Messungen und Theorie passen nicht mehr zusammen: LMU-Wissenschaftler haben wichtige Fortschritte erzielt, um die Frage zu klären, ob sich diese Diskrepanzen ausräumen lassen oder ob dahinter fundamentalere Probleme aufscheinen.
Es gab eine Zeit, da endete das Universum im Andromedanebel. Jedenfalls dachten einige Astronomen noch Anfang des 20. Jahrhunderts, dass verschwommene Objekte am Nachthimmel wie der Andromedanebel Teil unserer Milchstraße seien und dass unsere Galaxie das gesamte Universum ausmacht. Andere Forschende hielten die Nebel für weit entfernte Sterneninseln und den Raum dazwischen für öde und leer – und das Universum für deutlich größer. Beobachtungsdaten konnten die Sache nicht klären, die Entfernung der Sterne ließ sich damals nicht messen. Heute wissen wir, dass der Andromedanebel eine eigene Galaxie ist und 2,5 Millionen Lichtjahre entfernt.
Inzwischen gibt es hochauflösende Teleskope, auf der Erde und im Weltraum, die immer präzisere Daten liefern. Und es existiert längst ein etabliertes Modell, das die Entwicklung unseres Universums beschreibt, das sogenannte Standardmodell. Dennoch sagt Daniel Grün, Kosmologe an der LMU: „Irgendetwas stimmt nicht im Universum. Oder zumindest nicht mit unserer Idee davon, wie es funktionieren könnte.“
Mit hochauflösenden Teleskopen lässt sich das Universum in immer größerer Präzision beobachten. Das James Webb Space Telescope liefert faszinierende Aufnahmen ferner Galaxien, im Bild zu sehen die Phantom-Galaxie.
© JWST/ESAGrün spricht von Rissen im Fundament der Kosmologie, Rätseln, die sich Forschenden derzeit stellen. Möglicherweise nämlich dehnt sich das heutige Universum schneller aus, als es das laut Theorie sollte. Gleichzeitig scheint die Zunahme dieser Ausdehnung ausgerechnet in den vergangenen fünf Milliarden Jahren wieder abgenommen zu haben. Und es ist unklar, ob die heute gemessene Materieverteilung der Theorie entspricht. „Unser bestes Erklärmodell, die Standardtheorie, steht auf dem Prüfstand“, sagt Grün. Zahlreiche LMU-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler, Mitglieder im Exzellenzcluster ORIGINS, haben in letzter Zeit wichtige Erkenntnisse gewonnen, die helfen könnten zu klären, ob diese Risse zu kitten sind oder ob dahinter fundamentalere Probleme der Theorie aufscheinen.
Daniel Grün
Ein guter Ort, solche Themen zu diskutieren, ist die Universitätssternwarte der LMU in München-Bogenhausen. „Es ist die erste Sternwarte der Welt, in der spektroskopische Beobachtungen der Gestirne vorgenommen wurden“, sagt Grün. Joseph von Fraunhofer hatte hier mit neuen, technisch ausgereiften Instrumenten begonnen, Spektren der Planeten und anderer Sterne zu vermessen. „Solche Spektralmessungen sind noch heute die Basis der Kosmologie.“ Grün hat zum Gespräch drei Kollegen anderer Lehrstühle gebeten. Die große Frage für die Forschenden ist, wie aus den Anfangsbedingungen des Urknalls die heute beobachteten Strukturen des Universums entstehen konnten.
Wie konnten aus den Anfangsbedingungen des Urknalls die heute beobachteten Strukturen des Universums entstehen? An der Sternwarte der LMU in München-Bogenhausen diskutieren diese große Frage die LMU-Kosmologen Sebastian Bocquet, Nils Schöneberg, Rolf-Peter Kudritzki und Daniel Grün (von links nach rechts).
© Florian Generotzky / LMUIn jüngster Zeit vermessen leistungsstarke Teleskope wie das James-Webb-Teleskop oder der Satellit Euclid immer genauer, wie das Universum heute aufgebaut ist. Mögliche Fehler konnten eingegrenzt werden. Dies stellt die aktuellen Diskussionen in der Kosmologie auf ein festeres Fundament. Die Anfangsbedingungen konnten die Forschenden schon eine ganze Weile sehr präzise messen. Der Forschungssatellit Planck lieferte 2013 ein präzises Bild der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung aus der Zeit, als das Universum nur 380.000 Jahre alt war, gerade abkühlte und durchsichtig wurde. Diese Strahlung enthält winzige Temperaturunterschiede, die Informationen darüber liefern, wie Materie und Energie im frühen Universum verteilt waren.
