Astronomen auf der ganzen Welt sind ein bisschen nervös, weil sie sich nicht einig zu sein scheinen, wie schnell sich das Universum ausdehnt.
Seit unser Universum aus einer Explosion eines winzigen Flecks unendlicher Dichte und Schwerkraft hervorgegangen ist, ist es im Ballon aufgestiegen und auch nicht mit konstanter Geschwindigkeit - die Expansion des Universums wird immer schneller.
Aber wie schnell es expandiert, hat eine schwindelerregende Debatte ausgelöst. Messungen dieser Expansionsrate aus nahe gelegenen Quellen scheinen im Widerspruch zu derselben Messung aus entfernten Quellen zu stehen. Eine mögliche Erklärung ist, dass im Universum im Grunde genommen etwas Funkiges vor sich geht, das die Expansionsrate verändert.
Und ein Theoretiker hat vorgeschlagen, dass ein brandneues Teilchen entstanden ist, das das zukünftige Schicksal unseres gesamten Kosmos verändert.
Hubble, Hubble, Mühe und Ärger
Astronomen haben mehrere clevere Methoden entwickelt, um den sogenannten Hubble-Parameter oder die Hubble-Konstante zu messen (bezeichnet für Menschen mit einem geschäftigen Leben als H0). Diese Zahl repräsentiert die Expansionsrate des heutigen Universums.
Eine Möglichkeit, die Expansionsrate heute zu messen, besteht darin, die nahe gelegenen Supernovae zu betrachten, die Explosion von Gas und Staub, die von den größten Sternen des Universums nach ihrem Tod ausgestoßen werden. Es gibt eine bestimmte Art von Supernova mit einer ganz bestimmten Helligkeit, sodass wir vergleichen können, wie hell sie aussehen, mit der Helligkeit, von der wir wissen, dass sie sein soll, und die Entfernung berechnen können. Wenn Astrophysiker das Licht der Wirtsgalaxie der Supernova betrachten, können sie auch berechnen, wie schnell sie sich von uns entfernen. Indem wir alle Teile zusammenfügen, können wir die Expansionsrate des Universums berechnen.
Aber das Universum bietet mehr als explodierende Sterne. Es gibt auch so etwas wie den kosmischen Mikrowellenhintergrund, der das übrig gebliebene Licht kurz nach dem Urknall ist, als unser Universum noch ein Baby war, nur 380.000 Jahre alt. Mit Missionen wie dem Planck-Satelliten, die mit der Kartierung dieser Reststrahlung beauftragt sind, verfügen Wissenschaftler über unglaublich genaue Karten dieses Hintergrunds, mit denen sich ein sehr genaues Bild des Inhalts des Universums machen lässt. Und von dort aus können wir diese Zutaten nehmen und mit Computermodellen die Uhr vorwärts laufen lassen und sagen können, wie hoch die Expansionsrate heute sein sollte - vorausgesetzt, die grundlegenden Zutaten des Universums haben sich seitdem nicht geändert.
Diese beiden Schätzungen stimmen nicht genug überein, um die Leute ein wenig besorgt zu machen, dass uns etwas fehlt.
Schau auf die dunkle Seite
Möglicherweise sind eine oder beide Messungen falsch oder unvollständig. Viele Wissenschaftler auf beiden Seiten der Debatte werfen ihren Gegnern die entsprechende Menge Schlamm zu. Wenn wir jedoch davon ausgehen, dass beide Messungen genau sind, brauchen wir etwas anderes, um die verschiedenen Messungen zu erklären. Da eine Messung aus dem sehr frühen Universum stammt und eine andere aus einer relativ jüngeren Zeit stammt, wird angenommen, dass möglicherweise eine neue Zutat im Kosmos die Expansionsrate des Universums auf eine Weise verändert, die wir in unserer noch nicht erfasst haben Modelle.
Und was heute die Expansion des Universums dominiert, ist ein mysteriöses Phänomen, das wir dunkle Energie nennen. Es ist ein großartiger Name für etwas, das wir im Grunde nicht verstehen. Wir wissen nur, dass sich die Expansionsrate des Universums heute beschleunigt, und wir nennen die Kraft, die diese Beschleunigung antreibt, "dunkle Energie".
In unseren Vergleichen vom jungen Universum zum heutigen Universum gehen Physiker davon aus, dass die dunkle Energie (was auch immer sie ist) konstant ist. Aber mit dieser Annahme haben wir die gegenwärtige Meinungsverschiedenheit, also ändert sich vielleicht die dunkle Energie.
