger Rotverschiebung mit großräumiger Struktur . 'Physische Überprüfungsschreiben124 (2020): 221301.
