Wird die Dunkle Energie schwächer? Neue Hinweise untermauern den Verdacht

Im vergangenen Frühjahr gab ein Team von fast tausend Kosmologen bekannt, die Dunkle Energie – jene rätselhafte Substanz, die das Universum in immer schnellerem Tempo anschwellen lässt – lasse möglicherweise nach. Das bahnbrechende Ergebnis, für das die Forscher die beobachtete Bewegung von Millionen von Galaxien mit anderen Daten kombinierten, war vorläufig und provisorisch. Jetzt berichten die Wissenschafter, dass sie mehr als doppelt so viele Daten wie zuvor analysiert hätten. Diese erhärten den Verdacht: Die Dunkle Energie verliert an Kraft.

«Wir sind uns viel sicherer als im letzten Jahr, dass es sich definitiv um eine Sache handelt», sagte Seshadri Nadathur, Mitglied der DESI-Kollaboration (Dark Energy Spectroscopic Instrument), der Gruppe, die hinter dem neuen Ergebnis steht.

Ihre Ergebnisse, die kürzlich auf dem Global Physics Summit in Anaheim, Kalifornien, vorgestellt wurden, decken sich mit denen einer zweiten Gruppe von Kosmologen, des 400-köpfigen Dark Energy Survey (DES). Der DES hat ebenfalls einen riesigen Bereich des Kosmos beobachtet und Anfang März Hinweise für eine schwankende Dunkle Energie vorgelegt.

«Es ist interessant, dass sich die Dinge in diese Richtung bewegen und mehrere Experimente in einem gewissen Spannungsverhältnis zu der Idee stehen, dass die Dunkle Energie konstant ist», sagte Michael Troxel, ein Mitglied des DES-Teams an der Duke University.

Wenn die Hinweise auf eine sich entwickelnde Dunkle Energie durch weitere Daten bestätigt werden – und das ist nicht garantiert –, würde dies das Verständnis der Kosmologen von unserem endgültigen Schicksal auf den Kopf stellen. Dunkle Energie mit einer konstanten Dichte und einem konstanten Druck würde unseren Kosmos dazu verdammen, sich für alle Zeiten auszudehnen, bis jedes Teilchen von allen anderen getrennt und jede Aktivität ausgelöscht ist.

Eine Dunkle Energie, die sich entwickelt, macht alternative Zukünfte möglich. «Sie stellt das Schicksal des Universums infrage», sagt Mustapha Ishak-Boushaki, Kosmologe an der University of Texas in Dallas und Mitglied des DESI-Teams. «Das ist ein Game-Changer.»

Eine sich entwickelnde oder schwächer werdende Dunkle Energie würde auch unser Bild der heutigen Realität verändern. Am naheliegendsten ist es, die Dunkle Energie mit der Energie des leeren Raums in Verbindung zu bringen. Wenn sich die Dunkle Energie jedoch entwickelt, würde das auf eine bisher unentdeckte Zutat im Grundrezept des Kosmos hindeuten. Die fehlende Komponente könnte etwas so Einfaches sein wie eine neue Art von Teilchen. Sie könnte aber auch auf ein subtiles Versagen von Einsteins Gravitationstheorie hindeuten. Sie könnte die Forscher sogar zu einer neuen fundamentalen Theorie der Physik führen.

«Es klingt wie ein Paradigmenwechsel, etwas, das unser Verständnis und die Art und Weise, wie wir alle Teile zusammensetzen, verändern wird», sagte Ishak-Boushaki.

Kartierung des Kosmos

Astrophysiker entdeckten den Einfluss der Dunklen Energie erstmals in den späten 1990er Jahren. Zwei Teams beobachteten Dutzende von weit entfernten Supernovae und stellten fest, dass die am weitesten entfernten sich noch weiter von unserer Milchstrasse entfernt hatten als erwartet. Irgendetwas schien die Expansion des Universums zu beschleunigen.

Wissenschafter der theoretischen Physik wussten genau, was dieses Etwas sein sollte: die Energie des Raumes selbst. In seiner Theorie der Gravitation berücksichtigte Einstein Platz eine «kosmologische Konstante» – Energie, die überall eine konstante Dichte und einen konstanten Druck hat und eine Abstossung verursacht. Physiker führen diese Energie auf Quantenfelder zurück, die den sonst leeren Raum zum Brodeln bringen.

Diese Energie wäre zu gering, um über ein paar Meter hinweg eine Rolle zu spielen. Aber auf kosmischer Ebene sollte sie sich summieren und Galaxien immer schneller auseinandertreiben, je mehr Raum (und damit mehr Vakuumenergie) sich zwischen ihnen ansammelt. Die Entdeckung, dass sich die Expansion des Universums tatsächlich beschleunigt, bestätigte, was Physiker über Quantenfelder und die Gravitation wussten, sie warf aber auch neue Fragen auf.

