Der Dunklen Energie auf der Spur

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Bildquelle: F. B. Abdalla et al., MNRAS

Unser Kosmos enthält überwiegend unsichtbare Komponenten: Die sichtbare Materie, aus der Sterne, Planeten und wir Menschen bestehen, macht lediglich 4,6 Prozent aus – 24 Prozent fallen auf die Dunkle Materie und der Löwenanteil von 71,4 Prozent auf die noch geheimnisvollere Dunkle Energie. Letztere beschleunigt die Expansion des Weltalls – aber was steckt physikalisch dahinter? Eine Antwort auf diese Frage sucht der „Dark Energy Survey“ DES, eine seit 2013 laufende Durchmusterung des Himmels nach Supernovae und Galaxien im optischen und nahinfrarotem Spektralbereich. Das DES-Team hat jetzt eine erste kombinierte Auswertung der gemessenen Daten veröffentlicht. Für sich genommen ist das Ergebnis zwar nicht spektakulär – es bestätigt lediglich bereits mit anderen Methoden erhaltene Resultate zur Dunklen Energie. Doch das DES-Team sieht darin einen „proof of concept“ – das Verfahren habe sich bewährt und könne mit den weiter einlaufenden Daten schon bald neue Erkenntnisse über die physikalische Beschaffenheit der Dunklen Energie liefern.

„Die Kombination mehrerer Beobachtungsgrößen gilt seit langem als mächtiges Verfahren zur Bestimmung kosmologischer Parameter, insbesondere auch der Dunklen Energie“, begründet das internationale Forscherteam den Ansatz des „Dark Energy Survey“. Im Rahmen des DES bestimmen die Forscher die Lichtkurven von Supernovae, die Größe akustischer Schwingungen der baryonischen Materie im Kosmos, den schwachen Gravitationslinseneffekt durch großräumige kosmische Strukturen und die Entwicklung der Galaxienhaufen. Alle diese Beobachtungsgrößen stellen einen Zusammenhang her zwischen den Entfernungen der beobachteten Objekte und der kosmischen Expansion und erlauben es so, Rückschlüsse auf den Verlauf der Expansion und damit auch auf die Dunkle Energie zu ziehen.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie tritt die Dunkle Energie als zeitlich konstante Energie des Vakuums in Erscheinung. Denkbar ist jedoch auch, dass die Dunkle Energie sich im Laufe der kosmischen Entwicklung verändert hat und damit einen Hinweis auf eine „neue Physik“ jenseits der Relativitätstheorie liefert. Kosmologen beschreiben eine solche Änderung mit dem „w-Parameter“: Für eine zeitlich unveränderliche Dunkle Energie wäre w = -1. Die jetzt veröffentlichten Daten des DES liefern einen Wert von w = -0,8 ± 0,1. Das bestätigt einerseits – wenig Überraschend – die Existenz der Dunklen Energie und deutet anderseits tatsächlich auf eine zeitliche Änderung der Dunklen Energie hin. Allerdings sehen die DES-Forscher dieses Resultat mit Blick auf die große Fehlerspanne noch nicht als signifikant an.

Doch das Verfahren habe sich bewährt: „Bislang wurden unterschiedliche Daten mit unterschiedlichen Experimenten gesammelt – die wiederum unterschiedlichen Kalibrierungen und systematischen Fehlern ausgesetzt waren“, so die Wissenschaftler. „Wir haben dagegen im DES erstmals Supernova-Messungen, Messungen der baryonischen Oszillationen, des schwachen Gravitationslinseneffekts und der Bildung von Galaxienhaufen miteinander kombiniert, die auf einheitlicher Kalibrierung und einheitlichen Auswertungsverfahren basieren.“ Die künftigen Messungen des DES könnten, so die Erwartung der Forscher, zu einer Verkleinerung der Fehler um einen Faktor von 2 bis 4 führen – und damit schon bald erstmals tatsächlich eine signifikante Abweichung der Dunklen Energie von den Erwartungen der Allgemeinen Relativitätstheorie nachweisen.

Quelle: dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.171301

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