Folgt die Schwerkraft im Maßstab des Universums anderen Gesetzen?
Kosmologen wissen seit den 1930er Jahren, dass sich unser Universum ausdehnt: Dieses Phänomen stimmt mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie überein. Im Jahr 1998 wurde allerdings festgestellt, dass sich diese Expansion beschleunigt. Wir verstehen nicht ganz, warum das passiert. Dennoch haben die Wissenschaftler eine Reihe von Möglichkeiten identifiziert. Eine davon könnte die Existenz dunkler Energie im Universum sein. Sie verfügt über Eigenschaften, die wir noch nicht erklären können. Eine andere ist, dass wir die Wirkungsweise der Schwerkraft über sehr große Entfernungen – jenseits des Maßstabs von Galaxien – noch nicht vollständig verstehen. Ist Einsteins allgemeine Relativitätstheorie in diesem Maßstab möglicherweise nicht anwendbar? „Eine Schlüsselfrage für Kosmologen ist, welcher Ansatz der richtige ist“, sagt Camille Bonvin, Koordinatorin des Projekts LSSgrav von der Universität Genf(öffnet in neuem Fenster) in der Schweiz. „Mein Ziel im Rahmen des Projekts LSSgrav war es, neue Methoden zu entwickeln, um die Regeln der Schwerkraft über sehr große Entfernungen zu testen.“
Die großräumige Struktur des Universums
Um dies zu erreichen, untersuchte Bonvin, die vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) unterstützt wurde, die großräumige Struktur des Universums. Dabei sollte vor allem untersucht werden, wie Galaxien verteilt sind, die durch die Schwerkraft zu Galaxienhaufen und kosmischen Strukturen zusammengezogen werden. Ein wichtiger Punkt hierbei ist, dass wir die Galaxien nicht genau so sehen, wie sie sind. Das Licht, das wir sehen, wird durch viele Faktoren verzerrt, zum Beispiel wenn sich die Galaxie innerhalb eines dichten Galaxienhaufens befindet. „Während Kosmologen dazu neigen, diese Verzerrung als Messstörung zu betrachten, verfolgte ich den Ansatz, diese Verzerrung nicht als Rauschen, sondern als Signal zu sehen“, bemerkt Bonvin. „Denn wenn wir aus der Verteilung der Galaxien auf die Verzerrung von Raum und Zeit schließen können, können wir dies nutzen, um die Gesetze der Schwerkraft zu testen.“
Dunkle Materie im Universum
Bonvin machte sich daran, Methoden zur Messung dieser Verzerrungen zu entwickeln, was keine leichte Aufgabe darstellte. Um diese Effekte zu isolieren und zu verstärken wurden neuartige Beobachtungsmethoden entwickelt. „Bei der Durchführung derartiger Tests müssen wir immer vorsichtig sein“, erklärt Bonvin. „Uns ist klar, dass uns etwas fehlt – die dunkle Materie, von der wir wissen, dass sie im Universum existiert – und es ist schwierig, hier eine Unterscheidung zu treffen. Wenn es nun eine Anomalie gibt – liegt das dann daran, dass die allgemeine Relativitätstheorie nicht stimmt, oder dass sich die dunkle Materie ungewöhnlich verhält?“ Durch die Anwendung ihrer neuen Beobachtungstechnik auf synthetische Daten, die Messungen der neuesten Generation von Durchmusterungen nachahmen, konnte Bonvin zeigen, dass es möglich ist, zwischen Schwerkraft und dunkler Materie zu unterscheiden. „Wir konnten zeigen, dass wir die Theorie der Schwerkraft testen können, indem wir die Verzerrung der Zeit mit der Verzerrung des Raums vergleichen, um zu sehen, ob sie gleich sind oder nicht“, stellt sie fest. „Die Theorie besagt, dass diese Verzerrungen gleich sein sollten. Wenn sie voneinander abweichen, bedeutet das, dass Einsteins allgemeine Relativitätstheorie im Bereich kosmologischer Entfernungen nicht korrekt ist.“
Verzerrung von Zeit und Raum
Die positiven Ergebnisse dieses neuen Ansatzes eröffnen neue Denkweisen. „Wir müssen bei den Hypothesen, die wir aufstellen, immer vorsichtig sein“, fügt Bonvin hinzu. „Wir sollten berücksichtigen, dass es viele Unbekannte gibt. Bei diesem beobachtbaren Ansatz geht es darum, dass notwendige Informationen gewonnen werden, mit deren Hilfe wir Unterscheidungen treffen können.“ Bonvin beabsichtigt, diese Forschungsrichtung weiterzuentwickeln und ihren Ansatz auf die neue Generation von Daten anzuwenden, die derzeit gesammelt werden, um damit Tests durchzuführen und so die Unterscheidung zwischen Schwerkraft, dunkler Energie und dunkler Materie zu ermöglichen. Dies könnte dazu beitragen, eine Reihe von kosmologischen Fragen zu beantworten – unter anderem, warum sich die Expansion unseres Universums beschleunigt.