Wissenschaftler haben Einsteins Relativitätstheorie auf kosmischer Ebene getestet und etwas Seltsames gefunden: ScienceAlert

Alles im Universum hat Schwerkraft – und fühlt sie auch. Doch diese häufigste Grundkraft ist auch diejenige, die die Physiker vor die größten Herausforderungen stellt.

Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein war bemerkenswert erfolgreich bei der Beschreibung der Schwerkraft von Sternen und Planeten, aber es scheint nicht für alle Maßstäbe perfekt zu gelten.

Generelle Relativität hat langjährige Beobachtungstests bestanden, Eddingtons Maß der Ablenkung des Sternenlichts durch die Sonne im Jahr 1919 in Richtung der jüngste Entdeckung von Gravitationswellen.

Lücken in unserem Verständnis treten jedoch auf, wenn wir versuchen, es auf extrem kleine Entfernungen anzuwenden, wo die Gesetze der Quantenmechanik wirkenoder wenn wir versuchen, das ganze Universum zu beschreiben.

Unsere neue Studie, Veröffentlicht in natürliche Astronomiehat nun Einsteins Theorie im größten Maßstab getestet.

Wir glauben, dass unser Ansatz eines Tages dazu beitragen könnte, einige der größten Rätsel der Kosmologie zu lösen, und die Ergebnisse legen nahe, dass die Allgemeine Relativitätstheorie möglicherweise in diesem Ausmaß modifiziert werden muss.

Defektes Modell?

Die Quantentheorie sagt voraus, dass der leere Raum, das Vakuum, mit Energie gefüllt ist. Wir bemerken seine Anwesenheit nicht, da unsere Geräte nur Energieänderungen messen können und nicht ihre Gesamtmenge.

Laut Einstein hat Vakuumenergie jedoch eine abstoßende Schwerkraft – sie zieht den leeren Raum auseinander. Interessanterweise wurde 1998 entdeckt, dass sich die Expansion des Universums tatsächlich beschleunigte (eine Entdeckung, die mit dem 2011 Nobelpreis für Physik).

Allerdings ist die Menge an Vakuumenergie, bzw dunkle Energie wie es genannt wurde, die zur Erklärung der Beschleunigung benötigt wird, ist um mehrere Größenordnungen kleiner als von der Quantentheorie vorhergesagt.

Daher ist die große Frage, die als das „Problem der alten kosmologischen Konstante“ bezeichnet wird, ob Vakuumenergie tatsächlich gravitiert – eine Gravitationskraft ausübt und die Expansion des Universums verändert.

Wenn ja, warum ist seine Schwerkraft dann so viel geringer als erwartet? Wenn das Vakuum überhaupt nicht gravitiert, was verursacht dann die kosmische Beschleunigung?

Wir wissen nicht, was dunkle Energie ist, aber wir müssen davon ausgehen, dass sie existiert, um die Expansion des Universums zu erklären.

In ähnlicher Weise müssen wir auch davon ausgehen, dass es eine Art Anwesenheit von unsichtbarer Materie gibt, genannt schwarze Materieum zu erklären, wie sich Galaxien und Haufen entwickelt haben, wie wir sie heute beobachten.

Diese Annahmen sind eingebettet in die kosmologische Standardtheorie der Wissenschaftler, das Lambda-Modell für kalte dunkle Materie (LCDM), das darauf hindeutet, dass es im Kosmos 70 % dunkle Energie, 25 % dunkle Materie und 5 % gewöhnliche Materie gibt. Und dieses Modell war bemerkenswert erfolgreich darin, alle von Kosmologen in den letzten 20 Jahren gesammelten Daten anzupassen.

Aber die Tatsache, dass der größte Teil des Universums aus dunklen Kräften und Substanzen besteht, die seltsame Werte annehmen, die keinen Sinn ergeben, lässt viele Physiker fragen, ob Einsteins Gravitationstheorie modifiziert werden musste, um das gesamte Universum zu beschreiben.

Eine neue Wendung kam vor ein paar Jahren, als sich herausstellte, dass verschiedene Methoden zur Messung der Geschwindigkeit der kosmischen Expansion, die als Hubble-Konstanteunterschiedliche Antworten geben – ein Problem, das als bekannt ist die Hubble-Spannung.

