Was ist die Schwerkraft? Eine neue Studie des Universums hat gezeigt, dass Einstein Recht hatte!

Das Verständnis der Schwerkraft ist seit Jahrhunderten eine Herausforderung für Physiker. Die ersten Schritte zum Verständnis dieser fundamentalen Wechselwirkung wurden von Isaac Newton unternommen und Jahrhunderte später von Albert Einstein weiterentwickelt. Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie ist die Theorie, die der besten Erklärung für das Wesen der Schwerkraft zugrunde liegt. Einstein beschreibt die Schwerkraft als die Krümmung der Raumzeit, die durch die Anwesenheit von Masse und Energie verursacht wird.

Trotz des Erfolgs der Allgemeinen Relativitätstheorie bei kleinen Skalen stellt sich immer noch die Frage, ob diese Theorie auch kosmologische Skalen beschreiben kann. Dabei geht es vor allem um die Konzepte der dunklen Energie und der dunklen Materie, die zusammen 95% des Universums ausmachen. Die Natur dieser beiden Elemente ist noch unbekannt und einige Astrophysiker fragen sich, ob das Problem nicht in den aktuellen Modellen liegt, die das Universum beschreiben, einschließlich der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Eine der wichtigsten Fragen ist, ob die Allgemeine Relativitätstheorie auf kosmologischer Ebene funktioniert, und mehrere Projekte zielen darauf ab, diese Frage zu beantworten. Vor kurzem wurden neue Ergebnisse des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) veröffentlicht. Dabei stechen zwei wichtige Ergebnisse hervor, von denen eines die Bestätigung der Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie auf großer Skala und eine Begrenzung der Neutrinomasse ist.

Was ist Schwerkraft?

Die Schwerkraft ist eine der vier grundlegenden Wechselwirkungen in der Natur. Diese Wechselwirkung verhält sich attraktiv, d. h. sie ist dafür verantwortlich, dass Objekte mit Masse sich gegenseitig anziehen. Sie ist die dominanteste Wechselwirkung auf galaktischer Ebene und hält uns an die Erdoberfläche gefesselt. Auch das Sonnensystem wird von der Schwerkraft beherrscht und die Planeten kreisen aufgrund dieser Wechselwirkung um die Sonne.

Die allgemeinste Beschreibung der Schwerkraft ist heute die Allgemeine Relativitätstheorie, die von Albert Einstein vorgeschlagen wurde. Einstein zufolge ist die Schwerkraft geometrischer Natur, da massive Körper die Raumzeit verformen. Dennoch bleibt die Schwerkraft eine offene Frage, insbesondere was ihre Vereinigung mit anderen Wechselwirkungen betrifft. Außerdem scheint die Schwerkraft die einzige Wechselwirkung ohne vermittelndes Teilchen zu sein.

Allgemeine Relativitätstheorie

Die allgemeine Relativitätstheorie wurde 1915 von Albert Einstein vorgeschlagen und knüpft an seine Arbeiten aus dem Jahr 1908 an, in denen er die spezielle Relativitätstheorie vorgestellt hatte. Während sich die spezielle Relativitätstheorie auf die flache Raumzeit bezog, wurde die allgemeine Relativitätstheorie auf Situationen ausgeweitet, in denen die Raumzeit gekrümmt ist. Einstein zeigte, dass die Verteilung von Masse und Energie in einer bestimmten Region für die Krümmung der Raumzeit verantwortlich ist.

Diese Krümmung wäre das Phänomen, das wir als Schwerkraft kennen, d. h. wir kleben an der Erdoberfläche, weil die Masse der Erde die Raumzeit verzerrt. Einsteins Theorie wurde vier Jahre später durch die Beobachtung einer Sonnenfinsternis bestätigt. Darüber hinaus ermöglichte die Allgemeine Relativitätstheorie die Entdeckung von Objekten wie den Schwarzen Löchern sowie eine kosmologische Beschreibung der Struktur des Universums.

Die Geheimnisse des Universums

Dunkle Materie und dunkle Energie werden als eines der größten Rätsel des Universums angesehen. Trotz ihrer ähnlichen Namen handelt es sich um verschiedene Konzepte mit völlig unterschiedlichem Verhalten. Dunkle Materie ist eine unbekannte Form von Materie, die in keiner Weise miteinander interagiert, außer durch Gravitation. Dunkle Energie hingegen ist die Ursache für die beschleunigte Expansion des Universums und wirkt entgegengesetzt zur Schwerkraft.

Obwohl die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt, wie die Schwerkraft auf großer Skala wirkt, kann sie die Natur der Dunklen Materie und der Dunklen Energie nicht vollständig erklären. Einige alternative Theorien, wie die modifizierte Gravitation, versuchen, die dunkle Materie und die dunkle Energie zu erklären. Bisher hat sich jedoch noch kein Modell durchsetzen können, aber die Allgemeine Relativitätstheorie hat vor kurzem einen weiteren Punkt gewonnen, indem sie das Universum auf großer Skala erklärt.

DESI

Das Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) ist ein Projekt, das entwickelt wurde, um die Struktur des Universums in drei Dimensionen zu kartieren und Fragen zur Dunklen Energie zu beantworten. Es wurde am Mayall-Teleskop des Kitt Peak National Observatory in den USA installiert. DESI verfügt über 5.000 Glasfasern, mit denen verschiedene Objekte wie Galaxien und Quasare gleichzeitig beobachtet werden können.

Die Physik, die DESI zugrunde liegt, basiert auf dem sogenannten Rotverschiebungseffekt, bei dem die Verlängerung der Wellenlänge des Lichts von entfernten Objekten deren Geschwindigkeit und Entfernung von der Erde anzeigt. Durch die Messung der Rotverschiebung von Millionen von Galaxien ist DESI in der Lage, die 3D-Verteilung des Universums zu kartografieren und bestimmte Galaxienhaufen zu identifizieren. Durch die Untersuchung dieser Beobachtungen ist es möglich zu verstehen, wie die Dunkle Materie auf die Galaxienhaufen wirkt und wie sich die Dunkle Energie auf die Expansion des Universums auswirkt.

Ergebnisse der DESI-Studie

Mit etwa 6 Millionen beobachteten Galaxien und Quasaren war es möglich, die Entwicklung des Universums seit etwa 3 Milliarden Jahren nach dem Urknall zu untersuchen. Diese Beobachtungen stimmen selbst auf kosmologischer Ebene mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie überein. Die Entstehungsrate und die Verteilung der Galaxien stimmen mit den Vorhersagen der Modelle überein, die die allgemeine Relativitätstheorie beinhalten.

Darüber hinaus enthalten die aktualisierten DESI-Ergebnisse auch eine Untersuchung der als Neutrinos bezeichneten Teilchen, die auch als "Geisterteilchen" bekannt sind. Neutrinos sind sehr leichte Teilchen, von denen lange Zeit angenommen wurde, dass sie keine Masse haben. Mithilfe von Experimenten konnte die Masse von Neutrinos jedoch bestimmt und eine untere Grenze festgelegt werden. DESI hat eine Schätzung der oberen Grenze für die Neutrinomasse gefunden.

Quellenhinweis:

DESI Collaboration et al. DESI 2024 V: Full-Shape Galaxy Clustering from Galaxies and Quasars arXiv