Was ist dunkle Energie?
Wie denken wir über etwas nach, das wir in unserem Alltag nicht sehen und erleben können, aber unser Universum immer schneller auseinander zu drücken scheint? Bildnachweis: NASA, ESA, G. Illingworth, D. Magee und P. Oesch (University of California, Santa Cruz), R. Bouwens (Leiden University) und das HUDF09 Team, CC BY
Robert Scherrer,Vanderbilt-Universität
Die Natur der dunklen Energie ist eines der wichtigsten ungelösten Probleme der gesamten Wissenschaft. Aber was genau ist dunkle Energie und warum glauben wir überhaupt, dass sie existiert?
Was hoch geht, muss runter... richtig?Ballbild über www.shutterstock.com
Treten Sie eine Minute zurück und betrachten Sie eine bekanntere Erfahrung: Was passiert, wenn Sie einen Ball direkt in die Luft werfen? Es verlangsamt sich allmählich, während die Schwerkraft daran zerrt, stoppt schließlich mitten in der Luft und fällt zurück auf den Boden. Natürlich, wenn Sie den Ball hart genug werfen (etwa 45.000 Meilen pro Stunde), würde er tatsächlich vollständig von der Erde entkommen und in den Weltraum schießen, um nie zurückzukehren. Aber selbst in diesem Fall würde die Schwerkraft weiterhin schwach an dem Ball ziehen und seine Geschwindigkeit verlangsamen, wenn er den Klauen der Erde entkam.
Aber jetzt stell dir etwas ganz anderes vor. Angenommen, Sie haben einen Ball in die Luft geworfen und der Ball wird nicht vom Boden angezogen, sondern von der Erde abgestoßen und schießt immer schneller in den Himmel. Dies wäre ein erstaunliches Ereignis, aber es ist genau das, was Astronomen im gesamten Universum beobachtet haben!
Wissenschaftler wissen seit fast einem Jahrhundert, dass dieUniversum dehnt sich aus, wobei alle Galaxien auseinander fliegen. Und bis vor kurzem glaubten Wissenschaftler, dass es für das Universum in Zukunft nur zwei mögliche Optionen gäbe. Es könnte sich für immer ausdehnen (wie der Ball, den Sie mit 45.000 Meilen pro Stunde nach oben geworfen haben), aber die Expansion verlangsamte sich, da die Schwerkraft alle Galaxien aufeinander zuzog. Oder die Schwerkraft könnte am Ende siegen und die Expansion des Universums zum Stillstand bringen und es schließlich in einem „großen Knirschen“ wieder zusammenbrechen, genau wie Ihr Ball zurück auf den Boden fällt.
Diese Abbildung zeigt abstrahierte Raumabschnitte zu verschiedenen Zeitpunkten, während sich das Universum ausdehnt.
Bildnachweis: Ævar Arnfjörð Bjarmason,
Stellen Sie sich also die Überraschung der Wissenschaftler vor, wenn zwei verschiedeneMannschaftenvonAstronomenentdeckte 1998, dass keines dieser Verhaltensweisen richtig war. Diese Astronomen haben gemessen, wie schnell sich das Universum ausdehnt, als es viel jünger war als heute. Aber wie konnten sie dies tun, ohne eine Zeitmaschine zu bauen?
Zum Glück ein Teleskopisteine Zeitmaschine. Wenn Sie nachts zu den Sternen aufblicken, sehen Sie nicht, wie sie heute aussehen – Sie sehen Licht, das die Sterne vor langer Zeit verlassen hat – oft viele Hundert Jahre. Wenn Astronomen weit entfernte Supernovae betrachten, bei denen es sich um enorm helle, explodierende Sterne handelt, können Astronomen Hunderte von Millionen Jahren zurückblicken. Sie können dann die Expansionsrate damals messen, indem sie die Entfernung zu diesen weit entfernten Supernovae mit der Geschwindigkeit vergleichen, mit der sie von uns wegfliegen. Und durch den Vergleich der Expansionsgeschwindigkeit des Universums vor Hunderten von Millionen Jahren mit seiner heutigen Expansionsrate stellten diese Astronomen fest, dass die Expansion tatsächlich so istBeschleunigenanstatt langsamer zu werden, wie alle erwartet hatten.