Ich denke, es ist einen Versuch wert. Nehmen wir an, dass sich die dunkle Energie ändert.
Wissenschaftler haben den Verdacht, dass dunkle Energie etwas mit der Energie zu tun hat, die im Vakuum der Raumzeit selbst eingeschlossen ist. Diese Energie kommt aus allen „Quantenfeldern“, die das Universum durchdringen.
In der modernen Quantenphysik ist jede einzelne Art von Teilchen an ein bestimmtes Feld gebunden. Diese Felder spülen sich durch die gesamte Raumzeit, und manchmal werden Teile der Felder an bestimmten Stellen sehr aufgeregt und werden zu Teilchen, die wir kennen und lieben - wie Elektronen, Quarks und Neutrinos. Alle Elektronen gehören also zum Elektronenfeld, alle Neutrinos gehören zum Neutrinofeld und so weiter. Das Zusammenspiel dieser Felder bildet die grundlegende Grundlage für unser Verständnis der Quantenwelt.
Und egal wohin du im Universum gehst, du kannst den Quantenfeldern nicht entkommen. Selbst wenn sie an einem bestimmten Ort nicht genug vibrieren, um ein Teilchen herzustellen, sind sie immer noch da, wackeln und vibrieren und machen ihre normale Quantensache. Mit diesen Quantenfeldern ist also eine grundlegende Energiemenge verbunden, selbst im bloßen leeren Vakuum.
Wenn wir die exotische Quantenenergie des Vakuums der Raumzeit nutzen wollen, um die Dunkle Energie zu erklären, stoßen wir sofort auf Probleme. Wenn wir einige sehr einfache, sehr naive Berechnungen durchführen, wie viel Energie aufgrund aller Quantenfelder im Vakuum vorhanden ist, erhalten wir eine Zahl, die etwa 120 Größenordnungen stärker ist als die, die wir als dunkle Energie betrachten. Hoppla.
Wenn wir andererseits komplexere Berechnungen versuchen, erhalten wir eine Zahl, die Null ist. Was auch nicht mit der gemessenen Menge an dunkler Energie übereinstimmt. Hoppla nochmal.
Egal was passiert, es fällt uns wirklich schwer, die Dunkle Energie durch die Sprache der Vakuumenergie der Raumzeit (der Energie, die durch diese Quantenfelder erzeugt wird) zu verstehen. Aber wenn diese Messungen der Expansionsrate genau sind und sich die Dunkle Energie wirklich ändert, könnte dies uns einen Hinweis auf die Natur dieser Quantenfelder geben. Insbesondere wenn sich die Dunkle Energie ändert, bedeutet dies, dass sich die Quantenfelder selbst geändert haben.
Ein neuer Feind erscheint
Der theoretische Physiker Massimo Cerdonio von der Universität Padua hat in einem kürzlich online im Preprint-Journal arXiv veröffentlichten Artikel das Ausmaß der Änderung der Quantenfelder berechnet, die zur Berücksichtigung der Änderung der Dunklen Energie erforderlich sind.
Wenn es ein neues Quantenfeld gibt, das für die Änderung der Dunklen Energie verantwortlich ist, bedeutet dies, dass es da draußen im Universum ein neues Teilchen gibt.
Und das Ausmaß der Änderung der Dunklen Energie, das Cerdonio berechnet hat, erfordert eine bestimmte Art von Partikelmasse, die sich als ungefähr dieselbe Masse einer neuen Art von Partikel herausstellt, die bereits vorhergesagt wurde: das sogenannte Axion. Die Physiker haben dieses theoretische Teilchen erfunden, um einige Probleme mit unserem Quantenverständnis der starken Kernkraft zu lösen.
Dieses Teilchen erschien vermutlich im sehr frühen Universum, lauerte jedoch im Hintergrund, während andere Kräfte und Teilchen die Richtung des Universums kontrollierten. Und jetzt ist das Axion an der Reihe ...
Trotzdem haben wir noch nie ein Axion entdeckt, aber wenn diese Berechnungen korrekt sind, bedeutet dies, dass das Axion da draußen ist und das Universum und sein Quantenfeld ausfüllt. Auch dieses hypothetische Axion macht sich bereits bemerkbar, indem es die Menge an dunkler Energie im Kosmos verändert. Es könnte also sein, dass dieses Teilchen, obwohl wir es noch nie im Labor gesehen haben, unser Universum bereits im größten Maßstab verändert.