Der Forschungssatellit Planck lieferte ein präzises Bild aus der Zeit, als das Universum nur 380.000 Jahre alt war. Diese Strahlung enthält winzige Temperaturunterschiede.
© Planck / ESA„Das Standardmodell verknüpft das frühe mit dem heute sichtbaren Universum“, sagt Grün. Und genau hier gibt es Probleme. „Wir sehen das Bild eines Embryo-Universums und können uns nicht ganz erklären, wie aus dem Embryo dieses erwachsene Universum geworden ist, das wir heute sehen“, sagt Grün. „Das Modell passt nicht mehr so ganz. Möglicherweise steckt hier eine neue, unbekannte Physik dahinter.“
Ein großes Rätsel bezieht sich auf die aktuelle Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums. In der Physik ist sie die fundamentale Größe, wenn es darum geht, das Universum zu verstehen. Sie lässt sich direkt messen, wenn man gleichzeitig den Abstand einer der Milchstraße recht nahe gelegenen Galaxie und die Geschwindigkeit, mit der sich diese scheinbar von uns wegbewegt, bestimmt. Das Universum, von der Erde aus betrachtet, kann man sich vorstellen wie eine Art Hefezopf mit Rosinen: Beim Aufgehen des Teiges bewegen sich alle Rosinen (Galaxien) voneinander weg, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die proportional zu deren jeweiligem Abstand ist.
Dass sich das Universum ausdehnt, wissen die Kosmologen erst seit knapp 100 Jahren. Astronomen wie Georges Lemaître oder Edwin Hubble formulierten die Theorie, Hubble führte eine später nach ihm benannte Konstante ein, die die heutige Ausdehnungsgeschwindigkeit beschreibt. Das Problem nun: Verschiedene Bestimmungen der Hubble-Konstante kommen zu unterschiedlichen Werten, die Forschenden sprechen von der sogenannten „Hubble-Tension“.
„Wir sehen das Bild eines Embryo-Universums und können uns nicht ganz erklären, wie aus dem Embryo dieses erwachsene Universum geworden ist, das wir heute sehen“, sagt Grün.
© Florian Generotzky / LMUDie große Frage ist nun: Woher kommt dieser Unterschied zwischen den Werten? Liegt das Problem bei der Messung oder bei der Theorie? Diese Frage ist nicht leicht zu klären, denn kosmologische Entfernungsmessungen sind kompliziert. Lange dachten die Forschenden deshalb, dass diese fehlerhaft sein könnten. Die schwierigste Methode ist die Abstandsmessung zu anderen Galaxien. Dafür muss man nämlich eine Art kosmisches Lineal entwickeln, eine Entfernungsleiter, auf der man langsam zu immer größeren Distanzen klettert. Dabei bestimmt man zunächst die Entfernung zu den nahen Galaxien und tastet sich zur nächsten Klasse von Entfernungsindikatoren vor, den sogenannten Supernova-Explosionen, erklärt Rolf-Peter Kudritzki, ehemaliger Direktor der LMU-Sternwarte, der lange in Hawaii an dortigen Teleskopen geforscht hat und jetzt wieder an der LMU arbeitet.
Die lange Zeit beste Methode führte über helle, veränderliche Sterne, die man mit großen Teleskopen in nahen Galaxien sogar einzeln erkennen kann. Forschende bezeichnen die sogenannten Cepheiden oft als „Standardkerzen“ im Universum, weil sie Orientierung auf dem kosmischen Lineal geben. Eine typische Eigenschaft dieser Sterne ist, dass ihre Helligkeit schwankt – und die Periode dieser Schwankungen hängt mit ihrer absoluten Helligkeit zusammen. Da man eine Periode gut messen kann und ihre scheinbare Helligkeit auch, kann man auf den Abstand der Galaxien rückschließen.
Lange wussten die Forschenden nicht, ob nicht systematische Messfehler passiert sind. „Die Cepheiden-Methode hat Schwächen“, sagt Kudritzki. Zum Beispiel hängt die Periode der Schwankungen von der chemischen Zusammensetzung dieser Sterne ab. Die kann man aber in weit entfernten Galaxien nicht mehr direkt bestimmen, weil sie nicht hell genug sind, um Spektren aufzunehmen. Eine zweite Schwäche ist, dass der Raum zwischen den Sternen in der Galaxie nicht leer ist und so ein Teil des Lichtes absorbiert wird.
