Im Frühjahr 2024 gab ein Team von fast 1.000 Kosmologen bekannt, dass dunkle Energie - der geheimnisvolle Faktor, der das Universum immer schneller expandieren lässt - sich möglicherweise verlangsamt hat. Das Team zog diese Schlussfolgerung, die zu diesem Zeitpunkt noch vorläufig und unsicher war, auf der Grundlage von Beobachtungen von Millionen von Galaxien und anderen Daten. Vor kurzem veröffentlichten die Forscher jedoch neue relevante Ergebnisse : Sie analysierten mehr als doppelt so viele Daten wie zuvor, und sie weisen noch stärker auf dieselbe Schlussfolgerung hin. Es scheint, dass die dunkle Energie ihre Kraft verliert.

"Wir sind viel zuversichtlicher als im letzten Jahr, dass dies der Fall ist", sagt Seshadri Nadathur, Mitglied der DESI-Kollaboration (Dark Energy Spectroscopic Instrument), die hinter den neuen Ergebnissen steht. Darüber hinaus stimmen die auf der Global Physics Summit-Konferenz vorgestellten Ergebnisse mit denen einer anderen Gruppe von Kosmologen überein, dem 400-köpfigen Dark Energy Survey (DES). DES hat ebenfalls einen großen Bereich des Kosmos beobachtet und Anfang dieses Monats in einem Artikel sowie in einer Präsentation auf der Konferenz Daten über Veränderungen der dunklen Energie veröffentlicht.

Wenn sich die Beweise für die Veränderung der dunklen Energie im Laufe der weiteren Datenakkumulation bestätigen (was natürlich nicht garantiert ist), könnten sie die Theorien der Kosmologen über die Zukunft des Universums ins Wanken bringen. Geht man von einer konstanten Dichte und einem konstanten Druck der dunklen Energie aus, würde sich der Kosmos ewig ausdehnen, bis schließlich unüberwindbare Abgründe jedes Teilchen von den anderen trennen und jede Aktivität ersticken würden. Doch die sich verändernde dunkle Energie lässt auch andere Zukunftsvisionen zu.

In der einfachsten Vorstellung ist die dunkle Energie die Energie des Vakuums im Raum, die eine quantenphysikalisch unveränderliche Eigenschaft sein sollte. Eine variable dunkle Energie könnte auf das Vorhandensein von etwas zusätzlichem hinweisen, einer bisher unentdeckten Zutat im Grundrezept des Kosmos. Bei dem fehlenden Teil könnte es sich um eine neue Art von Teilchen handeln, oder es könnte subtile Fehler in Einsteins Gravitationstheorie aufdecken. Es könnte die Forscher auch auf einen Weg führen, der zu einer neuen grundlegenden Theorie der Physik führt.

"Es scheint ein Paradigmenwechsel zu sein, etwas, das unser Verständnis und die Art und Weise, wie wir alle Teile des Puzzles zusammensetzen, verändern würde", sagt Mustapha Ishak-Boushaki, ein Kosmologe an der Universität von Texas, der zum DESI-Team gehört.

Kartierung des Kosmos

Astrophysiker entdeckten die Auswirkungen der dunklen Energie erstmals in den späten 1990er Jahren. Zwei Forscherteams beobachteten Dutzende von weit entfernten Supernovae und stellten fest, dass die am weitesten entfernten Supernovae weiter von unserer Milchstraße entfernt waren als erwartet. Irgendetwas schien die Expansion des Universums im Vergleich zu früheren Bedingungen zu beschleunigen.