Aber die Kosmologie hat in den letzten Jahrzehnten grosse Fortschritte gemacht. Sowohl das DESI als auch der DES kartieren Millionen von Himmelsobjekten und verfügen damit über die nötige Auflösung, um festzustellen, ob die Dunkle Energie wirklich eine kosmologische Konstante ist oder ob sie sich subtil verändert.

Das DESI hat eine besonders scharfe Sicht. Das Teleskop, das auf dem Kitt Peak in Arizona steht, ist mit Tausenden von schwenkbaren Roboteraugen ausgestattet. Seit Mai 2021 sind diese Augen Nacht für Nacht hin und her geschweift, haben ihre Glasfaserkabel auf eine Galaxie nach der anderen gerichtet und ihr Licht gesammelt. In seinem ersten Betriebsjahr hat das Teleskop sechs Millionen Galaxien beobachtet und genau bestimmt, mit welchen Geschwindigkeiten sie sich von der Erde entfernen.

Viele der Galaxien sind so weit entfernt, dass ihr Licht Milliarden von Jahren gebraucht hat, um uns zu erreichen. Insgesamt beleuchtet ihr Licht die letzten etwa 11 Milliarden Jahre der kosmischen Geschichte. Die DESI-Kosmologen konzentrierten sich darauf, herauszufinden, wie sich die Galaxien auf subtile Weise zu kugelförmigen Schalen einer bestimmten Grösse zusammenballen. Diese Schalen sind Überreste von Wellen, die das Universum durchzogen, als es noch viel jünger und dichter war. Sie nutzten diese Galaxienschalen, um die Expansion des Universums detailliert zu rekonstruieren.

Im April des vergangenen Jahres stellten die DESI-Wissenschafter die Ergebnisse ihres ersten Beobachtungsjahres vor. Die Daten lieferten Anzeichen dafür, dass die Dunkle Energie in den letzten paar Milliarden Jahren schwächer geworden sein könnte. Ihre Dichte schien nicht konstant zu sein.

Die DESI-Forscher waren begeistert, aber auch zurückhaltend. Sie bezeichneten ihre Ergebnisse eher als «Hinweise» denn als «Beweise» und meldeten vorsichtig Vorbehalte an. Die Teammitglieder verwiesen auf frühere Erfahrungen mit Anomalien in der Physik, die sich mit zusätzlichen Daten aufgelöst hatten.

«Es gab dieses grosse Fragezeichen: Wie robust sind diese neuen Hinweise?», sagte Kim Berghaus, eine Wissenschafterin der theoretischen Physik am California Institute of Technology, die nicht zum DESI-Team gehört. «Zuerst dachten viele Leute, dass sie verschwinden würden.»

Im vergangenen Herbst veröffentlichte die Arbeitsgruppe dann eine detailliertere Analyse, die über die kugelförmigen Schalen hinaus auch subtilere Muster in der Anordnung der Galaxien berücksichtigte. Die Hinweise auf eine sich verändernde Dunkle Energie blieben bestehen. «Alle atmeten erleichtert auf», sagte Dillon Brout, ein Kosmologe an der Boston University, der sowohl am DESI- als auch am DES-Team beteiligt ist.

Das neue Ergebnis der DESI-Gruppe basiert auf drei Jahren Beobachtung durch die Roboteraugen auf Kitt Peak. Mit der Analyse dieser neuen Daten hat sich die Stimmung von Erleichterung in Hochstimmung verwandelt.

Millionen mehr Galaxien

Während die Daten des ersten DESI-Jahres sechs Millionen Galaxien enthielten, umfasst der Dreijahres-Datensatz fast 15 Millionen. Das Team identifizierte erneut die kugelförmigen Schalen der Galaxien und rekonstruierte erneut die letzten 10 Milliarden Jahre der kosmischen Expansion – dieses Mal mit einer noch höheren Auflösung.

Monatelang feilten sie an ihrem Computercode mit Scheindaten und einer verschlüsselten Version der echten Daten, suchten nach Fehlern und überprüften, ob ihre Analyse wie gewünscht funktionierte. Am Abend des 10. Dezember 2024 trafen sich Vertreter der DESI-Arbeitsgruppe in Cancún, Mexiko, und diskutierten drei Stunden lang darüber, ob die Analyse der Daten allen Ansprüchen genüge.

Als sie sich dessen sicher waren, zog sich eine Handvoll Forscher in ihre Hotelzimmer zurück, um die Daten zu entschlüsseln und die endgültigen Diagramme zu erstellen. Zu ihnen gehörte Nadathur, ein Kosmologe an der Universität von Portsmouth in Grossbritannien. Er freute sich über das Privileg, einer der ersten Menschen auf der Erde zu sein, die die Geheimnisse der grössten und detailliertesten Galaxienkarte entschlüsseln konnten, die bisher erstellt worden war.

