Ist die Dunkle Energie geklumpt?

Exotische Objekte: Die Dunkle Energie könnte anders im Kosmos verteilt sein als bislang gedacht – nicht als gleichmäßiges Feld, sondern in Form schnell rotierender Klumpen. Diesem Modell zufolge könnten diese Dunkle-Energie-Klumpen durch atypische Explosionen der allersten Sterne entstanden sein. Heute verbergen sie sich in leeren Bereichen des Universums und treiben dessen beschleunigte Expansion voran.

Die Dunkle Energie ist eines der größten Rätsel im Kosmos. Gängiger Theorie nach ist sie die treibende Kraft für die beschleunigte Ausdehnung des Kosmos. Doch woraus sie besteht und wie genau sie wirkt, ist völlig unbekannt. Auch direkt nachweisen lässt sie sich nicht. Dennoch gehen kosmologische Modelle davon aus, dass die Dunkle Energie eine konstante Dichte aufweist und in Raum und Zeit gleichmäßig verteilt ist.

Das Problem jedoch: In jüngster Zeit mehren sich Indizien dafür, dass die Dunkle Energie heute anders wirkt als in der Frühzeit des Kosmos. Denn einigen Messungen zufolge dehnt sich das Universum heute schneller aus, als es die Modelle vorhersagen. Einige Kosmologen und Astrophysiker schließen daher nicht aus, dass die Dunkle Energie vielleicht doch nicht konstant ist. Sie könnte im Laufe der Zeit entweder dichter oder stärker geworden sein.

GEODE: Dunkle Energie als Schwarzes Loch getarnt

Eine Hypothese dazu stellten Physiker schon in den 1960er Jahren vor. Ihrem Modell zufolge ist die Dunkle Energie nicht gleichmäßig verteilt, sondern liegt (auch) geklumpt vor – in Form sogenannter Generic Objects of Dark Energy (GEODE). Dabei handelt es sich um rotierende Objekte mit einem Kern aus Dunkler Energie, die beim Kollaps extrem massereicher Sterne anstelle eines Schwarzen Lochs entstehen können.

Von außen betrachtet wären diese exotischen Gebilde nicht von einem Schwarzen Loch zu unterscheiden. Selbst eine Verschmelzungen zweier solcher GEODE würde genauso ablaufen und ähnlich Gravitationswellen-Signale aussenden. Doch anders als bei den Schwarzen Löchern verbirgt sich im Inneren der exotischen Gebilde eine Kraft, die der Gravitation entgegen wirkt.

Entstanden beim Kollaps der ersten Sterne

Dass solche Klumpen aus Dunkler Energie existieren könnten und auch mit Albert Einsteins Relativitätstheorie vereinbar wären, haben Physiker um Kevin Croker von der University of Hawaii in Manoa bereits in einer früheren Studie demonstriert. Ihrem Modell zufolge könnten diese Klumpen Dunkler Energie aus dem atypischen Kollaps der allerersten Sterne entstanden sein. Diese sogenanntem Population-III-Sterne waren extrem massereich, aber kurzlebig und explodierten wahrscheinlich auf andere Weise als heutige Sterne.

„Wenn ein Teil dieser Population-III-Sterne vor der Reionisation zu GEODE kollabierten, könnten sie die heute gemessene Expansion erklären“, so die Physiker. „Wir haben damit bewiesen, dass GEODE die nötige Dunkle Energie für die kosmische Ausdehnung liefern könnten – allerdings benötigt man dafür viele alte und massereiche GEODE.“

Wo im Kosmos verbergen sich die GEODE?

Das jedoch wirft ein neues Problem auf: Wo verstecken sich all diese exotischen Klumpen? „Wenn sie sich wie Schwarze Löcher bewegen würden und nahe an der sichtbaren Materie blieben, dann würden sie Galaxien wie unsere Milchstraße zerreißen“, erklärt Croker. Die auseinander treibende Kraft der GEODE würde die gravitative Bindung von Sternen an die Galaxie stören und auch Paare weiter Doppelsterne im Halo der Milchstraße entkoppeln. Das aber ist offensichtlich nicht der Fall.

Eine Lösung für dieses Dilemma könnten Croker und sein Team jetzt gefunden haben. Denn wie sie feststellten, spielt die Rotation der Dunkle-Energie-Klumpen eine entscheidende Rolle: Solange die GEODE eher langsam rotieren, neigen sie dazu, sich einander anzunähern und auch auf normale Materie zuzudriften. Das aber ändert sich, sobald die Rotation ihrer Außenschicht schneller wird. Dann beginnen die GEODE, sich abzustoßen, wie die Physiker erklären.

Dadurch halten sie Abstand voneinander und von normaler Materie. Im heutigen Kosmos wären diese Gebilde dadurch vor allem in den Voids zu finden – großen, eher leeren Räumen im All.

Erklärung für die beobachteten Diskrepanzen

Für die Entwicklung des Kosmos und der Dunklen Energie bedeutet dies: Zu der Zeit, als die kosmische Hintergrundstrahlung frei wurde und es noch keine Sterne gab, gab es schon Dunkle Energie, aber weniger als heute. Als dann im Laufe der Sternbildung GEODE entstanden, nahm ihr Anteil zu und damit beschleunigte sich auch die kosmische Ausdehnung.

Dies könnte die Diskrepanzen erklären, die bei Messung der Expansion über die Hintergrundstrahlung einerseits und Galaxien, Supernovae und andere heutige Objekte andererseits auftreten. „Unser Szenario von Population-III-GEODE liefert damit eine physikalisch stimmige Erklärung für die schnellere Expansion der Gegenwart, ohne dass dies gängige Modelle der Strukturbildung beeinflusst“, konstatieren Croker und sein Team. Allerdings: Bislang ist die Existenz von geklumpter Dunkler Energie zwar theoretisch denkbar, aber reine Spekulation. (The Astrophysical Journal, 2020; doi: 10.3847/1538-4357/abad2f)

Quelle: University of Hawaii Manoa