Beschleunigte Expansion des Universums

Das expandierende Universum

Im Zentrum der aktuellen kosmologischen Debatten steht ein erstaunliches Phänomen: die beschleunigte Expansion des Universums. Diese Ende der 1990er Jahre entdeckte Offenbarung revolutionierte unser Verständnis der kosmischen Dynamik und führte zum Vorschlag einer neuen mysteriösen Komponente des Universums: derdunkle Energie.

Die Idee, dass sich das Universum ausdehnt, geht auf die Arbeit von zurückEdwin Hubble, der in den 1920er Jahren zeigte, dass sich Galaxien von uns entfernen und dass die Geschwindigkeit, mit der sie sich entfernen, proportional zu ihrer Entfernung ist. Dieses Phänomen wird durch das Hubble-Gesetz beschrieben, das feststellte, dass sich das Universum ausdehnt, eine Idee, die durch die allgemeinen Relativitätsgleichungen von gestützt wirdAlbert Einstein.

Die Entdeckung der beschleunigten Expansion

Mitte der 1990er Jahre gründeten zwei unabhängige Astronomenteams, dieSupernova-Kosmologieprojekt(SCP) und dieHigh-Z-Supernova-Suchteambegann mit der Beobachtung von Supernovae vom Typ Ia, bei denen es sich um charakteristische Sternexplosionen handelt. Diese Supernovae werden als verwendetStandardkerzenaufgrund ihrer relativ konstanten Eigenhelligkeit.

Astronomen maßen die scheinbare Leuchtkraft dieser Supernovae und konnten durch Vergleich mit ihrer intrinsischen Leuchtkraft ihre Entfernung bestimmen. Gleichzeitig maßen sie die Rotverschiebung dieser Supernovae, um ihre Rückzugsgeschwindigkeit zu berechnen. Diese Messungen ergaben ein unerwartetes Ergebnis: Entfernte Supernovae erschienen in einem Modell eines verlangsamten expandierenden Universums weniger leuchtend als erwartet, was darauf hindeutet, dass sie sich schneller als erwartet entfernten.

Diese Beobachtung führte zu dem Schluss, dass sich die Expansion des Universums nicht wie zunächst angenommen verlangsamte, sondern beschleunigte. Dies führte zur Einführung des Konzepts vondunkle Energie, eine mysteriöse Energieform, die vermutlich etwa 68 % des Universums ausmacht und einen Unterdruck ausübt, der eine beschleunigte Expansion fördert.

Dunkle Energie und kosmologische Konstante

Dunkle Energie wurde durch die in kosmologische Modelle einbezogenkosmologische Konstante(Lambda), das in Einsteins Gleichungen vorkam. Dieser Begriff, der ursprünglich eingeführt wurde, um ein statisches Universumsmodell zu ermöglichen, wurde wiederentdeckt, um die Beschleunigung der Expansion zu erklären.

Kosmologen haben verschiedene Modelle zur Beschreibung der Dunklen Energie vorgeschlagen:

• Kosmologische Konstante(Lambda): Ein konstanter Term in Einsteins Gleichungen, der eine gleichmäßige Vakuumenergie darstellt.
• Dynamische Felder: Theorien, die die Natur der dunklen Energie im Laufe der Zeit verändern, wie zum Beispiel Modelle der Quintessenz oder Veränderungen der Schwerkraft.

Beobachtbare Beweise

Neben Supernovae stützen mehrere andere Beobachtungen die Idee einer beschleunigten Expansion:

• Schwankungen des kosmologischen diffusen Hintergrunds (CMB): Vom Satelliten gemessenWMAPund der SatellitPlanckDiese Schwankungen geben Auskunft über die Zusammensetzung des Universums und weisen darauf hin, dass zur Erklärung der Beschleunigung dunkle Energie notwendig ist.
• Großräumige Struktur: Studien zur Verteilung von Galaxien und Galaxienhaufen zeigen, dass die Verteilung der Materie und die Rezessionsgeschwindigkeiten mit den Vorhersagen von Modellen übereinstimmen, die die Dunkle Energie einbeziehen.
• Baryonische akustische Oszillationen (BAO): Diese Strukturen im Galaxienverteilungsspektrum liefern auch Hinweise auf eine beschleunigte Expansion.

Konsequenzen und offene Fragen

Wir kennen die wahre Natur der dunklen Energie und der beschleunigten Expansion des Universums noch nicht. Physiker versuchen, diese beiden Paradigmen zu testen, die die Beobachtungen erklären können: das der dunklen Energie und das der modifizierten Gravitation. Dies würde eine Gruppe von Theorien eliminieren. Die Euclid- oder SKA-Missionen werden bei der Entscheidung zwischen diesen beiden Theoriegruppen helfen.

Professor Camille Bonvin, Professor an der Universität Genf, hat eine Methode entwickelt, um diese beiden Paradigmen zu testen. Es besteht aus dem Vergleich der Zeitverzerrung und der Raumverzerrung, die durch die im Universum vorhandenen Galaxien und Cluster erzeugt werden. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass diese beiden Verzerrungen gleich sind, im Gegensatz zu alternativen Gravitationstheorien, bei denen sich diese Verzerrungen im Allgemeinen unterscheiden.

Die Gültigkeit von Einsteins Theorie an den Grenzen des Universums zu testen, ist zweifellos eine der größten Herausforderungen der Kosmologie von morgen.

Hinweis::
Euklidist die von der ESA ausgewählte Weltraummission (geplant für 2023), die Antworten auf die wahre Natur des Universums liefern könnte. Euklid wird die Geschichte der Expansion des Universums und der Entstehung kosmischer Strukturen untersuchen. Ziel ist es, die Verteilung der Materie im Universum zu messen und wie sich diese Verteilung seit dem Urknall entwickelt hat. Der Name der Mission wurde zu Ehren von Euklid (300 v. Chr.) gewählt, einem griechischen Mathematiker, der als Vater der Geometrie gilt.