Die Verstimmung oder Spannung liegt zwischen zwei Werten der Hubble-Konstante.

Eine ist die Zahl, die vom kosmologischen LCDM-Modell vorhergesagt wird, das passend entwickelt wurde das Licht, das der Urknall hinterlassen hat (das kosmischer mikrowellenhintergrund Strahlung).

Die andere ist die Expansionsrate, die durch die Beobachtung explodierender Sterne, sogenannter Supernovae, in fernen Galaxien gemessen wird.

Viele theoretische Ideen wurden vorgeschlagen, um das LCDM zu modifizieren, um die Hubble-Spannung zu erklären. Darunter sind alternative Gravitationstheorien.

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Wir können Tests entwickeln, um zu überprüfen, ob das Universum den Regeln von Einsteins Theorie gehorcht.

Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Schwerkraft als das Krümmen oder Verkrümmen von Raum und Zeit, das Krümmen der Bahnen, auf denen sich Licht und Materie bewegen. Wichtig ist, dass er voraussagt, dass die Wege von Lichtstrahlen und Materie auf die gleiche Weise durch die Schwerkraft gebogen werden sollten.

Mit einem Team von Kosmologen haben wir die Grundgesetze der Allgemeinen Relativitätstheorie getestet. Wir untersuchten auch, ob eine Modifikation von Einsteins Theorie helfen könnte, einige der offenen Probleme der Kosmologie zu lösen, wie etwa die Hubble-Spannung.

Um herauszufinden, ob die allgemeine Relativitätstheorie im großen Maßstab korrekt ist, haben wir uns zum ersten Mal vorgenommen, drei Aspekte davon gleichzeitig zu untersuchen. Dies waren die Expansion des Universums, die Auswirkungen der Schwerkraft auf das Licht und die Auswirkungen der Schwerkraft auf die Materie.

Unter Verwendung einer statistischen Methode, die als Bayes’sche Inferenz bekannt ist, rekonstruierten wir die Schwerkraft des Universums durch die kosmische Geschichte in ein Computermodell, das auf diesen drei Parametern basiert.

Wir waren in der Lage, die Parameter abzuschätzen, indem wir kosmische Mikrowellen-Hintergrunddaten des Planck-Satelliten, Supernova-Kataloge sowie Beobachtungen der Form und Verteilung entfernter Galaxien durch die SDSS und DES Teleskope.

Dann verglichen wir unsere Rekonstruktion mit der Vorhersage des LCDM-Modells (im Wesentlichen das Einstein-Modell).

Wir fanden interessante Hinweise auf eine mögliche Nichtübereinstimmung mit Einsteins Vorhersage, wenn auch mit eher geringer statistischer Signifikanz.

Das bedeutet, dass es dennoch möglich ist, dass die Gravitation auf großen Skalen anders funktioniert und die allgemeine Relativitätstheorie modifiziert werden muss.

Unsere Studie hat auch gezeigt, dass es sehr schwierig ist, das Hubble-Spannungsproblem zu lösen, indem man nur die Gravitationstheorie modifiziert.

Die vollständige Lösung würde wahrscheinlich einen neuen Bestandteil im kosmologischen Modell erfordern, der vor der Zeit vorhanden war, als sich Protonen und Elektronen kurz nach der Verbindung zu Wasserstoff vereinigten Urknallals eine besondere Form der Dunklen Materie, eine frühe Art der Dunklen Energie oder primordiale Magnetfelder.

Oder vielleicht gibt es einen noch unbekannten systematischen Fehler in den Daten.

Unsere Studie hat jedoch gezeigt, dass es möglich ist, die Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie über kosmologische Entfernungen mithilfe von Beobachtungsdaten zu testen. Obwohl wir das Hubble-Problem noch nicht gelöst haben, werden wir in ein paar Jahren viel mehr Daten von neuen Sonden haben.

Das bedeutet, dass wir diese statistischen Methoden verwenden können, um die allgemeine Relativitätstheorie weiter zu verfeinern, die Grenzen von Modifikationen zu erforschen und den Weg zur Lösung einiger offener Herausforderungen in der Kosmologie zu ebnen.

Kazuya KoyamaProfessor für Kosmologie, Universität Portsmouth und Levon PogosjanPhysik Lehrer, Simon Fraser Universität

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