Das Universum könnte eine riesige Schleife sein

Alles, was wir über die Form des Universums zu wissen glauben, könnte falsch sein. Statt flach wie ein Bettlaken zu sein, könnte unser Universum gekrümmt sein, wie ein massiver, aufgeblasener Ballon, so eine neue Studie.

Das ist das Ergebnis einer neuen Arbeit, die heute (4. November) in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht wurde und die Daten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB), des schwachen Echos des Urknalls, untersucht. Doch nicht alle sind überzeugt: Die neuen Erkenntnisse, die auf 2018 veröffentlichten Daten beruhen, widersprechen sowohl jahrelangen konventionellen Weisheiten als auch einer anderen aktuellen Studie, die auf demselben CMB-Datensatz basiert.

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Wenn das Universum gekrümmt ist, so die neue Studie, dann ist es sanft gekrümmt. Diese langsame Krümmung ist nicht wichtig, wenn wir uns in unserem Leben, in unserem Sonnensystem oder sogar in unserer Galaxie bewegen. Aber reist man über all das hinaus, außerhalb unserer galaktischen Nachbarschaft, weit in die tiefe Schwärze hinein, wird man schließlich – wenn man sich in einer geraden Linie bewegt – eine Schleife machen und wieder dort landen, wo man angefangen hat. Kosmologen nennen diese Idee das „geschlossene Universum“. Diese Idee gibt es schon seit einiger Zeit, aber sie passt nicht zu den bestehenden Theorien über die Funktionsweise des Universums. Daher wurde sie weitgehend zugunsten eines „flachen Universums“ verworfen, das sich grenzenlos in alle Richtungen ausdehnt und keine Schleifen um sich selbst bildet. Jetzt bietet eine Anomalie in den Daten der bisher besten Messung des CMB einen soliden (aber nicht absolut schlüssigen) Beweis dafür, dass das Universum doch geschlossen ist, so die Autoren: Eleonora Di Valentino, Kosmologin an der University of Manchester, Alessandro Melchiorri, Kosmologe an der Sapienza University of Rome, und Joseph Silk, Kosmologe an der Johns Hopkins University.

Der Unterschied zwischen einem geschlossenen und einem offenen Universum sei ein bisschen wie der Unterschied zwischen einem gespannten, flachen Laken und einem aufgeblasenen Ballon, so Melchiorri gegenüber Live Science. In beiden Fällen dehnt sich das ganze Ding aus. Wenn sich das Blatt ausdehnt, entfernt sich jeder Punkt von jedem anderen Punkt in einer geraden Linie. Wenn der Ballon aufgeblasen wird, entfernt sich jeder Punkt auf seiner Oberfläche weiter von jedem anderen Punkt, aber die Krümmung des Ballons macht die Geometrie dieser Bewegung komplizierter.

„Das bedeutet zum Beispiel, dass, wenn man zwei Photonen hat und sie in einem geschlossenen Universum parallel reisen, sie sich treffen werden“, sagte Melchiorri.

In einem offenen, flachen Universum würden die Photonen ungestört ihre parallelen Bahnen ziehen, ohne jemals zu interagieren.

Das konventionelle Modell der Inflation des Universums, so Melchiorri, legt nahe, dass das Universum flach sein sollte. Wenn man die Ausdehnung des Raums bis zum Anfang zurückspult, bis zu den ersten 0,0000000000000000000000001 Sekunden nach dem Urknall, sieht man nach diesem Modell einen Moment unglaublicher, exponentieller Ausdehnung, als der Raum aus dem winzigen Punkt wuchs, an dem er begann. Und die Physik dieser superschnellen Expansion deutet auf ein flaches Universum hin. Das ist der erste Grund, warum die meisten Experten glauben, dass das Universum flach ist, sagte er. Wenn das Universum nicht flach ist, muss man die Physik dieses ursprünglichen Mechanismus „feinjustieren“, damit alles zusammenpasst – und dabei zahllose andere Berechnungen neu anstellen, sagte Melchiorri.

Aber das könnte am Ende notwendig sein, schreiben die Autoren in der neuen Studie.

Das liegt daran, dass es eine Anomalie im CMB gibt. Das CMB ist das älteste, was wir im Universum sehen. Es besteht aus dem Mikrowellenlicht, das den gesamten Weltraum durchdringt, wenn man die Sterne, Galaxien und andere Störungen ausblendet. Es ist eine der wichtigsten Quellen für Daten über die Geschichte und das Verhalten des Universums, weil es so alt und so weit im Raum verteilt ist. Und nach den neuesten Daten stellt sich heraus, dass es deutlich mehr „Gravitationslinsen“ des CMB gibt als erwartet – was bedeutet, dass die Schwerkraft die Mikrowellen des CMB stärker zu verbiegen scheint, als die bestehende Physik erklären kann.

