Forscher haben eine Möglichkeit entdeckt, dunkle Energie zu erkennen und zu messen, indem sie die Bewegung zwischen der Milchstraße und der Andromeda-Galaxie untersuchten. Diese Technik, die sich noch in einem frühen Stadium befindet, kann den oberen Wert der kosmologischen Konstante, einem einfachen Modell der Dunklen Energie, abschätzen, der fünfmal höher ist als die im frühen Universum ermittelten Werte.

Forscher der Universität Cambridge haben eine neue Möglichkeit entdeckt, dunkle Energie – die mysteriöse Kraft, die mehr als zwei Drittel des Universums ausmacht und für seine beschleunigte Expansion verantwortlich ist – in unserem eigenen kosmischen Hinterhof zu messen.

Die Forscher fanden heraus, dass es möglich sein könnte, dunkle Energie zu erkennen und zu messen, indem sie Andromeda, unseren galaktischen Nachbarn, untersuchen, der sich auf einem langsamen Kollisionskurs mit der Galaxie befindet. Milchstraße.

Seit ihrer ersten Entdeckung in den späten 1990er Jahren haben Wissenschaftler sehr weit entfernte Galaxien zur Untersuchung der Dunklen Energie genutzt, sie konnten sie jedoch noch nicht direkt nachweisen. Die Cambridge-Forscher fanden jedoch heraus, dass sie durch die Untersuchung, wie sich die Andromeda-Galaxie und die Milchstraße aufgrund ihrer Gesamtmasse aufeinander zubewegen, eine Obergrenze für den Wert der kosmologischen Konstante, dem einfachsten Modell der Dunklen Energie, festlegen können. Die von ihnen gefundene Obergrenze liegt fünfmal höher als der Wert der kosmologischen Konstante, die im frühen Universum nachgewiesen werden kann.

Obwohl sich diese Technologie noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet, sagen Forscher, dass es möglich sei, dunkle Energie durch die Untersuchung unserer eigenen kosmischen Nachbarschaft zu entdecken. Die Ergebnisse werden in berichtet Die Astrophysikalische Tagebuchbriefe.

Alles, was wir in unserem Universum und am Himmel sehen können – von winzigen Insekten bis hin zu riesigen Galaxien – macht nur fünf Prozent des beobachtbaren Universums aus. Der Rest ist dunkel: Wissenschaftler gehen davon aus, dass etwa 27 % des Universums aus dunkler Materie bestehen, die die Dinge zusammenhält, während 68 % aus dunkler Energie bestehen, die die Dinge auseinander drückt.

„Dunkle Energie ist ein allgemeiner Name für eine Familie von Modellen, die zu Einsteins Gravitationstheorie hinzugefügt werden können“, sagte Erstautor Dr. David Benisti von der Abteilung für Angewandte Mathematik und Theoretische Physik. „Die einfachste Version davon ist als kosmologische Konstante bekannt: eine konstante Energiedichte, die Galaxien voneinander entfernt.“

Einstein fügte seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorübergehend die kosmologische Konstante hinzu. Von den 1930er bis 1990er Jahren wurde die kosmologische Konstante auf Null gesetzt, bis entdeckt wurde, dass eine unbekannte Kraft – dunkle Energie – die Expansion des Universums beschleunigte. Es gibt mindestens zwei große Probleme mit dunkler Energie: Wir wissen nicht genau, was es ist, und wir haben es nicht direkt entdeckt.

Seit ihrer ersten Entdeckung haben Astronomen verschiedene Methoden zur Entdeckung dunkler Energie entwickelt. Die meisten davon umfassen die Untersuchung von Objekten aus dem frühen Universum und die Messung ihrer Geschwindigkeit, mit der sie sich von uns entfernen. Die Auswirkungen der Dunklen Energie vor Milliarden von Jahren zu entschlüsseln, ist nicht einfach: Da es sich um eine schwache Kraft zwischen Galaxien handelt, kann dunkle Energie leicht von viel stärkeren Kräften innerhalb von Galaxien überwunden werden.

Es gibt jedoch eine Region im Universum, die überraschend empfindlich auf dunkle Energie reagiert, und sie liegt in unserem eigenen kosmischen Hinterhof. Die Andromedagalaxie ist der nächste Verwandte unserer Milchstraße und die beiden Galaxien befinden sich auf Kollisionskurs. Je näher sie kommen, desto langsamer beginnen die beiden Galaxien, einander zu umkreisen. Eine Umlaufbahn wird 20 Milliarden Jahre dauern. Aufgrund der enormen Gravitationskräfte werden die beiden Galaxien jedoch lange bevor eine Umlaufbahn abgeschlossen ist, etwa in fünf Milliarden Jahren, beginnen, zu verschmelzen und ineinander zu fallen.

„Andromeda ist die einzige Galaxie, die uns nicht entkommt. Wenn wir also ihre Masse und Bewegung untersuchen, können wir möglicherweise einige Aussagen über die kosmologische Konstante und die Dunkle Energie treffen“, sagte Benisti, der auch wissenschaftlicher Mitarbeiter in Harvard ist Universität. Queens College.

Mithilfe einer Reihe von Simulationen, die auf den besten verfügbaren Schätzungen der Massen der beiden Galaxien basieren, haben Benisti und seine Co-Autoren – Professor Anne Davies von DAMTP und Professor Wayne Evans vom Institut für Astronomie – herausgefunden, dass dunkle Energie die Art und Weise beeinflusst, wie Andromeda und unsere Galaxie interagieren. Die Milchstraße dreht sich umeinander.

„Dunkle Energie wirkt sich auf jedes Galaxienpaar aus: Die Schwerkraft möchte die Galaxien zusammenziehen, während dunkle Energie sie auseinander drückt“, sagte Benisti. „Wenn wir in unserem Modell den Wert der kosmologischen Konstante ändern, können wir sehen, wie sich dadurch die Umlaufbahn der beiden Galaxien ändert. Basierend auf ihren Massen können wir eine Obergrenze für die kosmologische Konstante festlegen, die etwa fünfmal höher ist.“ als das, was wir vom Rest des Universums messen können.

Die Forscher sagen, dass diese Technik zwar sehr wertvoll sein könnte, aber noch kein direkter Nachweis dunkler Energie sei. Daten des James Webb Telescope (JWST) werden genauere Messungen der Masse und Bewegung von Andromeda liefern, was dazu beitragen könnte, die Obergrenzen der kosmologischen Konstante zu senken.

Darüber hinaus könnte es durch die Untersuchung anderer Galaxienpaare möglich sein, diese Technik zu verbessern und zu bestimmen, wie sich dunkle Energie auf das Universum auswirkt. „Dunkle Energie ist eines der größten Geheimnisse der Kosmologie“, sagte Benisti. „Seine Auswirkungen können je nach Entfernung und Zeit variieren, aber wir hoffen, dass diese Technik dabei hilft, das Rätsel zu lösen.“

Referenz: „Constraining Dark Energy from Local Group Dynamics“ von David Benisti, Anne Christine Davis und N. Wayne Evans, 8. August 2023, Astrophysikalische Tagebuchbriefe.
doi: 10.3847/2041-8213/ace90b