Finale Daten des Dark Energy Survey stellen unser Verständnis der kosmischen Evolution infrage

Abschlussdaten des Dark Energy Survey stellen unser Verständnis der kosmischen Evolution infrage

Nach sechs Jahren der Durchmusterung des südlichen Himmels hat der Dark Energy Survey (DES) seine abschließende Analyse des sechsten Jahres (Year 6, Y6) veröffentlicht und damit einen der bislang strengsten Belastungstests für das Standardmodell der Kosmologie geliefert. Durch die Kartierung der Positionen und Formen von fast 150 Millionen Galaxien auf einer Fläche von 5.000 Quadratgrad hat ein internationales Forscherteam die 13,8 Milliarden Jahre alte Geschichte des Universums mit beispielloser Präzision untersucht. Die Ergebnisse, angeführt von einer umfassenden Kollaboration, der Forscher wie J. Fang, Y. Zhang und J. Carretero angehören, untermauern eine beständige und provokante Diskrepanz: Das moderne Universum erscheint weniger „klumpig“, als es die Bedingungen des frühen Universums vermuten lassen. Diese „S8-Spannung“ könnte signalisieren, dass unser aktuelles physikalisches Verständnis – insbesondere das Lambda-Cold-Dark-Matter-Modell (ΛCDM) – einer grundlegenden Überarbeitung bedarf, um die Entwicklung kosmischer Strukturen zu erklären.

Der Dark Energy Survey, der am Blanco Telescope in Chile basiert und unter anderem vom Fermi National Accelerator Laboratory geleitet wird, wurde konzipiert, um die Natur der Dunklen Energie zu untersuchen – jener geheimnisvollen Kraft, die die beschleunigte Ausdehnung des Universums antreibt. Die Ergebnisse des sechsten Jahres stellen den Höhepunkt eines halben Jahrzehnts der Beobachtung und mehrerer Jahre strenger „Blindanalyse“ dar, ein Verfahren, bei dem Wissenschaftler die Endergebnisse vor sich selbst geheim halten, um Bestätigungsfehler zu vermeiden. Durch die Analyse der großräumigen Struktur des Universums zielt die DES-Kollaboration darauf ab, zu bestimmen, wie sich Dunkle Materie über Äonen hinweg zusammengeballt hat und wie die Dunkle Energie dieser Verklumpung entgegenwirkte, indem sie das Gefüge der Raumzeit selbst dehnte.

Die Methodik der kosmischen Kartierung

Um diese Ergebnisse zu erzielen, nutzte die Kollaboration eine ausgeklügelte Methodik, die als „3x2pt“-Analyse bekannt ist und drei verschiedene Zwei-Punkt-Korrelationsfunktionen kombiniert. Zuerst massen die Forscher die „kosmische Scherung“ von etwa 140 Millionen Quellgalaxien. Dabei werden die winzigen Verzerrungen in den Formen ferner Galaxien erfasst, die durch die Gravitationskraft der dazwischen liegenden Dunklen Materie verursacht werden – ein Phänomen, das als schwacher Gravitationslinseneffekt bekannt ist. Zweitens analysierten sie das „Galaxien-Clustering“ von 9 Millionen Linsengalaxien und kartierten deren spezifische Positionen, um zu sehen, wie sich Galaxien natürlicherweise gruppieren. Schließlich führten sie ein „Galaxie-Galaxie-Lensing“ durch, eine Kreuzkorrelationstechnik, welche die Positionen der Linsengalaxien im Vordergrund mit den verzerrten Formen der Quellgalaxien im Hintergrund verknüpft. Dieser mehrgleisige Ansatz ermöglicht eine konsistente Messung sowohl der Gesamtmenge an Materie im Universum als auch des Grades ihrer Konzentration.

Die primäre Kennzahl zur Beschreibung dieser Konzentration ist der S8-Parameter, der die Clustering-Amplitude der Materie darstellt. Gemäß der DES Year 6 3x2pt-Analyse wurde der S8-Wert mit 0,789 ± 0,012 gemessen, während die Gesamtmateriedichte (Ωm) bei 0,333 lag. Diese Zahlen sind bemerkenswert präzise, stehen jedoch in Spannung zu Vorhersagen, die aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund (Cosmic Microwave Background, CMB) – dem „Nachglühen“ des Urknalls – abgeleitet wurden. Daten des Planck-Satelliten sowie des Atacama Cosmology Telescope (ACT-DR6) und des South Pole Telescope (SPT-3G) deuten auf einen höheren S8-Wert hin, was bedeutet, dass das frühe Universum ein stärker verklumptes modernes Universum vorhersagt, als DES tatsächlich beobachtet.

Die wachsende „S8-Spannung“

Diese Diskrepanz, bekannt als S8-Spannung, ist zu einem zentralen Fokus der modernen Kosmologie geworden. Die DES-Ergebnisse des sechsten Jahres zeigen eine Spannung von 2,6 Sigma, wenn sie allein auf den S8-Parameter im Vergleich zu CMB-Primäranisotropie-Datensätzen projiziert werden. Betrachtet man den gesamten Parameterraum, liegt die Differenz bei etwa 1,8 Sigma. Während diese Zahlen für einen Laien gering erscheinen mögen, stellen sie in der Welt der Hochpräzisionsphysik einen beständigen „Riss“ im Standardmodell dar. Wenn das frühe Universum (der CMB) und das späte Universum (die vom DES kartierten Galaxien) nicht übereinstimmen, deutet dies darauf hin, dass während der Milliarden Jahre der kosmischen Evolution etwas geschah, das unsere aktuellen Gleichungen nicht erfassen. Das Universum ist effektiv „glatter“, als wir es in diesem Stadium seines Bestehens erwartet hätten.

