Warum dehnt sich das Universum schneller aus und verteilt seinen Inhalt auf immer größere Raumdimensionen? Eine originelle Lösung für dieses Rätsel, sicherlich die faszinierendste Frage in der modernen Kosmologie, wurde von vier theoretischen Physikern, Edward W. Kolb vom Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums, Chicago (USA), vorgeschlagen: Sabino Matarrese von der University of Padua; Alessio Notari von der Universität von Montreal (Kanada); und Antonio Riotto von INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) aus Padua (Italien). Ihre Studie wurde gestern in der Zeitschrift Physical Review Letters eingereicht.
In den letzten hundert Jahren war die Expansion des Universums Gegenstand leidenschaftlicher Diskussionen, die die brillantesten Köpfe des Jahrhunderts beschäftigten. Wie seine Zeitgenossen hielt Albert Einstein das Universum zunächst für statisch: Es dehnte sich weder aus noch schrumpfte es. Als seine eigene Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie deutlich zeigte, dass sich das Universum ausdehnen oder zusammenziehen sollte, entschied sich Einstein, eine neue Zutat in seine Theorie aufzunehmen. Seine „kosmologische Konstante“ stellte eine Massendichte des leeren Raums dar, die das Universum dazu brachte, sich immer schneller auszudehnen.
Als Edwin Hubble 1929 bewies, dass sich das Universum tatsächlich ausdehnt, lehnte Einstein seine kosmologische Konstante ab und nannte sie „den größten Fehler meines Lebens“. Dann, fast ein Jahrhundert später, haben die Physiker die kosmologische Konstante in einer Variante namens Dunkle Energie wiederbelebt. Im Jahr 1998 zeigten Beobachtungen sehr weit entfernter Supernovae, dass sich das Universum mit zunehmender Geschwindigkeit ausdehnt. Diese sich beschleunigende Expansion schien nur durch das Vorhandensein einer neuen Komponente des Universums, einer „dunklen Energie“, die etwa 70 Prozent der Gesamtmasse des Universums ausmacht, erklärbar zu sein. Von den übrigen scheinen etwa 25 Prozent die Form einer weiteren mysteriösen Komponente zu haben, der Dunklen Materie. Während nur etwa 5 Prozent gewöhnliche Materie enthalten, bestehen diese Quarks, Protonen, Neutronen und Elektronen, aus denen wir und die Galaxien bestehen.
"Die Hypothese der dunklen Energie ist äußerst faszinierend", erklärt Antonio Riotto von Padova, "aber andererseits stellt sie ein ernstes Problem dar. Kein theoretisches Modell, nicht einmal das modernste, wie die Supersymmetrie oder die Stringtheorie, kann das Vorhandensein dieser mysteriösen dunklen Energie in der Menge erklären, die unsere Beobachtungen erfordern. Wenn dunkle Energie die Größe hätte, die Theorien vorhersagen, hätte sich das Universum mit einer so fantastischen Geschwindigkeit ausgedehnt, dass es die Existenz von allem, was wir in unserem Kosmos wissen, verhindert hätte. “
Die erforderliche Menge an dunkler Energie ist so schwer mit den bekannten Naturgesetzen in Einklang zu bringen, dass Physiker alle möglichen exotischen Erklärungen vorgeschlagen haben, einschließlich neuer Kräfte, neuer Dimensionen der Raumzeit und neuer ultraleichter Elementarteilchen. Der neue Bericht schlägt jedoch keine neue Zutat für das Universum vor, sondern nur die Erkenntnis, dass die gegenwärtige Beschleunigung des Universums eine Folge des kosmologischen Standardmodells für das frühe Universum ist: Inflation.
"Unsere Lösung für das Paradoxon des sich beschleunigenden Universums", sagt Riotto, "beruht auf der sogenannten Inflationstheorie, die 1981 geboren wurde. Nach dieser Theorie erlebte das Universum innerhalb eines winzigen Bruchteils einer Sekunde nach dem Urknall." eine unglaublich schnelle Expansion. Dies erklärt, warum unser Universum sehr homogen zu sein scheint. Kürzlich bestätigten die Boomerang- und WMAP-Experimente, bei denen die geringen Schwankungen der Hintergrundstrahlung gemessen wurden, die vom Urknall herrühren, die Inflationstheorie.
Es wird allgemein angenommen, dass während der inflationären Expansion zu Beginn der Geschichte des Universums sehr kleine Wellen in der Raumzeit erzeugt wurden, wie durch Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Diese Wellen wurden durch die Ausdehnung des Universums gedehnt und erstrecken sich heute weit über unseren kosmischen Horizont hinaus, dh über eine Region, die viel größer ist als das beobachtbare Universum, eine Entfernung von etwa 15 Milliarden Lichtjahren. In ihrer aktuellen Arbeit schlagen die Autoren vor, dass es die Entwicklung dieser kosmischen Wellen ist, die die beobachtete Expansion des Universums erhöht und dessen Beschleunigung erklärt.
"Wir haben erkannt, dass Sie einfach diese neue Schlüsselzutat, die Wellen der Raumzeit, die während der Epoche der Inflation erzeugt wurden, zu Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie hinzufügen müssen, um zu erklären, warum sich das Universum heute beschleunigt", sagt Riotto. „Es scheint, dass die Lösung des Rätsels der Beschleunigung das Universum jenseits unseres kosmischen Horizonts betrifft. Es ist keine mysteriöse dunkle Energie erforderlich. “
Fermilabs Kolb nannte den Vorschlag der Autoren die konservativste Erklärung für das sich beschleunigende Universum. "Es erfordert nur eine ordnungsgemäße Berücksichtigung der physikalischen Auswirkungen der Wellen jenseits unseres kosmischen Horizonts", sagte er.
Daten aus bevorstehenden Experimenten werden es Kosmologen ermöglichen, den Vorschlag zu testen. "Ob Einstein Recht hatte, als er die kosmologische Konstante einführte, oder ob er Recht hatte, als er die Idee später widerlegte, wird bald durch eine neue Runde präziser kosmologischer Beobachtungen überprüft", sagte Kolb. "Neue Daten werden es uns bald ermöglichen, zwischen unserer Erklärung für die beschleunigte Expansion des Universums und der Dunklenergielösung zu unterscheiden."
Das INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), Italiens nationales Institut für Kernphysik, unterstützt, koordiniert und führt wissenschaftliche Forschungen in der subnuklearen, nuklearen und astropartikelischen Physik durch und ist an der Entwicklung relevanter Technologien beteiligt.
Fermilab in Batavia, Illinois, USA, wird von der Universities Research Association, Inc. für das Office of Science des Energieministeriums betrieben, das fortgeschrittene Forschung in Teilchenphysik und Kosmologie finanziert.
Ursprüngliche Quelle: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
