Zweifel an kosmischer Isotropie

Viele Berechnungen zu funda­mentalen Eigen­schaften des Universums basieren auf der Annahme der Isotropie. Doch diese Annahme könnte falsch sein. Zu diesem Schluss kommt aktuelle Studie von Forschern der Univer­sitäten Bonn und Harvard. Die Wissen­schaftler haben die Isotropie-Hypothese erstmals mit einer neuartigen Methode auf den Prüfstand gestellt, die deutlich verläss­lichere Aussagen erlaubt als bislang. Mit einem unerwarteten Ergebnis: Demnach dehnen sich manche Gebiete im All sehr viel schneller aus als sie eigentlich sollten, andere dagegen weitaus langsamer.

„Diese Folgerung legen jedenfalls unsere Messwerte nahe“, erklärt Konstantinos Nikolaos Migkas von der Uni Bonn. Migkas und seine Kollegen haben einen neuen, effizienten Isotropie-Test entwickelt. Er basiert auf der Beobachtung von Galaxien­haufen. Die Haufen geben Röntgen­strahlung ab, die außer­halb der Erdatmo­sphäre aufge­fangen werden kann, in diesem Fall über­nahmen das die satelliten­gestützten Teleskope Chandra und XMM-Newton. Anhand bestimmter Merkmale der Strahlung lässt sich die Temperatur der Galaxien­haufen berechnen. Und auch ihre Hellig­keit: Je heißer sie sind, desto heller leuchten sie.

In einem isotropen Universum gilt eine einfache Regel: Je weiter ein Himmels­objekt von uns entfernt ist, desto größer ist seine kosmo­logische Rotver­schiebung. Aus der Rotver­schiebung kann man daher auf seine Entfernung schließen, und zwar unabhängig von der Richtung, in der das Objekt liegt – so dachte man zumindest bislang. „Tatsächlich ist es aber so, dass unsere Leucht­kraft-Messungen den Ergebnissen dieser Entfernungs­berechnung oft wider­sprechen“, so Migkas.

Denn mit zunehmender Distanz sinkt die Licht­menge, die auf der Erde ankommt. Wer die ursprüng­liche Leucht­kraft eines Himmels­körpers und seine Entfernung kennt, weiß also, wie hell er im Teleskop­bild aufleuchten sollte. Und genau an diesem Punkt sind die Wissen­schaftler auf Diskre­panzen gestoßen, die sich mit der Isotropie-Hypothese nur schwer verein­baren lassen: Manche Galaxien­haufen strahlen demnach viel schwächer, als zu erwarten gewesen wäre. Ihre Distanz zur Erde ist demnach vermutlich deutlich größer, als anhand ihrer Rotver­schiebung berechnet. Bei anderen verhielt es sich dagegen gerade umgekehrt.

„Es gibt für diese Beobachtung nur drei mögliche Erklärungen“, sagt Migkas. „Zum einen ist es möglich, dass die Röntgen­strahlung, deren Intensität wir gemessen haben, auf dem Weg von den Galaxien­haufen zur Erde abge­schwächt wird. Dafür könnten zum Beispiel noch unent­deckte Gas- oder Staub­wolken inner­halb oder außerhalb der Milchstraße verant­wortlich sein. In vorläufigen Tests finden wir diese Diskrepanz zwischen Messung und Theorie aber nicht nur bei Röntgen­strahlung, sondern auch bei anderen Wellen­längen. Es ist extrem unwahr­schein­lich, dass irgendein Materie­nebel völlig verschiedene Strahlungs­typen in gleicher Weise absorbiert. Genauer werden wir es aller­dings erst in einigen Monaten wissen.“

Eine zweite Möglichkeit sind „Bulk Flows“. Dabei handelt es sich um Gruppen benach­barter Galaxien­haufen, die sich durch­gehend in eine bestimmte Richtung bewegen – beispiels­weise aufgrund irgend­welcher Strukturen im All, von denen starke Gravitations­kräfte ausgehen. Diese würden die Galaxien­haufen daher zu sich ziehen und so ihre Geschwin­digkeit und über den Doppler­effekt die Rotver­schiebung und die daraus abgeleitete Distanz verändern. „Auch dieser Effekt würde bedeuten, dass viele Berechnungen zu den Eigen­schaften des lokalen Universums sehr ungenau wären und wieder­holt werden müssten“, erklärt Migkas.

Die dritte Möglichkeit ist die gravie­rendste: Was ist, wenn das Universum gar nicht isotrop ist? Eine solche Anisotropie könnte zum Beispiel durch die Eigen­schaften der rätsel­haften dunklen Energie zustande kommen, die wie ein zusätz­licher Treib­satz für die Expansion des Universums wirkt. Noch fehlt aller­dings eine Theorie, die das Verhalten der dunklen Energie mit den Beobach­tungen in Einklang bringt. „Wenn es uns gelingt, eine solche Theorie zu entwickeln, könnte das die Suche nach der genauen Natur dieser Energie­form enorm beschleunigen“, ist sich Migkas sicher.

Die aktuelle Studie basiert auf den Daten von mehr als acht­hundert Galaxien­haufen. Drei­hundert von ihnen wurden von den Autoren selbst analysiert. Die restlichen Informa­tionen stammen aus bereits veröffent­lichten Unter­suchungen. Allein die Auswertung der Röntgen­daten war so anspruchs­voll, dass sie mehrere Monate in Anspruch nahm. Das neue satelliten­gestützte eROSITA-Röntgen­teleskop soll in den nächsten Jahren noch mehrere Tausend weiterer Galaxien­haufen erfassen. Spätestens dann wird sich heraus­stellen, ob die Isotropie-Hypothese tatsächlich ad Acta gelegt werden muss.

RFWU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  K. Migkas et al.: Probing cosmic isotropy with a new X-ray galaxy cluster sample through the L X − T scaling relation, Astron. Astrophys. 636, A15 (2020); DOI: 10.1051/0004-6361/201936602
• Dark Energy Team (T. Reiprich), Argelander-Institut für Astronomie, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn