Das ungleichmäßige Universum

In kosmologischen Rechnungen wird fast immer angenommen, dass die Materie im Universum gleichmäßig verteilt ist. Das liegt daran, dass die Berechnungen zu kompliziert würden, würde man die Position jedes einzelnen Sterns berück­sichtigen. In Wirk­lich­keit ist das Universum jedoch nicht gleichmäßig. An manchen Stellen befinden sich Sterne und Planeten, an anderen herrscht Leere. Michael te Vrugt und Raphael Wittkowski von der Uni Münster haben jetzt mit Sabine Hossen­felder vom Frankfurt Institute for Advanced Studies ein neues Modell für dieses Problem entwickelt. Ausgangs­punkt ist der Mori-Zwanzig-Formalismus, eine Methode zur Beschreibung von Systemen aus sehr vielen Teilchen mit einer kleinen Anzahl von Messgrößen.

„Streng genommen ist es mathematisch falsch, den Mittelwert der Energie­dichte des Universums in die Gleichungen der Allgemeine Relativitäts­theorie einzu­setzen“, erklärt Hossen­felder. Die Frage ist, wie schlimm der dadurch gemachte Fehler ist. Manche Experten halten ihn für irrelevant, andere sehen darin die Lösung für das Rätsel der dunklen Energie, deren physi­ka­lische Natur bislang unbekannt ist. Eine ungleich­mäßige Verteilung der Masse im Universum kann sich auf die kosmische Expansions­geschwin­dig­keit auswirken.

„Der Mori-Zwanzig-Formalismus wird bereits in sehr vielen Forschungs­gebieten von der Biophysik bis zur Teilchen­physik erfolgreich eingesetzt, daher bot er auch für dieses astro­physi­kalische Problem einen vielversprechenden Ansatz“, sagt Wittkowski. Das Team verall­ge­meinerte diesen Formalismus, sodass er auf die ART angewendet werden konnte, und leitete so ein Modell für die kosmische Expansion unter Berück­sich­tigung kosmischer Ungleich­mäßig­keiten her.

Das Modell macht eine konkrete Vorhersage für die Auswirkung der Inhomo­ge­nitäten auf die Geschwin­dig­keit der Ausdehnung des Universums. Diese weicht leicht von der Vorhersage des Lambda-CDM-Modells ab und bietet daher eine Möglich­keit, das neue Modell experi­mentell zu testen. „Aktuell sind die astro­no­mischen Daten nicht genau genug, um diese Abweichung zu messen, aber die großen Fortschritte etwa bei der Messung von Gravitations­wellen bieten Anlass zur Hoffnung, dass sich das ändert“, sagt te Vrugt. „Außerdem lässt sich die neue Variante des Mori-Zwanzig-Formalismus auch auf andere astro­physi­ka­lische Probleme anwenden, die Arbeit ist also nicht nur für die Kosmologie relevant.“

WWU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. te Vrugt, S. Hossenfelder & R. Wittkowski: Mori-Zwanzig Formalism for General Relativity: A New Approach to the Averaging Problem, Phys. Rev. Lett. 127, 231101 (2021); DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.231101
• AG Wittkowski, Institut für theoretische Physik, Westfälische Wilhelms-Universität Münster
• Theoretische Physik, Frankfurt Institute for Advanced Studies