Die Daten, auf die das Team zurückgreift, stammen aus einer 2018 veröffentlichten Version des Planck-Experiments – einem Experiment der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), das den CMB detaillierter als je zuvor kartiert. (Die neuen Daten werden in einer der nächsten Ausgaben der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht und sind jetzt auf der ESA-Website verfügbar. Sowohl Di Valentino als auch Melchiorri waren an dieser Arbeit beteiligt.)

Um diese zusätzlichen Linsen zu erklären, hat die Planck-Kollaboration dem Modell der Gruppe zur Entstehung des Universums eine zusätzliche Variable hinzugefügt, die die Wissenschaftler „A_lens“ nennen: „Das ist etwas, das man von Hand einfügt, um zu erklären, was man sieht. Es gibt keine Verbindung zur Physik“, sagte Melchiorri, d. h. es gibt keinen A_lens-Parameter in Einsteins Relativitätstheorie. „Was wir gefunden haben, ist, dass man A_lens mit einem positiv gekrümmten Universum erklären kann, was eine viel physikalischere Interpretation ist, als man sie mit der allgemeinen Relativitätstheorie erklären kann.“

Melchiorri wies darauf hin, dass die Interpretation seines Teams nicht schlüssig ist. Nach den Berechnungen der Gruppe deuten die Planck-Daten auf ein geschlossenes Universum mit einer Standardabweichung von 3,5 Sigma hin (ein statistisches Maß, das mit einer Wahrscheinlichkeit von 99,8 % besagt, dass das Ergebnis nicht auf Zufall beruht). Das ist weit unter dem 5-Sigma-Standard, den Physiker normalerweise anstreben, bevor sie eine Idee als bestätigt bezeichnen.

Aber einige Kosmologen sagten, es gäbe noch mehr Gründe, skeptisch zu sein.

Andrei Linde, ein Kosmologe an der Stanford University, sagte gegenüber Live Science, dass die Nature Astronomy-Veröffentlichung eine andere wichtige Arbeit nicht berücksichtigt, die am 1. Oktober in der arXiv-Datenbank veröffentlicht wurde. (Diese Arbeit wurde noch nicht in einer Fachzeitschrift veröffentlicht.)

In dieser Arbeit haben die Kosmologen George Efstathiou und Steven Gratton von der Universität Cambridge, die beide auch an der Planck-Kollaboration beteiligt waren, eine engere Untergruppe von Daten untersucht als in der Nature Astronomy-Arbeit. Ihre Analyse spricht ebenfalls für ein gekrümmtes Universum, allerdings mit weitaus geringerer statistischer Sicherheit als Di Valentino, Melchiorri und Silk bei der Betrachtung eines größeren Segments der Planck-Daten. Als Efstathiou und Graton die Daten jedoch zusammen mit zwei anderen bestehenden Datensätzen aus dem frühen Universum betrachteten, stellten sie fest, dass die Beweise insgesamt auf ein flaches Universum hindeuten.

Auf die Frage nach der Arbeit von Efstathiou und Gratton lobte Melchiorri die sorgfältige Behandlung der Arbeit. Er sagte jedoch, dass sich die Analyse des Duos auf einen zu kleinen Teil der Planck-Daten stützt. Und er wies darauf hin, dass ihre Forschung auf einer modifizierten (und theoretisch verbesserten) Version der Planck-Daten basiert – nicht auf dem öffentlichen Datensatz, den mehr als 600 Physiker überprüft hatten.

Linde wies auf diese Neuanalyse als Zeichen dafür hin, dass die Arbeit von Efstathiou und Gratton auf besseren Methoden beruht.

Efstathiou bat darum, nicht direkt zitiert zu werden, wies aber in einer E-Mail an Live Science darauf hin, dass eine Krümmung des Universums eine Reihe von Problemen aufwerfen würde – sie widerspreche den anderen Datensätzen aus dem frühen Universum und mache die Diskrepanzen in der beobachteten Expansionsrate des Universums viel schlimmer. Gratton sagte, er stimme zu.

Melchiorri stimmte ebenfalls zu, dass das Modell des geschlossenen Universums eine Reihe von Problemen für die Physik aufwerfen würde.

„Ich möchte nicht sagen, dass ich an ein geschlossenes Universum glaube“, sagte er. „Ich bin ein bisschen neutraler. Ich würde sagen, lasst uns die Daten abwarten und was die neuen Daten sagen werden. Ich glaube, dass es jetzt eine Diskrepanz gibt, dass wir vorsichtig sein müssen und versuchen müssen, herauszufinden, was diese Diskrepanz verursacht.“

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Ursprünglich veröffentlicht auf Live Science.