Standardmodell der Kosmologie gerät ins Wanken Das Universum – wie viel wiegt es wirklich?

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Materiedichte und -struktur des Universums können auf unterschiedliche Weise bestimmt werden. Doch das Ergebnis sollte gleich sein. Genau das scheint jedoch so selbstverständlich nicht zu sein. Darauf deuten nun Forschungsergebnisse von Bochumer Physikern hin. Sie bringen das Standardmodell der Kosmologie ins Wanken.

Bochum – Neue Erkenntnisse über die Materiedichte und -struktur des Universums haben Bochumer Kosmologen um Prof. Dr. Hendrik Hildebrandt gewonnen. Bereits vor mehreren Jahren war Hildebrandt Teil eines Forschungskonsortiums gewesen, das auf Diskrepanzen in den Daten zwischen verschiedenen Gruppen aufmerksam gemacht hatte. Die ermittelten Werte für Materiedichte und -struktur waren je nach Messmethode unterschiedlich. Eine neue Analyse, die zusätzliche Infrarotdaten miteinbezog, ließ die Unterschiede noch deutlicher werden. Sie könnten darauf hinweisen, dass das das Standardmodell der Kosmologie fehlerhaft ist.

Die neueste Analyse des Forschungskonsortiums namens Kilo-Degree Survey ist im Januar 2020 in der Zeitschrift Astronomy and Astrophysics erschienen.

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Zwei Verfahren zur Bestimmung der Materiestruktur

Materiedichte und -struktur können Forschungsteams zum einen basierend auf dem kosmischen Mikrowellenhintergrund berechnen, eine Strahlung, die kurz nach dem Urknall ausgesandt wurde und noch heute messbar ist. Dieses Verfahren hat das Planck-Forschungskonsortium verwendet.

Das Team des Kilo-Degree Survey, und einige andere Gruppen, bestimmten die Materiedichte und -struktur mithilfe des Gravitationslinseneffekts: Massereiche Objekte lenken das Licht von Galaxien ab, sodass diese Galaxien von der Erde aus betrachtet mit verzerrter Form an einer anderen Stelle erscheinen, als sie tatsächlich sind. Aus diesen Verzerrungen können Kosmologen auf die Masse der ablenkenden Objekte und somit auf die Gesamtmasse des Universums zurückschließen. Dazu müssen sie jedoch unter anderem die Abstände zwischen Lichtquelle, ablenkendem Objekt und Beobachter kennen. Diese wiederum ermitteln die Forscher mithilfe der Rotverschiebung, die besagt, dass das Licht weiter entfernt liegender Galaxien ins Rote verschoben auf der Erde ankommt.

Neue Kalibration mittels Infrarotdaten

Um Entfernungen zu ermitteln, nehmen Kosmologen daher Bilder der Galaxien bei unterschiedlichen Wellenlängen auf, zum Beispiel eines im blauen, eines im grünen und eines im roten Bereich; dann bestimmen sie die Helligkeit der Galaxien auf den verschiedenen Bildern. Hendrik Hildebrandt und sein Team beziehen dabei zusätzlich mehrere Aufnahmen aus dem infraroten Bereich ein, was die Präzision der Entfernungsbestimmung verbessert.

Frühere Analysen hatten bereits gezeigt, dass die auf dem Mikrowellenhintergrund basierenden Daten des Planck-Konsortiums systematisch von den Gravitationslinseneffekt-Daten abweichen. Je nach Datensatz war die Abweichung mehr oder weniger stark ausgeprägt, am stärksten beim Kilo-Degree Survey. „Unser Datensatz ist der einzige, der auf dem Gravitationslinseneffekt beruht und mit zusätzlichen Infrarotdaten kalibriert ist“, sagt Hendrik Hildebrandt, Heisenbergprofessor und Leiter der Arbeitsgruppe Beobachtende Kosmologie in Bochum. „Das könnte der Grund für die stärkere Abweichung zu den Planck-Daten sein.“

Um diese Diskrepanz zu überprüfen, wertete die Gruppe den Datensatz eines anderen Forschungskonsortiums, des Dark Energy Survey, mithilfe einer ähnlichen Kalibrierung aus. Dadurch entfernten sich auch diese Werte weiter von den Planck-Werten.

Diskussion in Fachkreisen

Ob es sich bei der Diskrepanz zwischen den Datensätzen tatsächlich um einen Hinweis darauf handelt, dass das Standardmodell der Kosmologie falsch ist oder nicht, diskutieren WissenschaftlerInnen derzeit. Das Team des Kilo-Degree Survey arbeitet bereits an einer neuen Analyse eines umfangreicheren Datensatzes, der weitere Erkenntnisse beisteuern könnte. Voraussichtlich im Frühjahr 2020 werden sie noch präzisere Daten für Materiedichte und -struktur liefern können.

Originalpublikation: Hendrik Hildebrandt et al.:KiDS+VIKING-450: Cosmic shear tomography with optical and infrared data, in: Astronomy & Astrophysics, 2020, DOI: 10.1051/0004-6361/201834878

* Dr. J. Weiler: Ruhr-Universität Bochum, 44801 Bochum

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