Die allgemeine Relativitätstheorie in Frage stellen
Einsteins allgemeine Relativitätstheorie bildet schon lange die Grundlage der Beschreibung der Gravitation innerhalb unseres Sonnensystems. Aber wie verhält es sich mit dem Universum im Ganzen? „1998 wurde die Astronomie mit der überraschenden Entdeckung konfrontiert, dass sich die Ausdehnung des Universums beschleunigt und nicht verlangsamt“, sagt Kazuya Koyama, Kosmologieprofessor an der Universität Portsmouth. Koyama zufolge ist diese späte Beschleunigung des Universums das schwierigste Problem der theoretischen Physik – das zudem den Kanon der allgemeinen Relativitätstheorie in Frage stellt. „Das Standardmodell der Kosmologie beruht auf einer enormen Extrapolation unseres allzu begrenzten Wissens über die Schwerkraft“, erläutert er. „Diese Entdeckung könnte uns dazu zwingen, die Theorie der Gravitation und das Standardmodell der Kosmologie auf Basis der allgemeinen Relativitätstheorie zu überarbeiten.“ Mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts CosTesGrav arbeitet Koyama an der Schließung dieser Wissenslücke. „Das Projektziel lautet, kosmologische Tests der Gravitation zu entwickeln und nach Lösungen für den Ausgangspunkt der beobachteten beschleunigten Expansion des Universums zu suchen, indem die konventionelle allgemeine Relativitätstheorie hinterfragt wird“, fügt Koyama hinzu.
Ganz klein beginnen und dann kosmologisch werden
Hauptschwerpunkt des Projekts CosTesGrav war die Entwicklung eines theoretischen Rahmens und von Instrumenten zur Untersuchung der Gravitationsphysik in kosmologischen Dimensionen. Dazu begann das Forschungsteam im Kleinen. „Wir entwickelten verschiedene theoretische Instrumente, um Vorhersagen für kosmologische Beobachtungen in den kleinen Größenordnungen modifizierter Gravitationsmodelle zu treffen“, erklärt Koyama. „Im kleinen Maßstab stehen viele Informationen zur Verfügung. Es ist überaus wichtig, theoretische Vorhersagen in diesen Größenordnungen zu treffen, um den Ertrag zukünftiger kosmologischer Durchmusterungen zu maximieren.“ Als Veranschaulichung, welche großen Auswirkungen dieser Ansatz im kleinen Maßstab zeigt, kann die Arbeit des Projekts an der allgemeinen Skalar-Tensor-Theorie, einer Erweiterung der allgemeinen Relativitätstheorie unter Einbeziehung eines Skalarfelds, gelten. „Wir haben einen bedeutenden Beitrag zur Entwicklung allgemeinerer Skalar-Tensor-Theorien geleistet, die über die ursprüngliche, in den 1970er Jahren veröffentlichte Theorie hinausgehen“, merkt Koyama an. Wie Koyama erläutert, wirken sich Entwicklungen wie diese nicht nur auf die Untersuchung von Gravitationstheorien aus, sondern stellen auch eine Basis dar, um die Gravitation in kosmologischen Dimensionen innerhalb eines allgemeinen Rahmenwerks zu erkunden. „Wir haben modifizierte Gravitationstheorien als eine Alternative zu den konventionellen Theorien über dunkle Energie konstruiert und ‚Screening-Mechanismen‘ analysiert, um die allgemeine Relativitätstheorie in Größenordnungen wiedereinzuführen, in denen sie bereits gut erforscht ist“, berichtet er. „Dann haben wir bessere theoretische Rahmenwerke entwickelt, um kosmologische Tests der Gravitation durchzuführen, die nichtlineare Maßstäbe einschließen, indem wir unser theoretisches Wissen über die Modelle und unsere Simulationen gemäß dem neuesten Stand der Technik anwenden.“
Große Dinge kündigen sich an
Ungeachtet dieser erheblichen Anstrengungen muss im Rahmen des Projekts noch eine gute Alternative zur allgemeinen Relativitätstheorie gefunden werden, welche die späte Beschleunigung des Universums erklären kann. „Die Beschränkung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Gravitationswellen aus einer 2018 beobachteten Neutronensternverschmelzung hat die Theorienlandschaft jenseits der allgemeinen Relativitätstheorie erheblich verändert“, betont Koyama. „Sie hat gezeigt, dass uns Beobachtungen manchmal in unerforschte Regionen des Theorienraums führen und dass es wichtig ist, bei der Entwicklung theoretischer Modelle unvoreingenommen zu sein.“ Abgesehen davon werden die im Rahmen dieses vom Europäischen Forschungsrat unterstützten Projekts entwickelten Instrumente eine entscheidende Rolle bei der Überprüfung von nicht dem Standard entsprechenden kosmologischen Modellen spielen, die mithilfe zukünftiger astronomischer Durchmusterungen wie etwa mit dem Weltraumteleskop Euclid der Europäischen Weltraumorganisation durchgeführt werden sollen. „Bald schon beginnen spannende neue kosmologische Experimente, und ich freue mich darauf, die in diesem Projekt entwickelten Verfahren auf aktuelle Daten anzuwenden und Tests der allgemeinen Relativitätstheorie im kosmologischen Maßstab durchzuführen“, schließt Koyama seine Ausführungen.
Schlüsselbegriffe
CosTesGrav, allgemeine Relativitätstheorie, Universum, Gravitation, Kosmologie, theoretische Physik, Schwerkraft, Mission Euclid
