Schwerkraft: Hatte Einstein Unrecht?

Darstellung der Schwerkraft

Sind Einsteins Theorien über die Schwerkraft falsch? Und kommen wir dem Rätsel der Dunklen Energie näher? Forscher haben in einem spektakulären Experiment einen Durchbruch erzielt.

Wie schaffen wir es eigentlich, auf der Erde zu stehen? Ganz einfach: durch Schwerkraft. Diese fundamentale Kraft des Universums ist gar nicht so einfach zu verstehen und gibt Forschern immer wieder erhebliche Rätsel auf. Wir spüren sie permanent, sie hält unsere Erde im Orbit um die Sonne, sie hält die gesamte Galaxis, die Milchstraße, zusammen. Aber was ist Schwerkraft? Wodurch entsteht sie? 

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Dunkle Energie: Expansion des Kosmos wird immer schneller

Licht beispielsweise entsteht durch Photonen, winzige Lichtteilchen. Wodurch entsteht aber Schwerkraft? Es verdichten sich zwar die Hinweise, dass das mysteriöse Higgs-Boson das Elementarteilchen der Gravitation sein könnte, aber die komplette Auswirkung der Schwerkraft auf die Raumzeit lässt sich damit noch nicht gänzlich erklären. Das größte Mysterium ist die Beziehung zwischen der Schwerkraft und der Dunklen Energie. Schwerkraft hält die Dinge zusammen. In den kleineren Bereichen des Kosmos ist sie die dominierende Kraft. Unsere Milchstraße etwa ist gravitativ an die Andromeda-Galaxie gebunden, weshalb die beiden Sterneninseln sich aufeinander zubewegen und in ferner Zukunft zu einer Riesengalaxie verschmelzen werden. Aber in den ganz großen Bereichen des Kosmos verliert die Schwerkraft ihre Dominanz, hier übernimmt die Dunkle Energie. 

Nichts verstanden? Was genau nicht?

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Der Kosmos expandiert – und das schon seit dem Urknall, seit 13,8 Milliarden Jahren. Aber obwohl der Urknall so lange her ist, schwächt sich diese Expansion nicht ab, sondern beschleunigt sich. Der Weltraum wird immer schneller immer größer. Es muss eine mysteriöse Kraft geben, die ihn weiterhin zum wachsen bringt. Da niemand weiß, was das sein könnte, bezeichnet man diese Kraft als Dunkle Energie. 

Das Universum expandiert

Ist die Theorie der Schwerkraft falsch?

Es gibt viele Ideen, was diese Dunkle Energie sein könnte. Eine Art Energiefeld quer durch Zeit und Raum, das einen abstoßenden Druck wie eine Art Antigravitation ausübt. Beweise dafür gibt es nicht. Da drängt sich der Verdacht auf, dass Dunkle Energie vielleicht in der Form gar nicht existiert, sondern mit unserer Theorie der Schwerkraft etwas falsch sein muss. Einige Forscher denken, dass die Schwerkraft sich auf den großen kosmischen Skalen anders verhält als im Kleinen. Während sie hier alles zusammenhält, drückt sie im Großen vielleicht Dinge auseinander. Oder sie hat sich im Laufe der Entwicklung des Kosmos verändert. Vielleicht war sie in den Anfangstagen des Universums stärker und wurde dann schwächer. Eine kontinuierliche Abnahme der Stärke der Gravitation seit einigen Milliarden Jahren würde die stärker werdende Beschleunigung ziemlich gut erklären, oder? 

Solche alternativen Schwerkrafttheorien erfreuen sich großer Beliebtheit und mangels Indizien könnte das genau so gut wahr sein wie die Idee der mit der Gravitation konkurrierenden Dunklen Energie. Einziges Manko: Eine variierende Schwerkraft über die Zeit hinweg stünde im Widerspruch mit Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. 