LMU-Kosmologe Rolf-Peter Kudritzki nutzte die Spektren der hellsten Sterne, um die Entfernung zu fernen Galaxien, wie hier der Galaxie Messier 101, zu bestimmen. Das Bild stammt vom Weltraumteleskop Hubble.
© Hubble / ESAKudritzki hat daher eine neue Methode zur Entfernungsmessung entwickelt. Er nutzt dazu detaillierte spektroskopische Messungen der hellsten Sterne überhaupt: der sogenannten Blauen Superriesen, Sterne mit 30-40 Sonnenmassen und bis zu einer Million Mal heller als die Sonne. Die Spektren und die chemische Zusammensetzung der Sterne, die sich auch in weiter entfernten Galaxien finden lassen, können mit großen Teleskopen inzwischen gut bestimmt werden, so Kudritzki. „Allerdings war es nicht so einfach, die entsprechende Methode zu entwickeln. Wir haben uns von Nachbargalaxien wie der Magellanschen Wolke zu weiter entfernten Galaxien vorgetastet, das hat meine Arbeitsgruppe 50 Arbeitsjahre gekostet.“ Inzwischen ist sie etabliert. Und das Wichtige: Kudritzki kommt damit auf eine mit der Cepheiden-Methode konsistente Abstandsmessung zu nahegelegenen Galaxien. „Es gibt keine gravierenden Messfehler mehr“, sagt Kudritzki.
Die direkten Messungen der Hubble-Konstante liefern damit stabile Werte um 74 km/s bei 1 Mpc (das entspricht 3,26 Millionen Lichtjahren) Abstand. Der Wert aus der Hintergrundstrahlung liegt aber nur bei 67,4, für diesen Wert spielt die Theorie eine große Rolle. Und damit ist auch klar: Es gibt ein grundlegendes Problem mit der Theorie.
Im Prinzip ist das der Normalfall in der Wissenschaft: Man präzisiert eine Theorie, sobald die Experimente genau genug sind, um Diskrepanzen nicht mehr mit Messfehlern erklären zu können. „Das ist schon bei Johannes Kepler so gewesen, als die Messungen zeigten, dass die Planeten nicht auf Kreisbahnen um die Sonne ziehen, sondern auf Ellipsen“, sagt Grün. Schon vor 25 Jahren musste daher das Standardmodell korrigiert werden. Damals war erkannt worden, dass sich das Universum in jüngster Zeit immer schneller ausdehnt. Die Astronomen Saul Perlmutter, Adam Riess und Brian P. Schmidt hatten dafür den Nobelpreis erhalten. Sie hatten aus der Messung der Helligkeit ferner Supernovae auf eine Beschleunigung der kosmischen Expansion geschlossen.
Das Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) hat die bislang größte 3D-Karte unseres Universums erstellt. Die Erde befindet sich im Zentrum dieses Ausschnitts der vollständigen Karte. Im vergrößerten Bereich lässt sich die zugrunde liegende Struktur der Materie in unserem Universum gut erkennen.
© Claire Lamman/DESI collaborationDiese und andere Entdeckungen führten dazu, Dunkle Energie und Dunkle Materie in die Modelle einzubauen, obwohl man deren Natur bis heute nicht kennt. Die Relativitätstheorie von Albert Einstein sagt so eine beschleunigte Ausdehnung voraus, wenn ein Universum aus einer guten Mischung von normaler Materie und einer „Dunklen Energie“ besteht, die den leeren Raum zu jeder Zeit mit derselben Menge Energie pro Kubikmeter erfüllt. Damals erweiterte man das Standardmodell zum sogenannten Lambda-CDM-Modell, mit der Vakuumenergie Lambda und der kalten, dunklen Materie (CDM). „Das schien bis vor 10 Jahren ein perfektes Gebäude zu sein, um das Universum zu verstehen“, sagt Grün. Doch auch hier gibt es ein Problem, das mit genaueren Messungen der Hubble-Konstante zusammenhängt.
LMU-Forschende tragen aktuell zu dieser Frage wichtige Erkenntnisse bei, insbesondere über ihre Beteiligung am Dark Energy Spectroscopic Instrument (kurz: DESI), das am Kitt Peak National Observatory im US-Bundesstaat Arizona errichtet wurde. Es dient dazu, weit entfernte Galaxien spektrografisch zu durchmustern. Damit vermessen Forschende die Ausdehnungsgeschichte des Universums genauer als je zuvor, indem sie Distanzen und scheinbare Fluchtgeschwindigkeiten mithilfe von inzwischen mehr als 50 Millionen Galaxien bestimmen.
