Untersuchungen haben ergeben, dass eine beliebte Alternative zu Albert Einsteins Theorie zur Beschleunigung der Expansion des Universums nicht für neu gewonnene Daten geeignet ist.
Untersuchungen des Astronomieprofessors der Universität von Arizona, Rodger Thompson, haben ergeben, dass eine beliebte Alternative zu Albert Einsteins Theorie zur Beschleunigung der Expansion des Universums nicht für neu erhaltene Daten zu einer Grundkonstante, dem Verhältnis von Protonen zu Elektronenmasse, geeignet ist.
Die Ergebnisse von Thompson, die am 9. Januar auf dem Treffen der American Astronomical Society in Long Beach, Kalifornien, veröffentlicht wurden, wirken sich auf unser Verständnis des Universums aus und weisen eine neue Richtung für die weitere Untersuchung seiner sich beschleunigenden Expansion.
Um die Beschleunigung der Expansion des Universums zu erklären, haben Astrophysiker die Dunkle Energie herangezogen - eine hypothetische Energieform, die den gesamten Raum durchdringt. Eine populäre Theorie der Dunklen Energie passt jedoch nicht zu neuen Ergebnissen über den Wert der Protonenmasse dividiert durch die Elektronenmasse im frühen Universum.
Die im Hubble Ultra Deep Field beobachtete beschleunigte Ausdehnung der Galaxien entspricht möglicherweise eher der „kosmologischen Konstante“ von Albert Einstein als einer populären alternativen Theorie der Dunklen Energie. Bildnachweis: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee und P. Oesch, Universität von Kalifornien, Santa Cruz; R. Bouwens, Universität Leiden; und das HUDF09 Team
Thompson berechnete die vorhergesagte Änderung des Verhältnisses anhand der Dunklenergietheorie (allgemein als rollende Skalarfelder bezeichnet) und stellte fest, dass sie nicht zu den neuen Daten passte.
Brian Schmidt, Absolvent der UA, gewann zusammen mit Saul Perlmutter und Adam Reiss 2011 den Nobelpreis für Physik, weil er zeigte, dass sich die Expansion des Universums eher beschleunigt als verlangsamt, wie zuvor angenommen.
Die Beschleunigung kann durch die Wiedereinsetzung der „kosmologischen Konstante“ in Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie erklärt werden. Einstein führte ursprünglich den Begriff ein, um das Universum zum Stillstand zu bringen. Als sich später herausstellte, dass sich das Universum ausdehnte, nannte Einstein die kosmologische Konstante „seinen größten Fehler“.
Die Konstante wurde mit einem anderen Wert wiederhergestellt, der die beobachtete Beschleunigung der Expansion des Universums erzeugt. Physiker, die versuchen, den Wert aus der bekannten Physik zu berechnen, erhalten jedoch eine Zahl von mehr als 10 hoch 60 (eine gefolgt von 60 Nullen) - eine wahrhaft astronomische Zahl.
Zu diesem Zeitpunkt wandten sich die Physiker neuen Theorien der Dunklen Energie zu, um die Beschleunigung zu erklären.
In seiner Forschung stellte Thompson die populärste dieser Theorien auf die Probe und zielte auf den Wert einer fundamentalen Konstante (nicht zu verwechseln mit der kosmologischen Konstante), der Masse des Protons geteilt durch die Masse des Elektrons. Eine fundamentale Konstante ist eine reine Zahl ohne Einheiten wie Masse oder Länge. Die Werte der Grundkonstanten bestimmen die Gesetze der Physik. Ändere die Zahl und die Gesetze der Physik ändern sich. Ändern Sie die fundamentalen Konstanten um ein vielfaches, und das Universum unterscheidet sich sehr von dem, was wir beobachten.
Das von Thompson getestete neue physikalische Modell der Dunklen Energie sagt voraus, dass sich die fundamentalen Konstanten geringfügig ändern werden. Thompson hat vor einigen Jahren eine Methode zur Messung des Protonen-zu-Elektronen-Massenverhältnisses im frühen Universum identifiziert, aber erst vor kurzem wurden astronomische Instrumente leistungsfähig genug, um den Effekt zu messen. In jüngerer Zeit bestimmte er das genaue Ausmaß der Veränderung, das viele der neuen Theorien vorhersagen.
Im vergangenen Monat hat eine Gruppe europäischer Astronomen unter Verwendung eines massiven Radioteleskops in Deutschland die genaueste Messung des Protonen-Elektronen-Massenverhältnisses durchgeführt, die jemals durchgeführt wurde, und dabei festgestellt, dass sich das Verhältnis zu einem Teil von 10 Millionen nicht geändert hat Zu einer Zeit, als das Universum ungefähr halb so alt war wie heute, vor ungefähr 7 Milliarden Jahren.
Als Thompson diese neue Messung in seine Berechnungen einbezog, stellte er fest, dass fast alle Dunklenergiemodelle mit den allgemein erwarteten Werten oder Parametern ausgeschlossen waren. Wenn der Parameterraum oder der Wertebereich einem Fußballfeld entspricht, ist fast das gesamte Feld unzugänglich, mit Ausnahme eines einzelnen 2-Zoll-mal-2-Zoll-Feldes an einer Ecke des Feldes. Tatsächlich befinden sich die meisten zulässigen Werte nicht einmal auf dem Feld.
"In der Tat haben die Dunklenergietheorien auf dem falschen Feld gespielt", sagte Thompson. "Das 2-Zoll-Quadrat enthält die Fläche, die keiner Änderung der Grundkonstanten entspricht, und genau dort steht Einstein."
Thompson geht davon aus, dass sich Physiker und Astronomen, die Kosmologie studieren, an das neue Spielfeld anpassen werden. "Einstein sitzt auf dem Katzensitz und wartet darauf, dass alle anderen aufholen."
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