Welche Form hat das Universum? Eine neue Studie legt nahe, dass wir uns geirrt haben

Die Planck-Wissenschaftler haben den Linseneffekt schon vor Jahren bemerkt; die Anomalie zeigte sich am deutlichsten in ihrer endgültigen Analyse des gesamten Datensatzes, die letztes Jahr veröffentlicht wurde. Wenn das Universum flach ist, erwarten Kosmologen, dass eine Krümmungsmessung aufgrund zufälliger statistischer Schwankungen in den Daten innerhalb einer „Standardabweichung“ von Null liegt. Doch sowohl das Planck-Team als auch die Autoren des neuen Papiers fanden heraus, dass die CMB-Daten um 3,4 Standardabweichungen abweichen. Wenn man davon ausgeht, dass das Universum flach ist, ist dies ein großer Zufall – etwa so, als würde man bei einem Münzwurf 11 Mal hintereinander Kopf bekommen, was in weniger als 1 % der Fälle passiert. Das Planck-Team führt die Messung auf einen solchen Zufall zurück oder auf einen unerklärten Effekt, der das CMB-Licht verwischt und die Wirkung von zusätzlicher Materie imitiert.

Oder vielleicht ist das Universum wirklich geschlossen. Di Valentino und seine Mitautoren weisen darauf hin, dass ein geschlossenes Modell andere anomale Befunde im CMB auflöst. So leiten die Forscher die Werte der wichtigsten Bestandteile unseres Universums, wie die Menge an dunkler Materie und dunkler Energie, aus der Messung der Farbvariationen des CMB-Lichts ab, das aus verschiedenen Regionen des Himmels stammt. Merkwürdigerweise erhalten sie jedoch unterschiedliche Antworten, wenn sie kleine Himmelsregionen mit großen Regionen vergleichen. Die Autoren weisen darauf hin, dass sich diese Werte nicht unterscheiden, wenn man sie unter der Annahme eines geschlossenen Universums neu berechnet.

Will Kinney, Kosmologe an der University at Buffalo in New York, nannte diesen zusätzlichen Vorteil des Modells eines geschlossenen Universums „wirklich interessant“. Er merkte jedoch an, dass es sich bei den Diskrepanzen zwischen den kleinen und den großräumigen Schwankungen im CMB-Licht leicht um statistische Fluktuationen handeln könnte, oder sie könnten von demselben unbekannten Fehler herrühren, der auch die Linsenmessung beeinflusst.

Nach der Standardtheorie der Kosmologie, die als ΛCDM bekannt ist (benannt nach der dunklen Energie, die durch den griechischen Buchstaben Λ oder Lambda dargestellt wird, und der kalten dunklen Materie), gibt es nur sechs dieser Schlüsseleigenschaften, die das Universum formen. Mit nur sechs Zahlen beschreibt das ΛCDM fast alle Merkmale des Kosmos genau. Und das ΛCDM sagt keine Krümmung voraus; es besagt, dass das Universum flach ist.

Das neue Papier argumentiert tatsächlich, dass wir möglicherweise einen siebten Parameter zum ΛCDM hinzufügen müssen: eine Zahl, die die Krümmung des Universums beschreibt. Für die Linsenmessung verbessert das Hinzufügen einer siebten Zahl die Übereinstimmung mit den Daten.

Aber andere Kosmologen argumentieren, dass wir, bevor wir eine Anomalie ernst genug nehmen, um einen siebten Parameter zur Theorie hinzuzufügen, all die anderen Dinge berücksichtigen müssen, die das ΛCDM richtig macht. Sicher, wir können uns auf diese eine Anomalie konzentrieren – eine Münze, die 11 Mal hintereinander Kopf zeigt – und sagen, dass etwas nicht stimmt. Aber das CMB ist ein so großer Datensatz, dass es so ist, als würde man eine Münze hunderte oder tausende Male werfen. Es ist nicht allzu schwer, sich vorzustellen, dass wir dabei einmal zufällig auf 11 Köpfe stoßen werden. Physiker nennen dies den „Look-Your-Order“-Effekt.