Gravitationslinsen: Forscher suchen nach Krümmung in Raumzeit

Ein Forscherteam von der Dark Energy Survey Collaboration hat nun in einem spektakulären Experiment diese alternative Gravitationstheorie auf die Probe gestellt, um das Verhältnis zwischen Schwerkraft und Dunkler Energie zu klären. Sie haben einen der bisher präzisesten Tests von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie durchgeführt und dabei riesige kosmische Entfernungen betrachtet. Wir reden hier von Entfernungen von bis zu fünf Milliarden Lichtjahren. Mal zum Vergleich: Unsere Milchstraße besitzt einen Durchmesser von nur hund100.000 bis 200.000 Lichtjahren. Auf dieser gigantischen Skala haben die Forscher Galaxien untersucht und subtile Verzerrungen gemessen, die durch die Schwerkraft entstehen, wenn sie die Raumzeit verformt. Stellt euch die Raumzeit wie eine Art für uns unsichtbares Trampolin vor, das durch die Gravitation der Himmelskörper eingedellt wird. Genau nach diesen Raumzeittrampolindellen suchten die Forscher. 

Ein Schwarzes Loch als Gravitationslinse

Den Effekt, den die Forscher sich zunutze machten, nennt man Gravitationslinseneffekt. Bei schweren, uns näher gelegenen Objekten, wie Schwarzen Löchern, innerhalb der Galaxis, ist dieser Effekt relativ stark. Auf den großen kosmischen Skalen, bei weit entfernten Galaxien ist er eher schwach, weshalb man ihn in diesem Fall als schwache Gravitationslinse bezeichnet. Durch das Ausfindigmachen dieser schwachen Gravitationslinsen konnten die Dark Energy Survey Wissenschaftler die Effekte der Schwerkraft großflächig sogar in der Vergangenheit bestimmen, denn jeder Blick in den Weltraum ist ein Blick in der Zeit zurück. Wir sehen die Objekte so, wie sie aussahen, als das Licht sich auf den Weg gemacht hat. Milliarden Lichtjahre entfernte Galaxien sehen wir also weit, weit in der Vergangenheit. 

Gravitation im Universum gleich stark; Dunkle Energie existiert wahrscheinlich

Die Forscher untersuchten knapp 100 Millionen Galaxien in unterschiedlichen Entfernungen nach Hinweisen, dass die Schwerkraft an irgendeinem Zeitpunkt des Kosmos schwankte. Und was haben sie entdeckt? Nichts. Keine Abweichung. Die Gravitation war während der gesamten Geschichte des Universums gleich stark. Tatsächlich verhalten sich die untersuchten Galaxien, von denen die ältesten Milliarden Jahre alt sind, genau so, wie es Einsteins Theorie es vorhersagt. Albert Einstein hat also mal wieder komplett Recht behalten.

Viele Gravitationslinsen auf einem Bild

Dennoch haben die Forscher etwas entdeckt. Und zwar, dass die alternativen Theorien der Gravitation wahrscheinlich nicht korrekt sind und dass Dunkle Energie wahrscheinlich existiert. Denn, wenn nicht die Gravitation selbst für die beschleunigte Expansion des Kosmos verantwortlich ist, dann wohl eben doch die ominöse Dunkle Energie. Was uns wieder mit der Frage zurücklässt: Was ist Dunkle Energie? Und ein paar letzte Zweifel an Einsteins Gravitationstheorie sind dennoch erlaubt. Die beteiligte Forscherin Agnès Ferté sagt: “Es gibt immer noch Raum, um Einsteins Gravitationstheorie in Frage zu stellen, da die Messungen immer präziser werden. Wir haben noch so viel zu tun, bevor wir für Euclid und Roman bereit sind. Deshalb ist es wichtig, dass wir weiterhin mit Wissenschaftlern auf der ganzen Welt an diesem Problem zusammenarbeiten.” Mit Euklid und Roman meint sie zwei geplante Weltraumteleskope, die uns den Antworten auf diese große Fragen erheblich näher bringen werden. Das Weltraumteleskop Euclid der ESA, das 2023 ins All starten soll, ist komplett auf die Suche nach Dunkler Energie ausgerichtet. Das Nancy Grace Roman Teleskop wird wie James Webb ein Infrarot-Weltraumteleskop sein, aber mehr auf den Blick auf die ganz großen kosmischen Skalen ausgelegt sein, während James Webb eher Einzelobjekte ins Visier nehmen kann. Nancy Grace Roman wird also dafür prädestiniert sein, die Zusammenhänge in Bereichen von Milliarden Lichtjahren genauer zu beleuchten. Es wird allerdings frühestens im Jahre 2026 starten. 

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