Zwei Tage später stand er auf der Bühne vor rund 200 seiner DESI-Kollegen und Hunderten weiteren Teammitgliedern, die aus der Ferne zusahen, und teilte seine Ergebnisse mit. «Das war die beste Erfahrung meiner beruflichen Laufbahn», sagte er.

Isoliert betrachtet, passen die 15 Millionen Galaxien des DESI sowohl zu einem Modell mit einer sich entwickelnden Dunklen Energie als auch zur Standardtheorie der Kosmologie, dem sogenannten Lambda-CDM-Modell. Dieses Modell geht davon aus, dass die Dunkle Energie eine kosmologische Konstante ist (Lambda ist das griechische Symbol für Einsteins kosmologische Konstante, und CDM steht für kalte Dunkle Materie). Als die DESI-Forscher in ihrer Analyse jedoch auch Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und Daten von Tausenden von Supernovae in nahe gelegenen Galaxien berücksichtigten, wichen die kombinierten Datensätze deutlich vom Lambda-CDM-Modell ab. Sie deuteten auf eine Entwicklung der Dunklen Energie hin.

Im Frühjahr letzten Jahres hatten die DESI-Forscher berichtet, dass die kombinierten Datensätze um bis zu 3,9 Sigma von dem abwichen, was das Lambda-CDM-Modell vorhersagen würde. Das ist ein Mass für die statistische Signifikanz. Jetzt ist dieser Wert auf 4,2 Sigma angestiegen. Diese Zahl bedeutet Folgendes: Wenn das Lambda-CDM-Modell richtig ist, besteht eine Wahrscheinlichkeit von 1 zu 30 000, das DESI-Resultat zu erhalten. Das ist ungefähr so wahrscheinlich, wie 15-mal eine Münze zu werfen und 15-mal Kopf zu erhalten.

Was die Ergebnisse noch verstärkt, ist die Tatsache, dass die Spannung mit dem Lambda-CDM-Modell bestehen bleibt (wenn auch auf niedrigerem Niveau), wenn man entweder die Supernova-Daten oder die Daten zum kosmischen Mikrowellenhintergrund ausser acht lässt. Dies deutet darauf hin, dass das Problem nicht bei einem einzigen Datensatz liegt. «Sie müssen sich alle verschwören, um sehr falsch zu sein», sagte Ishak-Boushaki, «was ich für sehr, sehr unwahrscheinlich halte.»

Das DES-Team kam zu einer ähnlichen Schlussfolgerung. Im Laufe von fünf Jahren machte sein Teleskop in den chilenischen Anden hochauflösende Aufnahmen von 12 Prozent des Himmels und erstellte so den bisher umfangreichsten Katalog von Supernovae. Die Forscher fanden dieselben kugelförmigen Schalen, die von vielen Millionen Galaxien nachgezeichnet wurden (wenn auch mit geringerer Genauigkeit als das DESI).

Indem sie diese Daten mit modernsten Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds kombinierten, fanden sie eine Spannung mit dem Lambda-CDM-Modell von 3,2 Sigma. Diese Spannung verschwindet, wenn man annimmt, dass sich die Dunkle Energie ändert. «Das ergibt ein sehr stimmiges Bild», so Troxel.

Das DES-Team gibt jedoch zu bedenken, dass statistische Analysen in der Kosmologie eine heikle Angelegenheit sind. Normalerweise kann man ein Experiment so lange wiederholen, bis man überzeugt ist, dass die Theorie richtig oder falsch ist. Aber Kosmologen haben nur ein einziges Universum, das sie beobachten können. Deshalb können Diskrepanzen zwischen den Daten und der Theorie nicht nur durch unerwartete Muster in den Daten entstehen, sondern auch durch Annahmen, die man über die Theorie macht. «Ob man es mag oder nicht, es gibt eine gewisse Subjektivität», sagt Chihway Chang, Kosmologe an der Universität von Chicago und Mitglied des DES-Teams.

Eine weitere Herausforderung bei der Interpretation der neuen Ergebnisse besteht darin, dass sich die Dunkle Energie über Milliarden von Jahren hinweg allmählich verstärkt zu haben scheint, bevor sie vor etwa sechs Milliarden Jahren abflaute. Dieses Anwachsen ist nicht undenkbar, aber Theoretiker halten es für ziemlich unnatürlich und bezeichnen es als «Phantom»-Energie.

Sie haben bereits Erklärungen dafür gefunden, warum das Phantom nicht wirklich da ist. Vielleicht geben die Daten aus dieser früheren Zeit kein genaues Bild ab. Die Auswirkung der Dunklen Energie auf das Universum war in den frühen Jahren nur gering, weil es damals viel weniger Raum zwischen den Galaxien gab; das Signal aus dieser Epoche ist schwächer. Berghaus ist vorsichtig optimistisch hinsichtlich der Annahme, dass das DESI auf etwas Reales gestossen sei, aber nur, wenn sich herausstellen sollte, dass die Dunkle Energie von Anfang an schwächer geworden ist. Wenn es einen Übergang in den Phantombereich gebe, würde sie eher zu einem systematischen Fehler tendieren.