Zudem stellen die Forscher fest, dass der siebte Parameter für die meisten anderen Messungen nicht benötigt wird. Es gibt eine zweite Möglichkeit, die räumliche Krümmung aus dem CMB zu ermitteln, indem man die Korrelationen zwischen dem Licht von vier Punkten am Himmel misst; diese „Linsenrekonstruktions“-Messung zeigt, dass das Universum flach ist und kein siebter Parameter benötigt wird. Darüber hinaus deuten die unabhängigen Beobachtungen der BOSS-Durchmusterung von kosmologischen Signalen, den sogenannten baryonischen akustischen Oszillationen, ebenfalls auf ein flaches Universum hin. In ihrer Analyse von 2018 kombinierten die Planck-Wissenschaftler ihre Linsenmessung mit diesen beiden anderen Messungen und kamen zu einem Gesamtwert für die räumliche Krümmung, der innerhalb einer Standardabweichung von Null liegt.

Di Valentino, Melchiorri und Silk sind der Meinung, dass die Zusammenführung dieser drei verschiedenen Datensätze die Tatsache verschleiert, dass die verschiedenen Datensätze nicht wirklich übereinstimmen. „Es geht hier nicht darum, dass das Universum geschlossen ist“, sagte Melchiorri per E-Mail. „Das Problem ist die Inkonsistenz zwischen den Daten. Das deutet darauf hin, dass es derzeit kein Konkordanzmodell gibt und dass wir etwas übersehen.“ Mit anderen Worten: Das ΛCDM ist falsch oder unvollständig.

Alle anderen Forscher, die für diesen Artikel befragt wurden, sind der Meinung, dass die Beweise dafür sprechen, dass das Universum flach ist. „Angesichts der anderen Messungen“, so Addison, „ist die klarste Interpretation dieses Verhaltens der Planck-Daten, dass es sich um eine statistische Fluktuation handelt. Vielleicht wird es durch eine kleine Ungenauigkeit in der Planck-Analyse verursacht, vielleicht sind es aber auch nur Rauschschwankungen oder Zufall. Aber so oder so gibt es keinen Grund, dieses geschlossene Modell ernst zu nehmen.“

Das soll nicht heißen, dass nicht noch Teile im kosmologischen Bild fehlen. Das ΛCDM sagt anscheinend den falschen Wert für die derzeitige Expansionsrate des Universums voraus, was zu einer Kontroverse geführt hat, die als Problem der Hubble-Konstante bekannt ist. Die Annahme, dass das Universum geschlossen ist, behebt dieses Problem jedoch nicht – tatsächlich verschlechtert die Hinzufügung der Krümmung die Vorhersage der Expansionsrate. Abgesehen von der anomalen Linsenmessung von Planck gibt es keinen Grund anzunehmen, dass das Universum geschlossen ist.

„Die Zeit wird es zeigen, aber ich persönlich bin nicht sehr besorgt darüber“, sagte Kinney und bezog sich auf die Andeutung einer Krümmung in den CMB-Daten. „

Aktualisierung: 15. Juli 2020
Neue Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds mit dem Atacama Cosmology Telescope zeigen, dass das Universum flach ist und die Dichte der kritischen Dichte entspricht. „Wir finden keinen Hinweis auf eine Abweichung von der Flachheit“, schreiben die ACT-Wissenschaftler, „was die Interpretation unterstützt, dass es sich um eine statistische Fluktuation handelt.“

Korrektur vom 4. November 2019: Die ursprüngliche Version dieses Artikels bezog sich auf den Satelliten BOSS. Tatsächlich wurde die BOSS-Durchmusterung mit einem bodengestützten Teleskop durchgeführt.

Dieser Artikel wurde auf Spanisch bei Investigacionyciencia.es nachgedruckt.