Die statistische Robustheit dieses Befundes wird durch den schieren Umfang der DES-Kollaboration gestärkt. Mit Beiträgen von Institutionen wie der University of Chicago, der Princeton University und dem University College London wurde die Studie erschöpfenden systematischen Prüfungen unterzogen. Die Forscher berücksichtigten Variablen wie Fehler in der fotometrischen Rotverschiebung (Schätzung von Galaxienentfernungen), die intrinsische Ausrichtung von Galaxien und die Auswirkungen von „baryonischem Feedback“ – der Art und Weise, wie Gas und Sterne innerhalb von Galaxien Materie verschieben und das Signal der Dunklen Materie verwischen können. Trotz dieser Korrekturen bleibt die S8-Spannung bestehen, was darauf hindeutet, dass das Ergebnis eher eine Eigenschaft des Universums als ein Messfehler ist.

Jenseits des Standardmodells: wCDM und neue Physik

Zusätzlich zum Standard-ΛCDM-Modell, bei dem Dunkle Energie als konstante „kosmologische Konstante“ behandelt wird, modellierten die Forscher ihre Daten auch unter Verwendung des wCDM-Rahmenwerks. In dieser Version des Universums darf der Zustandsgleichungsparameter der Dunklen Energie (w) variieren. Die Y6-3x2pt-Ergebnisse ergaben einen w-Wert von -1,12, was mit der kosmologischen Konstante (w = -1) übereinstimmt, aber Raum für eine „dynamische“ Dunkle Energie lässt, die sich im Laufe der Zeit verändert. Als die DES-3x2pt-Daten mit anderen Datensätzen niedriger Rotverschiebung kombiniert wurden – einschließlich Supernovae (SNe Ia), baryonischen akustischen Oszillationen (BAO) und Galaxienhaufen –, stieg die Spannung zum CMB im ΛCDM-Modell auf 2,8 Sigma an.

Was könnte diese Lücke erklären? Kosmologen ziehen nun mehrere Szenarien der „neuen Physik“ in Betracht. Eine Möglichkeit ist, dass die Dunkle Energie keine konstante Kraft ist, sondern sich entwickelt und die Rate der kosmischen Ausdehnung in einer Weise verändert, die das Wachstum von Strukturen hemmt. Eine andere Hypothese betrifft die Masse von Neutrinos; der gemeinsame Fit von DES Y6 mit CMB- und BAO-Daten lieferte die bislang engsten Grenzen für die Summe der Neutrinomassen und stellte fest, dass diese weniger als 0,14 eV beträgt. Wenn sich Neutrinos oder andere „dunkle“ Teilchen anders verhalten als erwartet, könnten sie einen subtilen Druck ausüben, der verhindert, dass sich Materie so dicht zusammenballt, wie es die Planck-Daten vorhersagen würden.

Das Erbe des Dark Energy Survey

Die Veröffentlichung der Ergebnisse des sechsten Jahres markiert einen Meilenstein für die Dark Energy Survey-Kollaboration. Durch die Kombination aller DES-Untersuchungen – schwacher Gravitationslinseneffekt, Clustering, Supernovae und Galaxienhaufen – hat das Team eine definitive Karte des Universums bei niedriger Rotverschiebung erstellt. Dieser Datensatz wird für die kommenden Jahre als Goldstandard dienen und eine Basis für die nächste Generation von Observatorien bilden. Die hohe Bedeutung dieser Arbeit spiegelt sich in ihrer Präzision wider; der gemeinsame Fit von Y6 3x2pt mit CMB- und anderen Datensätzen lieferte die bislang am stärksten eingegrenzten kosmologischen Parameter: eine Materiedichte von 0,302 und eine Hubble-Konstante (h) von 0,683.

Mit Blick in die Zukunft wird die „Krise in der Kosmologie“ wahrscheinlich durch noch größere Durchmusterungen gelöst werden. Der Legacy Survey of Space and Time (LSST) des Vera C. Rubin Observatory und die Euclid-Mission der Europäischen Weltraumorganisation stehen kurz davor, Milliarden von Galaxien zu beobachten und damit die 150 Millionen vom DES analysierten weit in den Schatten zu stellen. Diese kommenden Projekte werden entweder bestätigen, dass die S8-Spannung ein Zeichen für eine revolutionäre neue Physik ist, oder zeigen, dass es sich um eine statistische Fluktuation handelte. Vorerst stehen die DES-Ergebnisse des sechsten Jahres als Zeugnis menschlichen Erfindungsgeistes und bieten einen klareren – wenn auch geheimnisvolleren – Blick auf die dunklen Kräfte, die unsere Realität formen. Wie J. Fang, Y. Zhang und ihre Kollegen schlussfolgern, birgt das Universum weiterhin Geheimnisse, die unsere grundlegendsten Annahmen über die Natur von Raum und Zeit herausfordern.