DESI misst so, wie sich die Ausdehnung des Universums in den vergangenen 10 Milliarden Jahren verändert hat, und findet dabei ein Problem: „Es sieht so aus, als würde sich die Ausdehnung des Universums nicht stetig weiter beschleunigen, wie eine Vakuum-Energie es verursachen würde“, sagt Nils Schöneberg, Fraunhofer-Schwarzschild Fellow an der LMU. Stattdessen scheint der Einfluss der „Dunklen Energie“ über die vergangenen fünf Milliarden Jahre unerwartet abzunehmen.
Daniel Grün
Es passieren also mysteriöse Dinge im Universum. „Es ist, als würde sich die Dunkle Energie regelrecht in Staub verwandeln“, sagt Grün. „Wir wissen aber überhaupt nicht, wie. Es gibt dazu keine Theorie, die das nur ansatzweise aufgreift.“
Nils Schöneberg ist offenbar von der Idee, dass sich die Dunkle Energie in Staub, also Materie, verwandelt, wenig überzeugt. Er meint, dass sie auch schlicht verschwinden könnte, oder aber, dass wir bisher noch falsche Rückschlüsse aus der kosmischen Mikrowellenstrahlung ziehen. Die Physiker beginnen eine lebhafte Diskussion über das Verhalten der kosmischen Vakuumenergie, akustische Wellen aus dem frühen Universum und darüber, wie sich diese als eine Art kosmisches Lineal verwenden lassen. Sebastian Bocquet, ein am Exzellenzcluster ORIGINS beteiligter Akademischer Rat der LMU, meint, so ginge es oft in den wöchentlichen Diskussionsrunden zu, wenn neue Paper vorgestellt werden.
Daten des Southpole Telescope (im Bild) helfen, die großräumige Verteilung von Galaxien im Universum zu erfassen.
© Geoffrey ChenOffenbar lassen sich so auch manche scheinbar großen Diskussionen auflösen, wie Bocquet sagt. Er ist an der LMU auf die Analyse großer Datensätze spezialisiert. Denn bis vor Kurzem gab es einen dritten großen Riss im Fundament, der mittlerweile wieder gekittet sei, die sogenannte „S-8-Tension“. Der S-8-Parameter ist ein Indikator dafür, wie stark die Materiedichte von einem Ort zum anderen schwankt. Etwa ein Jahrzehnt lang hatten Messungen von S 8 durch den sogenannten Gravitationslinseneffekt geringere Werte ergeben, als aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund erwartet worden war.
Neuere Arbeiten, etwa von Grüns ehemaliger Doktorandin Jamie McCullough, zeigen Effekte, die einen Teil der niedrigeren Werte erklären und damit den Fehler verringern konnten. Bocquets neue, mit Daten des South Pole Telescope und des Dark Energy Survey erhobene Analysen belegen nun, dass die Werte tatsächlich zusammenpassen. Er hat dafür die Verteilung von Galaxienhaufen im Universum ausgewertet als Maß, wie homogen Masse verteilt ist. Der S-8-Wert liegt nur noch knapp unter dem Wert aus der Mikrowellenstrahlung, heutiges und junges Universum passen in der Strukturverteilung offenbar innerhalb der Messgenauigkeit doch zusammen.
Bleiben die anderen Risse im Fundament. Die Forscher scheint das sogar ein bisschen zu freuen. Was gebe es Schöneres als die Suche nach einer neuen Physik!
Prof. Daniel Grün ist Inhaber des Lehrstuhls für Astrophysik, Kosmologie und Künstliche Intelligenz an der LMU. Prof. Rolf-Peter Kudritzki ist Professor für Astrophysik, ehemaliger Direktor der LMU-Sternwarte und aktuell als Professor an der LMU Direktor des MIAPbP-Zentrums (Munich Institute for Astro-, Particle and BioPhysics). Dr. Nils Schöneberg ist Fraunhofer-Schwarzschild Fellow an der LMU. Dr. Sebastian Bocquet ist Akademischer Rat an der LMU, 2025 schloss er seine Habilitation in Astrophysik ab.
Alle vier LMU-Astrophysiker sind Mitglieder im Exzellenzcluster ORIGINS.
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