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Alternative Gravitationstheorie könnte den Wandel der Dunklen Energie erklären
Vorzeichenwechsel im All: Eine bislang übersehene Lösung einer alternativen Gravitationstheorie lässt die effektive Dunkle Energie in früheren Epochen negativ werden. Erst vor rund 9,5 Milliarden Jahren wechselte sie in diesem Modell ins Positive. Die Rechnung könnte helfen, widersprüchliche Messungen der kosmischen Expansion zu erklären, ist aber noch kein Nachweis für einen solchen Wandel.
Istanbul (Türkei). Die Ausdehnung des Universums beschleunigt sich seit Milliarden Jahren. Als Ursache gilt die Dunkle Energie, deren Dichte im kosmologischen Standardmodell unverändert bleibt. Doch die jüngsten Messungen der kosmischen Expansion wecken Zweifel: Die rätselhafte Komponente könnte ihre Wirkung im Laufe der Zeit verändern. Noch ist dies eine mögliche Deutung der Beobachtungen und keine bestätigte Entdeckung.
Das wäre weit mehr als eine kleine Korrektur. Denn das Standardmodell beschreibt die Geschichte des Kosmos erstaunlich gut, gerät bei einigen Messungen jedoch in Schwierigkeiten. Besonders auffällig ist die Hubble-Spannung: Messungen in unserer kosmischen Nachbarschaft ergeben eine höhere heutige Expansionsrate als Berechnungen aus der Strahlung des frühen Universums. Ob eine veränderliche Dunkle Energie diese Unterschiede erklären könnte, ist offen.
Forscher der Istanbul Technical University (ITU) um Prof. Özgür Akarsu haben nun eine übersehene Möglichkeit in einer bereits bekannten Gravitationstheorie untersucht. Sie suchten nicht nach einem neuen kosmischen Stoff, sondern nach einer anderen Entwicklung der Schwerkraft selbst. Ihre theoretischen Berechnungen lassen eine effektive Dunkle Energie entstehen, deren Vorzeichen sich im Verlauf der kosmischen Geschichte umkehrt.
Die sogenannte teleparallele Gravitation beschreibt die Schwerkraft anders als Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie. Statt eine Krümmung der Raumzeit in den Mittelpunkt zu stellen, arbeitet sie mit deren Torsion, einer Art geometrischer Verdrehung. Die Forscher haben eine Erweiterung dieser Theorie untersucht, die als f(T)-Gravitation bezeichnet wird. Sie kann auf großen kosmischen Skalen von Einsteins Beschreibung abweichen.
Bei einem schon länger untersuchten mathematischen Modell hatten frühere Arbeiten vor allem Lösungen berücksichtigt, bei denen die effektive Energiedichte stets positiv bleibt. Das Team prüfte nun einen vernachlässigten Lösungszweig mit einem negativen Modellparameter. Entscheidend ist: Dieser Parameter wird in der untersuchten Grundform durch die heutige Materiedichte bestimmt. Deshalb benötigt sie nicht mehr kosmologische Parameter als das Standardmodell.
Die Rechnungen ergaben ein ungewöhnliches Bild. In der frühen Phase besitzt der zusätzliche, wie Dunkle Energie wirkende Gravitationsterm eine negative Energiedichte. Bei einer Rotverschiebung von ungefähr 1,5, also vor etwa 9,5 Milliarden Jahren, durchläuft sie den Nullpunkt und wird anschließend positiv. Es handelt sich dabei um eine rechnerisch definierte effektive Energiedichte und nicht um die Beobachtung eines unbekannten Stoffes mit negativer Energie.
„Der Vorzeichenwechsel ergab sich von selbst aus der Theorie“, erklärt Prof. Özgür Akarsu.
Der neue Lösungszweig könnte einige rätselhafte Abweichungen des Standardmodells verständlicher machen. Allerdings führt die einfache Modellvariante zu einem neuen Problem: Sie liefert für die heutige Expansionsrate bei den gewählten Parametern rund 84,5 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec. Das liegt deutlich über dem lokal gemessenen Wert von ungefähr 73. Der Ansatz schießt damit zunächst über das Ziel hinaus.
Deshalb haben die Wissenschaftler zusätzlich eine kosmologische Konstante in das Modell aufgenommen. Mit diesem weiteren freien Parameter entstehen Lösungen, die sowohl mit der kosmischen Hintergrundstrahlung als auch mit der lokal gemessenen höheren Expansionsrate vereinbar sein können. Manche dieser erweiterten Szenarien sagen sogar voraus, dass sich die Beschleunigung der kosmischen Expansion in jüngster Zeit a