Forscher haben eine Möglichkeit entdeckt, dunkle Energie zu erkennen und zu messen, indem sie die Bewegung zwischen der Milchstraße und der Andromeda-Galaxie untersuchten. Die Technik, die sich noch in einem frühen Stadium befindet, kann eine Obergrenze der kosmologischen Konstante, einem einfachen Modell der Dunklen Energie, abschätzen, die fünfmal höher ist als der für das frühe Universum ermittelte Wert.
Wissenschaftler haben seit ihrer ersten Entdeckung Ende der 1990er-Jahre sehr weit entfernte Galaxien zur Untersuchung der Dunklen Energie genutzt, konnten sie jedoch noch nicht direkt nachweisen. Forscher der Universität Cambridge fanden jedoch heraus, dass sie durch die Untersuchung, wie sich die Andromedagalaxie und die Milchstraße aufgrund ihrer gemeinsamen Masse aufeinander zu bewegen, eine Obergrenze für den Wert der kosmologischen Konstante, dem einfachsten Modell der Dunklen Energie, festlegen könnten. Die von ihnen gefundene Obergrenze liegt fünfmal höher als der Wert der kosmologischen Konstante, die im frühen Universum nachgewiesen werden kann.
Obwohl sich die Technologie noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet, könnte es möglich sein, dunkle Energie durch die Untersuchung unserer eigenen kosmischen Nachbarschaft zu entdecken, sagen die Forscher. Die Ergebnisse wurden in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
Alles, was wir in unserer Welt und am Himmel sehen können – von winzigen Insekten bis hin zu riesigen Galaxien – macht nur fünf Prozent des beobachtbaren Universums aus. Der Rest ist dunkle Materie: Wissenschaftler gehen davon aus, dass etwa 27 Prozent des Universums aus dunkler Materie besteht, die Objekte zusammenhält, während 68 Prozent aus dunkler Energie bestehen, die Objekte auseinanderdrückt.
Der Hauptautor Dr. David Benisti vom Fachbereich Angewandte Mathematik und Theoretische Physik sagte: „Dunkle Energie ist ein Überbegriff für eine Familie von Modellen, die zu Einsteins Gravitationstheorie hinzugefügt werden können. Ihre einfachste Version ist als kosmologische Konstante bekannt: eine konstante Energiedichte, die Galaxien voneinander wegschiebt.“
Die kosmologische Konstante war eine improvisierte Ergänzung Einsteins in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie. Von den 1930er bis 1990er Jahren wurde die kosmologische Konstante auf Null gesetzt, bis eine unbekannte Kraft – dunkle Energie – entdeckt wurde, die die Expansion des Universums beschleunigte. Es gibt jedoch mindestens zwei große Probleme mit dunkler Energie: Wir wissen nicht, was es ist, und wir haben es nicht direkt entdeckt.
Astronomen haben seit ihrer ersten Entdeckung verschiedene Methoden zur Entdeckung dunkler Energie entwickelt. Die meisten davon umfassen die Untersuchung von Objekten im frühen Universum und die Messung, wie schnell sie sich von uns entfernen. Die Auswirkungen der dunklen Energie vor Milliarden von Jahren zu entschlüsseln, ist keine leichte Aufgabe: Da dunkle Energie eine schwache Kraft zwischen Galaxien ist, kann sie von viel stärkeren Kräften innerhalb von Galaxien leicht überwunden werden.
Es gibt jedoch eine Region im Universum, die überraschend empfindlich auf dunkle Energie reagiert, und zwar direkt in unserem kosmischen Hinterhof. Andromeda ist die unserer Milchstraße am nächsten gelegene Galaxie und die beiden Galaxien kollidieren. Mit zunehmender Entfernung beginnen die beiden Galaxien einander zu umkreisen – und zwar sehr langsam. Eine Umlaufbahn dauert 20 Milliarden Jahre. Aufgrund der immensen Schwerkraft werden die beiden Galaxien jedoch in etwa 5 Milliarden Jahren beginnen, zu verschmelzen und miteinander zu kollidieren, bevor die einzelnen Umlaufbahnen abgeschlossen sind.
Benisti sagte: „Andromeda ist die einzige Galaxie, die nicht weit von uns entfernt ist. Wenn wir also ihre Masse und Bewegung untersuchen, können wir möglicherweise einige Urteile über die kosmologische Konstante und die dunkle Energie fällen.“
Benisti und seine Co-Autoren – Professorin Anne Davis von DAMTP und Professor Wyn Evans vom Institut für Astronomie – führten eine Reihe von Simulationen durch, die auf den besten Schätzungen der Massen der beiden Galaxien basierten, und fanden heraus, dass dunkle Energie die Wechselwirkung von Andromeda und der Milchstraße beeinflusst.
„Dunkle Energie wirkt sich auf jedes Galaxienpaar aus: Die Schwerkraft möchte die Galaxien zusammenziehen, während dunkle Energie sie auseinander drückt“, sagte Benisti. „Wenn wir in unserem Modell den Wert der kosmologischen Konstante ändern, können wir sehen, wie sich dadurch die Umlaufbahnen der beiden Galaxien ändern. Basierend auf ihren Massen können wir eine Obergrenze für die kosmologische Konstante bestimmen, die etwa fünfmal höher ist als das, was wir anderswo im Universum messen.“
Obwohl sich die Technik als sehr wertvoll erweisen könnte, könne sie dunkle Energie nicht direkt erkennen, sagen die Forscher. Daten vom James Webb Telescope (JWST) werden genauere Messungen der Masse und Bewegung von Andromeda liefern, was dazu beitragen wird, die Obergrenze der kosmologischen Konstante zu senken.
Darüber hinaus wird es durch die Untersuchung anderer Galaxienpaare möglich sein, diese Technik weiter zu verfeinern und zu bestimmen, wie dunkle Energie unser Universum beeinflusst. „Dunkle Energie ist eines der größten Rätsel der Kosmologie. Ihre Auswirkungen können je nach Entfernung und Zeit variieren, aber wir hoffen, dass diese Technik dabei helfen kann, dieses Rätsel zu lösen“, sagte Benisti.