Eine schwankende Dunkle Energie würde die Bandbreite der Möglichkeiten, wohin sich das Universum entwickelt, enorm erweitern. Die Expansion könnte zum Stillstand kommen, und die Schwerkraft könnte alles zusammenstürzen lassen. Oder die Dunkle Energie könnte wieder zum Phantom werden, und das expandierende Universum könnte sogar noch an Geschwindigkeit gewinnen. Alles hängt von den Details ab, was diese Energie erzeugt. «Jetzt ist die Büchse der Pandora für Theorien geöffnet», sagte Ishak-Boushaki.

Ein Zusammenprall von Grundsätzen

Die sich häufenden Beweise für eine schwankende Dunkle Energie haben unter theoretischen Physikern widersprüchliche Reaktionen hervorgerufen. Für Cumrun Vafa, einen Physiker an der Harvard-Universität, ist die Vorstellung eines Universums, in dem sich die Gesamtenergie im Raum langsam verflüchtigt, völlig natürlich. Er hat sich auf die Stringtheorie spezialisiert, ein spekulatives Modell, das versucht, alle Materie und alle Kräfte durch schwingende Saiten zu erklären.

Wenn man versucht, Universen aus Strings zu bauen, so sagt er, kann man kein Universum konstruieren, in dem der leere Raum für immer eine positive Energie beibehält. Irgendwann muss die Energie sinken, entweder abrupt oder langsam im Laufe der Zeit. «Die Theorie verlangt gewissermassen, dass sie sich ändert», sagt er. «Die Frage ist nur, wie schnell.» Er ist von den DESI-Daten besonders begeistert, weil sie mit einer langsamen Abnahme übereinstimmen, die in vielen Modell-Universen der Stringtheorie auftaucht.

Raphael Bousso, ein Wissenschafter der theoretischen Physik an der Universität von Kalifornien, Berkeley, ist der Ansicht, dass die behauptete Veränderung der Dunklen Energie so unwahrscheinlich sei, dass sie an der Grenze des Unmöglichen liege. Allein aufgrund des Verhaltens der Teilchen, von denen wir wissen, dass sie existieren, müsse das Vakuum eine konstante Energie haben, betont er; sie sei nicht beliebig.

DESI müsste also den subtilen Einfluss eines zusätzlichen, unentdeckten Feldes aufspüren, das wie eine allmählich dünner werdende, abstossende Flüssigkeit wirkt – eine, die der konstanten Vakuumenergie überlagert ist und sich kaum von ihr unterscheidet. Er hält es für weitaus wahrscheinlicher, dass das DESI-Team einen subtilen Fehler gemacht und die kosmologische Konstante falsch gemessen hat.

«Sie geht wie eine Ente. Sie quakt wie eine Ente. Ist es ein Einhorn im Entenkostüm?», fragte Bousso. «Für drei Sigma, sogar vier werde ich mich nicht um den Schlaf bringen lassen.»

Während Bousso tief und fest schläft, werden die Roboteraugen auf dem Kitt Peak weiter durch das Universum und in die Vergangenheit blicken und Photonen für eine dritte (und letzte) kosmische Karte einfangen. Diese wird 50 Millionen Galaxien umfassen und könnte bis Ende 2026 oder Anfang 2027 fertiggestellt sein.

Noch in diesem Jahr will die DES-Kollaboration Beobachtungen darüber veröffentlichen, wie sich Galaxien und Materie im Laufe der Äonen zusammengeballt haben – ein Prozess, der das Tauziehen zwischen der Anziehungskraft der Schwerkraft und dem Druck der Dunklen Energie widerspiegelt. Ihre Ergebnisse sollen Aufschluss darüber geben, ob der Dunklen Energie die Luft ausgeht.

Forscher sind sich einig: Es ist eine spannende Zeit für Kosmologen. Für Berghaus ist die Anomalie der Dunklen Energie das jüngste einer Handvoll faszinierender kosmologischer Rätsel. Mit einer neuen Welle von Teleskopen der nächsten Generation, die im Laufe des nächsten Jahrzehnts in Betrieb genommen werden, fühlt es sich für sie so an, als breche in der Kosmologie ein neuer Tag an. «Wir haben jetzt all diese Spannungen mit dem Lambda-CDM-Modell», sagte sie. «Von daher glaube ich nicht, dass dies das Ende der Geschichte ist.»

Dieser Artikel ist ursprünglich im «Quanta Magazine» erschienen. Übersetzung: Spe.