Was treibt solche Galaxien im Tiefenfeld von Hubble auseinander? Bildnachweis:NASA und A. Riess (STScI)
Anstatt die Galaxien im Universum zusammenzuziehen, scheint die Schwerkraft sie auseinander zu treiben. Aber wie kann die Schwerkraft abstoßend sein, wenn unsere alltägliche Erfahrung zeigt, dass sie attraktiv ist? Tatsächlich sagt Einsteins Gravitationstheorie voraus, dass die Schwerkraft sowohl abstoßen als auch anziehen kann, aber nur unter ganz besonderen Umständen.
Die abstoßende Schwerkraft erfordert eine neue Energieform, die als 'dunkle Energie' bezeichnet wird, mit sehr seltsamen Eigenschaften. Im Gegensatz zu gewöhnlicher Materie hat dunkle EnergieNegativDruck, und dieser negative Druck macht die Schwerkraft abstoßend. (Für gewöhnliche Materie ist die Schwerkraft immer attraktiv). Dunkle Energie scheint glatt durch das gesamte Universum verschmiert zu sein, und sie interagiert nur durch die Wirkung der Schwerkraft mit gewöhnlicher Materie, was einen Test im Labor fast unmöglich macht.
Wissenschaftler dachten früher, dass die Expansion des Universums durch die gelben, grünen oder blauen Kurven beschrieben wird. Aber Überraschung, es ist stattdessen die rote Kurve.
Die einfachste Form der dunklen Energie hat zwei verschiedene Namen: eine kosmologische Konstante oder Vakuumenergie. Vakuumenergie hat noch eine andere seltsame Eigenschaft. Stellen Sie sich eine Kiste vor, die sich mit der Expansion des Universums ausdehnt. Die Materiemenge in der Kiste bleibt gleich, wenn sich die Kiste ausdehnt, aber das Volumen der Kiste nimmt zu, sodass die Dichte der Materie in der Kiste sinkt. Tatsächlich ist die Dichte vonallessinkt, wenn sich das Universum ausdehnt. Abgesehen von der Vakuumenergie – ihre Dichte bleibt genau gleich. (Ja, das ist so bizarr, wie es sich anhört. Es ist, als würde man eine Schnur Toffee dehnen und feststellen, dass es nie dünner wird).
Astronomen untersuchen weiterhin den Himmel und suchen nach feineren Details, die auf dem aufbauen können, was wir über dunkle Energie vermuten. Bildnachweis:Reidar Hahn
Da dunkle Energie nicht isoliert oder im Labor untersucht werden kann, wie können wir hoffen, genau zu verstehen, woraus sie besteht? Verschiedene Theorien zur Dunklen Energie sagen kleine Unterschiede in der Art und Weise voraus, wie sich die Expansion des Universums mit der Zeit ändert, daher scheint unsere beste Hoffnung, die Dunkle Energie zu untersuchen, von immer genaueren Messungen der Beschleunigung des Universums zu kommen, die auf dieser ersten Entdeckung aufbauen 17 vor Jahren. Verschiedene Wissenschaftlergruppen führen derzeit ein breites Spektrum dieser Messungen durch. Zum Beispiel dieUmfrage zur Dunklen Energiekartografiert die Verteilung von Galaxien im Universum, um dieses Rätsel zu lösen.
Es gibt noch eine andere Möglichkeit: Vielleicht haben Wissenschaftler den falschen Baum angebellt. Vielleicht gibt es keine dunkle Energie, und unsere Messungen bedeuten tatsächlich, dass Einsteins Gravitationstheorie falsch ist und korrigiert werden muss. Dies wäre ein entmutigendes Unterfangen, da Einsteins Theorie außergewöhnlich gut funktioniert, wenn wir sie im Sonnensystem testen. (Seien wir ehrlich, Einstein wusste wirklich, was er tat). Bisher hat niemand eine überzeugende Verbesserung von Einsteins Theorie hervorgebracht, die die korrekte Expansion des Universums vorhersagt und dennoch mit Einsteins Theorie innerhalb des Sonnensystems übereinstimmt. Das überlasse ich dem Leser als Hausaufgabe.
Albert Einstein.
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