Theoretische Physiker hatten sofort eine Idee, was dieses Etwas sein könnte: die Energie des Raums. In seiner Gravitationstheorie verwendete Einstein eine mathematische Komponente, um die "kosmologische Konstante" zu bezeichnen - die Energie, deren Dichte und Druck überall konstant sind und die eine Abstoßung bewirkt. Was die Quelle dieser Energie anbelangt, so wussten die Physiker, dass Quantenfelder Energie in einen ansonsten leeren Raum einbringen. Diese Energie ist zu schwach, um auf einer Skala von einigen Metern eine Rolle zu spielen, aber sie summiert sich auf kosmischer Ebene und treibt Galaxien immer schneller auseinander, da sich immer mehr Raum (und damit immer mehr Vakuumenergie) ansammelt. Die Entdeckung, dass sich die Expansion des Universums tatsächlich beschleunigt, hat die Theorien der Physiker über Quantenfelder und Gravitation bestätigt, aber auch neue Fragen aufgeworfen.

Aber auch die Kosmologie hat in den vergangenen Jahrzehnten große Fortschritte gemacht. DESI und DES haben Millionen von Himmelsobjekten kartiert und damit die nötige Auflösung geliefert, um festzustellen, ob die dunkle Energie tatsächlich eine kosmologische Konstante oder eine subtile Variable ist. DESI hat eine besonders scharfe Sicht. Das Teleskop auf dem Gipfel des Kitt Peak in Arizona ist mit Tausenden von rotierenden Roboteraugen ausgestattet. Seit Mai 2021 blicken diese Augen von Nacht zu Nacht hin und her und führen ihre optischen Kabel von Galaxie zu Galaxie, um deren Licht zu sammeln. Im ersten Jahr seines Betriebs hat das Teleskop sechs Millionen Galaxien beobachtet und genau bestimmt, wie schnell sie sich von der Erde entfernen.

Viele dieser Galaxien sind so weit entfernt, dass es Milliarden von Jahren gedauert hat, bis ihr Licht uns erreicht hat. Zusammengenommen erzählt uns ihr Licht etwa 11 Milliarden Jahre kosmischer Geschichte. Die DESI-Kosmologen haben sich darauf konzentriert, herauszufinden, wie sich Galaxien zu grob kugelförmigen Hüllen fester Größe zusammenballen, Überbleibsel von Wellen, die das Universum durchliefen, als es noch viel jünger und dichter war. Diese Galaxienhüllen wurden verwendet, um die Expansion des Universums mit der Präzision eines Standbildes zu rekonstruieren.

Ihre Dichte schien nicht konstant zu sein. Die DESI-Forscher waren aufgeregt, aber zurückhaltend. Sie nannten ihre Ergebnisse eher Hinweise als Beweise und behandelten sie mit Vorsicht. Die Teammitglieder verwiesen auf frühere Erfahrungen, wonach Anomalien in der Physik oft verschwinden, wenn mehr Daten gesammelt werden.

Im letzten Herbst veröffentlichte das Team dann eine detailliertere Analyse , die feinere Muster in der Anordnung der Galaxien berücksichtigte, die über die offensichtlichen kugelförmigen Schalen hinausgehen. Die Anzeichen für eine variable dunkle Energie blieben bestehen. "Alle atmeten erleichtert auf", sagte Dillon Brout, Kosmologe an der Universität Boston und Mitglied des DESI- und DES-Teams. Die neuesten Ergebnisse des Teams in diesem Jahr basieren auf dreijährigen Beobachtungen der Kitt Peak-Roboteraugen. Mit der Analyse der neuen Daten hat sich die Stimmung bereits von Erleichterung in offene Freude gewandelt.

Mehr Galaxien

Während die Daten des ersten DESI-Jahres sechs Millionen Galaxien umfassten, umfasst der Drei-Jahres-Datensatz fast 15 Millionen Galaxien. Erneut haben die Forscher die von den Galaxien gebildeten kugelförmigen Hüllen identifiziert und die letzten 10 Milliarden Jahre der kosmischen Expansion rekonstruiert - dieses Mal mit noch höherer Auflösung.

Monatelang haben sie ihr Computermodell anhand von Testdaten und einer verschlüsselten Version der echten Daten verfeinert, um Fehler zu finden und zu prüfen, ob die Analyse richtig funktioniert. Am Abend des 10. Dezember 2024 trafen sich die Leiter der Zusammenarbeit im mexikanischen Cancun und diskutierten drei Stunden lang darüber, ob sie zufrieden sind, dass sie ihre Methoden unter allen möglichen Gesichtspunkten überprüft haben.

