Auf den Spuren einer mysteriösen Kraft im Weltraum – Wissenschaftler haben neues Licht auf dunkle Energie geworfen

Mithilfe von Weltraumteleskopen und fortschrittlichen Datensätzen sind Forscher zu dem Schluss gekommen, dass dunkle Energie, die etwa 76 % der Energiedichte des Universums ausmacht, gleichmäßig im Weltraum verteilt ist und über die Zeit konstant bleibt.

Eine vorläufige Untersuchung der Dunklen Energie mit eROSITA zeigt, dass sie gleichmäßig über Raum und Zeit verteilt ist.

Edwin Hubbles Beobachtung entfernter Galaxien in den 1920er Jahren führte zu der bahnbrechenden Schlussfolgerung, dass sich unser Universum ausdehnt. Erst 1998 machten Wissenschaftler, die Supernovae vom Typ Ia untersuchten, eine überraschende Entdeckung. Und sie stellten fest, dass das Universum nicht nur wuchs, sondern dass sich seine Expansion auch beschleunigte.

„Um diese Beschleunigung zu erklären, brauchen wir eine Quelle“, sagt Joe Mohr, Astrophysiker an der LMU. „Wir bezeichnen diese Quelle als ‚dunkle Energie‘, die eine Art ‚Antigravitation‘ bereitstellt, um die kosmische Expansion zu beschleunigen.“

Aus wissenschaftlicher Sicht ist die Existenz dunkler Energie und kosmischer Beschleunigung eine Überraschung, und dies deutet darauf hin, dass unser derzeitiges Verständnis der Physik entweder unvollständig oder falsch ist. Die Bedeutung der exponentiellen Expansion wurde 2011 hervorgehoben, als ihre Entdecker mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurden.

„Mittlerweile ist die Natur der Dunklen Energie zum nächsten mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Problem geworden“, sagt Mohr.

I-Non Chiu von der National Cheng Kung University in Taiwan hat nun in Zusammenarbeit mit den LMU-Astrophysikern Matthias Klein, Sebastien Bouquet und Joe Mohr die erste Studie über Dunkle Energie mit dem Röntgenteleskop eROSITA veröffentlicht, die sich auf Galaxienhaufen konzentriert.

Die Antigravitation, die dunkle Energie hervorrufen würde, drückt Objekte voneinander weg und stoppt die Bildung großer kosmischer Körper, die sich sonst aufgrund der Anziehungskraft der Schwerkraft bilden würden. Daher beeinflusst die Dunkle Energie, wo und wie die größten Objekte im Universum entstehen – Galaxienhaufen mit Gesamtmassen von 1013 bis 1015 Sonnenmassen.

„Wir können viel über die Natur der Dunklen Energie lernen, indem wir die Anzahl der Galaxienhaufen zählen, die sich im Universum als Funktion der Zeit bilden – oder im beobachtbaren Universum als Funktion der Rotverschiebung“, erklärt Klein.

Galaxienhaufen sind jedoch äußerst selten und schwer zu finden, sodass ein großer Teil des Himmels mit den empfindlichsten Teleskopen der Welt gescannt werden muss. Zu diesem Zweck wurde 2019 das Röntgen-Weltraumteleskop eROSITA – ein Projekt unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) in München – gestartet, um den Himmel nach Galaxienhaufen abzusuchen.

Im eROSITA Final Tropical Depth Survey (eFEDS), einer kleinen Untersuchung zur Überprüfung der Leistung des All-Sky Subsequent Survey, wurden etwa 500 Galaxienhaufen gefunden. Dies stellt eine der bisher größten Stichproben von Galaxienhaufen geringer Masse dar und umfasst die letzten 10 Milliarden Jahre kosmischer Entwicklung.

Für ihre Studie verwendeten Chiu und Kollegen einen zusätzlichen Datensatz zusätzlich zu den eFEDS-Daten – photometrische Daten aus Subarus strategischem Hyper Suprime-Cam-Programm, das von den astronomischen Gemeinschaften in Japan und Taiwan geleitet wird[{“ attribute=““>Princeton University.

The former LMU doctoral researcher I-Non Chiu and his LMU colleagues used this data to characterize the galaxy clusters in eFEDS and measure their masses using the process of weak gravitational lensing. The combination of the two datasets enabled the first cosmological study using galaxy clusters detected by eROSITA.

Their results show that, through comparison between the data and theoretical predictions, dark energy makes up around 76% of the total energy density in the universe. Moreover, the calculations indicated that the energy density of dark energy appears to be uniform in space and constant in time.

“Our results also agree well with other independent approaches, such as previous galaxy cluster studies as well as those using weak gravitational lensing and the cosmic microwave background,” says Bocquet. So far, all pieces of observational evidence, including the latest results from eFEDS, suggest that dark energy can be described by a simple constant, usually referred to as the ‘cosmological constant.’

“Although the current errors on the dark energy constraints are still larger than we would wish, this research employs a sample from eFEDS that after all occupies an area less than 1% of the full sky,” says Mohr. This first analysis has thus laid a solid foundation for future studies of the full-sky eROSITA sample as well as other cluster samples.

Reference: “Cosmological constraints from galaxy clusters and groups in the eROSITA final equatorial depth survey” by I-Non Chiu, Matthias Klein, Joseph Mohr and Sebastian Bocquet, 21 April 2023, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stad957