Durch die Berechnung der Verzerrung von Zeit und Raum stellt ein französisch-schweizerisches Team die Vorhersagen des berühmten Physikers auf die Probe.
Warum expandiert unser Universum immer schneller? 25 Jahre nach seiner Entdeckung ist dieses Phänomen immer noch eines der größten wissenschaftlichen Rätsel der Gegenwart. Um es zu entschlüsseln, müssen die Grundgesetze der Physik, darunter die Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein, auf den Prüfstand gestellt werden. Ein Team der Universitäten Genf (UNIGE) und Toulouse III - Paul Sabatier verglich die Vorhersagen des berühmten Physikers mit Messungen, die auf Daten des Dark Energy Survey-Programms basierten. Sie fand heraus, dass eine leichte Verschiebung auftreten kann, je nachdem, zu welchen Zeitpunkten in der Geschichte des Kosmos diese Berechnungen durchgeführt wurden. Diese Ergebnisse, die in Nature Communications zu lesen sind, stellen die Gültigkeit von Einsteins Theorien zur Erklärung von Phänomenen außerhalb des Sonnensystems auf der Ebene des Universums in Frage.
Nach der Theorie von Albert Einstein verformt sich unser Universum unter dem Einfluss der Materie, die sich darin befindet, ähnlich wie ein großes, weiches Tischtuch. Diese Verformungen, die durch die Schwerkraft der Himmelskörper hervorgerufen werden, nennt man ’Gravitationsschächte’. Wenn Licht durch diesen aus Unregelmäßigkeiten bestehenden Rahmen fällt, wird seine Bahn durch diese Vertiefungen abgelenkt, ähnlich wie bei einer Glaslinse. Hier ist es jedoch die Gravitation und nicht das Glas, die das Licht krümmt. Dies ist der Effekt der "Gravitationslinse" ( Video ).
Die Beobachtung dieses Effekts liefert Informationen über die Bestandteile, die Geschichte und die Expansion des Universums. Als er 1919 während einer Sonnenfinsternis zum ersten Mal gemessen wurde, bestätigte er Einsteins Theorie, die eine doppelt so große Lichtablenkung wie Isaac Newton voraussagte. Dieser Unterschied ist darauf zurückzuführen, dass Einstein eine neue "Zutat" hinzufügte: die Verzerrung der Zeit zusätzlich zur Verzerrung des Raums, um die genaue Krümmung des Lichts zu erhalten.
Theorie vs. Daten
Diese Frage stellen sich viele Wissenschaftler, die versuchen, die Materiedichte im Kosmos zu quantifizieren und die Beschleunigung der Expansion des Universums zu verstehen. Ein Team der Universitäten Genf (UNIGE) und Toulouse III - Paul Sabatier hat die Daten des Dark Energy Survey - ein internationales Programm zur Erfassung der Form von Hunderten von Millionen Galaxien - auf neue Weise genutzt, um neue Antworten zu finden.
Bisher wurden die Daten des Dark Energy Survey verwendet, um die Verteilung der Materie im Universum zu messen. In unserer Studie haben wir sie verwendet, um die Verzerrung von Zeit und Raum direkt zu messen und so unsere Ergebnisse mit Einsteins Vorhersagen zu vergleichen’, erklärt Camille Bonvin, assoziierte Professorin an der Abteilung für theoretische Physik der naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf, die die Arbeit leitete.
Eine leichte Verzögerung
Die Daten des Dark Energy Survey erlauben es, weit in den Weltraum und damit auch weit in die Vergangenheit zu blicken. Das französisch-schweizerische Team konnte 100 Millionen Galaxien zu vier verschiedenen Zeitpunkten in der Geschichte des Universums analysieren: vor 3,5, 5, 6 und 7 Milliarden Jahren. Die Messungen ergaben, dass die Gravitationssenken in einem Zeitraum, der mehr als die Hälfte der Geschichte des Kosmos umfasst, im Laufe der Zeit wuchsen.
’Wir haben herausgefunden, dass sehr weit in der Vergangenheit, vor 6 und 7 Milliarden Jahren, die Tiefe der Brunnen vollständig mit Einsteins Vorhersagen übereinstimmt. Im Gegensatz dazu sind sie in der näheren Vergangenheit, vor 3,5 und 5 Milliarden Jahren, etwas weniger tief als von Einstein vorhergesagt’, enthüllt Isaac Tutusaus, Hilfsastronom am Institut de recherche en astrophysique et planétologie (IRAP/OMP) der Universität Toulouse III - Paul Sabatier und Erstautor der Studie.
Die Expansion des Universums begann sich ebenfalls in dieser Zeit zu beschleunigen. Es ist also möglich, dass die Antwort auf diese beiden seltsamen Phänomene - die Beschleunigung des Universums und das langsamere Wachstum der Gravitationssenken - dieselbe ist: Die Gravitation könnte in großem Maßstab anderen physikalischen Gesetzen unterliegen als die von Einstein beschriebenen.
So viel, dass Einstein ungültig wird?
Unsere Ergebnisse zeigen, dass Einsteins Vorhersagen eine Unvereinbarkeit von 3 Sigma mit den Messungen aufweisen. In der Sprache der Physik weckt eine solche Unvereinbarkeitsschwelle unser Interesse und ruft nach weiteren Untersuchungen. Doch diese Unvereinbarkeit ist zum jetzigen Zeitpunkt nicht groß genug, um Einsteins Theorie zu widerlegen. Dazu müsste ein Schwellenwert von 5 Sigma erreicht werden. Nastassia Grimm, Postdoktorandin an der Abteilung für Theoretische Physik der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf und Koautorin der Studie, betont: "Wir brauchen unbedingt mehr und genauere Messungen, um diese ersten Ergebnisse zu bestätigen oder zu widerlegen und um herauszufinden, ob die Theorie in unserem Universum bei sehr großer Entfernung noch gültig ist".
Das Team bereitet die Analyse der neuen Daten des Weltraumteleskops Euclid vor, das vor einem Jahr gestartet wurde. Da Euclid das Universum vom Weltraum aus beobachtet, sind die Messungen der Gravitationslinsen wesentlich genauer. Darüber hinaus wird Euclid eine phänomenale Anzahl von Galaxien beobachten: Nach sechs Jahren Beobachtungszeit werden etwa 1,5 Milliarden Galaxien erwartet. Dies wird es uns ermöglichen, Raum-Zeit-Verzerrungen besser zu messen, noch weiter in die Vergangenheit zu reisen und Einsteins Gleichungen weiter zu testen.