Als sie dies bejahten, zog sich eine Handvoll Forscher in ihre Hotelzimmer zurück, um die Daten auszupacken und die endgültigen Zahlen zu erstellen. Einer von ihnen war Seshadri Nadathur, Kosmologe an der Universität Portsmouth, der als einer der ersten in die Geheimnisse der größten und detailliertesten kosmischen Karte eingeweiht wurde, die je erstellt wurde. Zwei Tage später präsentierte er die Ergebnisse auf der Bühne vor rund 200 seiner DESI-Kollegen, während weitere 100 Mitglieder des Teams aus der Ferne zusahen. "Das war die beste Erfahrung meiner beruflichen Laufbahn", sagte er.

Die 15 Millionen Galaxien von DESI können, wenn sie isoliert betrachtet werden, in ein Modell mit variabler dunkler Energie oder in die Standardtheorie der Kosmologie, das so genannte Lambda-CDM-Modell, passen, das von einer kosmologischen Konstante ausgeht. Als die DESI-Forscher jedoch vorhandene Daten über die Standorte von Tausenden von Supernovae in nahegelegenen Galaxien sowie die Bedingungen im frühen Universum, die sich aus den Überresten des Urlichts (bekannt als kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung) ergeben, berücksichtigten, wichen die kombinierten Datensätze stark von denen des Lambda-CDM-Modells ab und deuteten auf eine Veränderung der dunklen Energie hin.

Im vergangenen Frühjahr berichteten die DESI-Experten, dass die kombinierten Datenreihen um 3,9 Sigma (das statistische Signifikanzniveau) von dem abweichen, was das Lambda-CDM-Modell vorhersagen würde. Jetzt hat sich dieser Wert auf 4,2 Sigma erhöht.

Das entspricht in etwa der Wahrscheinlichkeit, dass man 15 Mal eine Münze wirft und 15 Mal hintereinander Kopf erhält.

Die Ergebnisse werden noch dadurch verstärkt, dass die mit Lambda-CDM verbundenen Spannungen auch dann bestehen bleiben (wenn auch auf niedrigerem Niveau), wenn die Daten der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung oder die Supernova-Daten nicht berücksichtigt werden. Dies deutet darauf hin, dass das Problem nicht bei einer der Datenreihen liegt.

Außerdem ist die DES-Gruppe zu einer ähnlichen Schlussfolgerung gekommen. Ihr Teleskop in den chilenischen Anden hat fünf Jahre lang hochauflösende Bilder von 12 % des Himmels aufgenommen und dabei den umfassendsten Katalog von Supernovae aller Zeiten erstellt. Sie haben auch die gleichen kugelförmigen Schalen identifiziert, in denen sich viele Millionen Galaxien zusammenballen (wenn auch mit geringerer Genauigkeit als DESI). Durch die Kombination dieser Daten mit modernsten Beobachtungen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung haben sie eine Spannung von 3,2 Sigma im Vergleich zum Lambda-CDM gefunden, die verschwindet, wenn Änderungen der dunklen Energie angenommen werden.

Die DES-Kollaboration warnt jedoch davor, dass die statistische Analyse in der Kosmologie nicht einfach ist. In anderen Bereichen führt man ein Experiment immer und immer wieder durch, bis man überzeugt ist, dass die eigene Theorie richtig oder falsch ist. Aber Kosmologen können nur ein Universum beobachten. Aus diesem Grund können Spannungen zwischen Daten und Theorie aus Annahmen über die Theorie entstehen und nicht unbedingt aus unerwarteten Mustern in den Daten. "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.

Das verstärkende Verhalten ist nicht unvorstellbar, aber Theoretiker halten es für ziemlich unnatürlich und bezeichnen es als "Phantom"-Dunkelenergie.

