Supernova-Studie zeigt, dass Dunkle Energie möglicherweise komplizierter ist, als wir dachten

Woraus besteht das Universum? Diese Frage beschäftigt Astronomen seit Hunderten von Jahren.

Seit einem Vierteljahrhundert glauben Wissenschaftler, dass „normale“ Dinge wie Atome und Moleküle, aus denen Sie, ich, die Erde und fast alles, was wir sehen können, bestehen, nur 5 Prozent des Universums ausmachen. Weitere 25 Prozent sind „Dunkle Materie“, eine unbekannte Substanz, die wir nicht sehen können, die wir aber dadurch erkennen können, wie sie über die Schwerkraft normale Materie beeinflusst.

Die restlichen 70 Prozent des Kosmos bestehen aus „dunkler Energie“. Es handelt sich um eine unbekannte Energieform, die 1998 entdeckt wurde und vermutlich dafür sorgt, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt.

In eine neue Studie, erscheint bald im Astronomisches Tagebuch, meine Kollegen und ich haben die Eigenschaften der Dunklen Energie detaillierter als je zuvor gemessen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass es sich möglicherweise um eine hypothetische Vakuumenergie handelt, die erstmals von Einstein vorgeschlagen wurde – oder dass es sich um etwas Seltsameres und Komplizierteres handelt, das sich im Laufe der Zeit ändert.

Was ist Dunkle Energie?

Als Einstein vor über einem Jahrhundert die allgemeine Relativitätstheorie entwickelte, erkannte er, dass seine Gleichungen zeigten, dass sich das Universum entweder ausdehnen oder schrumpfen sollte. Das schien ihm falsch, also fügte er eine „kosmologische Konstante“ hinzu – eine Art Energie, die dem leeren Raum innewohnt –, um die Schwerkraft auszugleichen und das Universum statisch zu halten.

Als später die Arbeit von Henrietta Swan Leavitt und Edwin Hubble zeigte, dass sich das Universum tatsächlich ausdehnte, schaffte Einstein die kosmologische Konstante ab und nannte sie seinen „größten Fehler“.

Doch 1998 stellten zwei Forscherteams fest, dass sich die Expansion des Universums tatsächlich beschleunigte. Dies impliziert, dass es doch etwas geben könnte, das Einsteins kosmologischer Konstante sehr ähnlich ist – etwas, das wir heute dunkle Energie nennen.

Seit diesen ersten Messungen verwenden wir Supernovae und andere Sonden, um die Natur von Supernovae zu messen dunkle Energie. Bisher haben diese Ergebnisse gezeigt, dass die Dichte der dunklen Energie im Universum konstant zu sein scheint.

Das bedeutet, dass die Stärke der dunklen Energie auch dann gleich bleibt, wenn das Universum wächst – sie scheint nicht dünner zu sein, je größer das Universum wird. Wir messen dies mit einer aufgerufenen Zahl w. Einsteins kosmologische Konstante in der Wirkungsmenge w auf –1, und frühere Beobachtungen deuten darauf hin, dass dies ungefähr richtig war.

Explodierende Sterne als kosmische Maßstäbe

Wie messen wir, was sich im Universum befindet und wie schnell es wächst? Wir haben keine riesigen Maßbänder oder Riesenwaagen, sondern verwenden stattdessen „Standardkerzen“: Objekte in Raum dessen Helligkeit wir kennen.

Stellen Sie sich vor, es ist Nacht und Sie stehen mit ein paar Lichtmasten auf einer langen Straße. Diese Pole haben alle die gleiche Glühbirne, aber die weiter entfernten Pole sind schwächer als die nahegelegenen.

Dies liegt daran, dass das Licht proportional zur Entfernung schwächer wird. Wenn wir die Leistung der Glühbirne kennen und messen können, wie hell die Glühbirne scheint, können wir den Abstand zum Lichtmast berechnen.

Für Astronomen ist eine gewöhnliche kosmische Glühbirne eine Art explodierender Stern, der als Typ-Ia-Supernova bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um Weiße Zwerge, die oft Materie von einem Nachbarstern ansaugen und wachsen, bis sie die 1.44-fache Masse unserer Sonne erreichen und dann explodieren. Indem wir messen, wie schnell die Explosion abklingt, können wir bestimmen, wie hell sie war und wie weit sie von uns entfernt war.

Die Umfrage zur Dunklen Energie

Das Umfrage zur Dunklen Energie ist der bisher größte Versuch, dunkle Energie zu messen. Mehr als 400 Wissenschaftler auf mehreren Kontinenten arbeiten seit fast einem Jahrzehnt zusammen, um wiederholt Teile des Südhimmels zu beobachten.

Wiederholte Beobachtungen lassen uns nach Veränderungen suchen, etwa nach neuen explodierenden Sternen. Je öfter Sie beobachten, desto besser können Sie diese Veränderungen messen, und je größer der Bereich, den Sie durchsuchen, desto mehr Supernovae können Sie finden.

Die ersten Ergebnisse, die auf die Existenz dunkler Energie hindeuteten, nutzten nur ein paar Dutzend Supernovae. Die neuesten Ergebnisse des Dark Energy Survey basieren auf rund 1,500 explodierenden Sternen, was eine wesentlich höhere Präzision ergibt.

Mit einer speziell gebauten Kamera, die am 4-Meter-Blanco-Teleskop am Interamerikanischen Observatorium Cerro-Tololo in Chile installiert ist, wurden bei der Untersuchung Tausende von Supernovae unterschiedlichen Typs gefunden. Um herauszufinden, welche vom Typ Ia waren (die Art, die wir zum Messen von Entfernungen benötigen), verwendeten wir das 4-Meter-Anglo-Australian-Teleskop am Siding Spring Observatory in New South Wales.

Das Anglo Australian Telescope führte Messungen durch, die die Lichtfarben der Supernovae aufschlüsselten. Dadurch können wir einen „Fingerabdruck“ der einzelnen Elemente der Explosion erkennen.

Supernovae vom Typ Ia weisen einige einzigartige Merkmale auf, z. B. enthalten sie keinen Wasserstoff und kein Silizium. Und da es genügend Supernovae gab, konnten wir dank maschinellem Lernen Tausende von Supernovae effizient klassifizieren.

Komplizierter als die kosmologische Konstante

Schließlich hat der Dark Energy Survey nach mehr als einem Jahrzehnt Arbeit und der Untersuchung von rund 1,500 Supernovae vom Typ Ia eine neue beste Messung von gemacht w. Wir fanden w = –0.80 ± 0.18, liegt also irgendwo zwischen –0.62 und –0.98.

Das ist ein sehr interessantes Ergebnis. Er liegt nahe bei –1, aber nicht ganz genau dort. Um die kosmologische Konstante oder die Energie des leeren Raums zu sein, müsste sie genau –1 sein.

Wohin führt uns das? Mit der Idee, dass möglicherweise ein komplexeres Modell der dunklen Energie erforderlich ist, möglicherweise eines, bei dem sich diese mysteriöse Energie im Laufe des Lebens des Universums verändert hat.

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

Bildnachweis: Die Überreste einer Supernova vom Typ Ia – einer Art explodierender Stern, der zur Entfernungsmessung im Universum verwendet wird. NASA / CXC / U.Texas, CC BY

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• Quelle: https://singularityhub.com/2024/01/12/supernova-study-shows-dark-energy-may-be-more-complicated-than-we-thought/