Mathematiker stellen Dunkle Energie in Frage: Einsteins Gleichungen könnten die kosmische Beschleunigung natürlich erklären

Mathematiker der University of California, Davis, haben eine erhebliche Herausforderung für die vorherrschende Erklärung der beschleunigten Expansion des Universums vorgelegt. In einer in den Proceedings of the Royal Society A veröffentlichten Studie argumentiert das Team, dass das Standardmodell auf einem mathematischen Rahmen beruht, der inhärent instabil ist. Ihre Berechnungen deuten darauf hin, dass die kosmische Beschleunigung natürlich aus Einsteins ursprünglicher Gravitationstheorie hervorgehen könnte, was potenziell den Bedarf an dem mysteriösen Bestandteil namens Dunkle Energie eliminiert.

Die Forschung konzentriert sich auf das Lambda-Kalte-Dunkle-Materie-Modell, das seit dem Urknall der führende Rahmen zur Beschreibung der Entwicklung des Universums ist. Durch die Analyse der Einstein-Euler-Gleichungen, die die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Strömungsmechanik kombinieren, stellten die Forscher fest, dass Friedmann-Raumzeiten – das Fundament konventioneller Expansionsmodelle – sowohl auf kleinen als auch auf großen Skalen instabil sind. Blake Temple, der korrespondierende Autor der Studie und emeritierter Distinguished Professor für Mathematik an der UC Davis, verglich diese Instabilität mit einem Bleistift, der vertikal auf seiner Spitze balanciert. Obwohl ein solcher Zustand eine Lösung darstellt, in der Kräfte im Gleichgewicht sind, ist er physikalisch nicht beobachtbar, da jede geringfügige Störung dazu führt, dass er zusammenbricht.

Temple erklärte, dass instabile Lösungen in der Physik im Allgemeinen als unphysikalisch betrachtet werden, da sie in der Natur niemals beobachtet würden. Die Analyse des Teams zeigt, dass sich das Universum natürlich von dem Verhalten entfernt, das durch diese konventionellen Modelle vorhergesagt wird. Folglich könnte die beschleunigte Expansion keine separate Form von Energie zur Erklärung benötigen. Stattdessen könnte die Antwort bereits in Einsteins ursprünglichen Gleichungen enthalten sein und eine einfachere und natürlichere Erklärung als Dunkle Energie bieten.

Seit fast drei Jahrzehnten ist Dunkle Energie die primäre Erklärung für die Entdeckung, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt, sondern beschleunigt. Dieses Konzept geht auf Einsteins 1915 veröffentlichte Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie zurück. Obwohl Einstein ursprünglich eine "kosmologische Konstante" eingeführt hatte, um ein statisches Universum aufrechtzuerhalten – ein Schritt, den er später nach Edwin Hubbles Entdeckung der Expansion im Jahr 1929 als seinen größten Fehler bezeichnete –, gewann der Begriff in den 1990er Jahren wieder an Bedeutung, als Astronomen eine beschleunigte kosmische Expansion beobachteten. Heute wird dies innerhalb des Standard-Friedmann-Universumsmodells mit Dunkler Energie in Verbindung gebracht, das davon ausgeht, dass sich der Raum ausdehnt, während die Materie gleichmäßig verteilt bleibt.

Die Forscher untersuchten zunächst, ob eine massive Stoßwelle die Expansion und ihre Beschleunigung erklären könnte. Sie identifizierten eine Familie selbstähnlicher Lösungen während der Strahlungsära des Urknalls, die eine expandierende Welle modellieren könnten. Unter Verwendung einer selbstähnlichen Form von Einsteins Gleichungen behandelten sie das Standardkosmologiemodell als Ruhepunkt, um zu untersuchen, wie sich kleine Abweichungen von diesem Zustand im Laufe der Zeit verhalten würden. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass konventionelle Beschreibungen anfällig für Störungen sind, die wachsen statt abklingen.

Temple erklärte, dass ihre Arbeit beweist, dass Friedmann-Raumzeiten gegenüber radialen Störungen auf großen Längenskalen instabil sind, ähnlich wie Einsteins statisches Modell. Diese Instabilität scheint das Lambda-Kalte-Dunkle-Materie-Modell als eine lebensfähige stabile Lösung der Einstein-Gleichungen auszuschließen, unabhängig davon, ob Dunkle Energie enthalten ist oder nicht. Radiale Störungen, die sich mit dem Abstand von einem zentralen Punkt ändern, können dazu führen, dass sich ein expandierendes Universum von den Standardvorhersagen entfernt. Die Forscher argumentieren, dass der Urknall zwar in der Nähe eines Symmetriezentrums wie eine Friedmann-Raumzeit aussehen mag, Beobachter jedoch weit entfernt von diesem Zentrum generisch Beschleunigungen beobachten würden.

Über die Implikationen für die Dunkle Energie hinaus wirft die Studie grundlegende Fragen zum kopernikanischen Prinzip auf, das besagt, dass unsere Position im Universum nicht besonders oder privilegiert ist. Der alternative Rahmen der Forscher führt ein Zentrum sphärischer Symmetrie ein, was Fragen darüber aufwirft, wo sich ein Beobachter befinden muss, damit das Modell mit den Beobachtungen übereinstimmt. Temple argumentierte, dass sowohl das Standard-Lambda-Kalte-Dunkle-Materie-Modell als auch eine sphärisch symmetrische Raumzeit einen besonderen Ort erzeugen, an dem sich Beobachter befinden müssen, damit die Modelle physikalisch plausibel sind. Er stellte fest, dass, wenn das kopernikanische Prinzip das eine ausschließt, es auch das andere ausschließen muss.

Die Ergebnisse stellen eine theoretische Herausforderung für die Standardkosmologie dar und keine beobachtungsbezogene Beweiskraft dafür, dass Dunkle Energie unnötig ist. Die Feststellung, ob diese Alternative das tatsächliche Universum beschreiben kann, erfordert eine Bewertung, wie gut ihre Vorhersagen mit astronomischen Beobachtungen übereinstimmen. Wenn weitere theoretische und beobachtende Arbeiten ihre Interpretation unterstützen, könnte dies zu einer erheblichen Neubewertung führen, wie Wissenschaftler die kosmische Expansion und die mathematischen Grundlagen des Urknalls verstehen. Die Forschung wurde vom Engineering and Physical Sciences Research Council des Vereinigten Königreichs und vom SQuaREs-Programm des American Institute of Mathematics finanziert.

Quellen: ScienceDaily.