Forscher haben bereits Erklärungen dafür gefunden, warum das Phantom nicht wirklich existiert. Es ist möglich, dass die Daten aus der früheren Periode kein genaues Bild zeichnen. Es könnte sein, dass die Wirkung der dunklen Energie auf das Universum in den frühen Jahren nur schwach war, weil es damals viel weniger Raum gab, so dass das Signal aus dieser Zeit schwächer ist. Kim Berghaus, Kosmologe am CalTech, ist vorsichtig optimistisch, dass DESI tatsächlich etwas Reales gefunden hat, sagt aber, dass alles davon abhängt, ob sich die dunkle Energie im Laufe der Zeit stetig abschwächt. Sollte das Phantom fortbestehen, würde dies eher auf einen systematischen Fehler hindeuten, meint er.

Die sich verändernde dunkle Energie würde die Bandbreite der Möglichkeiten, wohin sich das Universum bewegt, erheblich erweitern. Die Expansion könnte zum Stillstand kommen, und die Schwerkraft könnte alles zum Einsturz bringen. Oder die dunkle Energie könnte wieder "phantomisieren", und das expandierende Universum könnte noch mehr an Geschwindigkeit gewinnen. Es hängt alles davon ab, was diese Energie erzeugt.

Kampf der Prinzipien

Die zunehmenden Hinweise auf eine variable dunkle Energie haben unter theoretischen Physikern heftige Reaktionen hervorgerufen. Für Cumrun Vafa, einen Harvard-Physiker, wäre ein Universum, in dem sich die gesamte Energie im Raum langsam verflüchtigt, völlig natürlich. Er hat sich auf die Stringtheorie spezialisiert, ein spekulatives Konzept, das versucht, alle Materie und Kräfte durch schwingende Energiestränge zu erklären. Wenn wir versuchen, Universen aus Strings zu bauen, so sagt er, ist es unmöglich, ein Universum zu schaffen, in dem die Räume für immer eine positive Energie behalten. Irgendwann muss die Energie abnehmen, entweder plötzlich oder langsam im Laufe der Zeit. "Die Theorie verlangt, dass sie sich ändert", sagt er. "Die Frage ist nur, wie schnell das geschieht." Der Experte ist von den DESI-Daten besonders begeistert, weil sie mit der langsamen Abnahme übereinstimmen, die in vielen Modellen von stringähnlichen Universen vorkommt.

Raphael Bousso, ein theoretischer Physiker an der Universität von Kalifornien, glaubt, dass die angebliche Veränderung der dunklen Energie so unwahrscheinlich ist, dass sie an das Unmögliche grenzt. Allein das Verhalten der Teilchen, wie wir sie kennen, legt nahe, dass ein Vakuum eine Art konstante Energie haben muss. Der Forscher hält es für wahrscheinlicher, dass das DESI-Team aufgrund eines kleinen Fehlers oder Versehens falsch gemessen hat.

In der Zwischenzeit blicken die Roboteraugen von Kitt Peak weiter in das Universum und die Vergangenheit, damit die Experten eine dritte kosmische Karte erstellen können. Diese wird nun 50 Millionen Galaxien enthalten und könnte Ende 2026 oder Anfang 2027 fertig sein. Noch in diesem Jahr will die DES-Kollaboration ihre eigenen Beobachtungen darüber veröffentlichen, wie sich Galaxien und Materie im Laufe der Zeit zusammengeballt haben, was das Zusammenspiel zwischen der Schwerkraft und dem Druck der dunklen Energie widerspiegelt. Ihre Ergebnisse könnten Aufschluss darüber geben, ob die dunkle Energie schwindet.

Die Forscher sind sich einig, dass es eine besonders aufregende Zeit ist, Kosmologe zu sein. Laut Berghaus ist die Anomalie der dunklen Energie nur eines der jüngsten kosmologischen Rätsel. Mit einer neuen Generation von Teleskopen, die im nächsten Jahrzehnt in Betrieb genommen werden, könnte ein neuer Tag in der Kosmologie anbrechen. Wie er sagt:

"Es entstehen immer mehr Spannungen über Lambda-CDM. Ich glaube nicht, dass dies das Ende der Geschichte ist".