Menu Der säkulare Blick auf die Welt.

Seit drei Jahren fördert O’Shaughnessy Ventures die nächste Generation von Erbauern, Wissenschaftlern und kreativen Köpfen, die die Zivilisation voranbringen. Jedes Jahr werden bis zu 20 Fellows ausgewählt, deren Ideen die Welt und unsere Vorstellungen radikal verändern können. Dieses Jahr wurden 11.811 Projektvorschläge aus 181 Ländern eingereicht. Geförderte Vorhaben reichen von Blutgefäßen, die ohne Operation eingesetzt werden können bis zum Aufbau einer Künstlichen Intelligenz, die sterbende Sprachen konserviert. 

Entscheidend bei der Auswahl ist, dass das Projekt nicht auf lang etablierten Methoden oder Grundsätzen aufbaut, um den aktuellen Stand ein wenig weiterzubringen. Stattdessen soll das Fellowship genutzt werden, hoch risikobehaftete, bahnbrechende neue Ansätze auszuprobieren.

Johannes Kepler hätte für die Einführung der Ellipse als mögliche Bahn von Planeten um die Sonne gute Chancen auf ein solches Fellowship gehabt. Währenddessen wären Aristoteles und Apollonios von Perge für ihre Epizykeltheorie zur Erklärung der Planetenbahnen um die Sonne wahrscheinlich abgelehnt worden. Kleine, zusätzliche Kreisbahnen auf bereits angenommene, größere kreisförmige Planetenbahnen zu setzen, hat wenig Innovationspotential. Epizykel um Epizykel musste bei steigender Qualität der Beobachtungen eingeführt werden. So wurde das Modell der Sonnenumrundung verkompliziert, bis Kepler die wörtlich bahnbrechende Idee hatte, alle Epizykel durch eine elegante Ellipsenbahn zu ersetzen. 

An einem ähnlich epizyklischen Punkt befindet sich auch unser kosmologisches Standardmodell heute. Insbesondere grübelt die Astrowelt über einen seiner Bestandteile, die sogenannte dunkle Materie, nach. Zuerst von Fritz Zwicky so getauft, um die Masse in kosmischen Strukturen zu bezeichnen, die wir mit unseren Teleskopen (noch) nicht beobachten können, entwickelte sich die dunkle Materie vom „Massenlückenbüßer“ zu einer neuartigen Substanz. Laut neuesten Messungen liegen 85 Prozent der gesamten Materie des Universums als dunkle Materie vor. Diese Zahl kommt zum einen aus Beobachtungen des ersten kosmischen Lichts, das uns aus der Frühzeit des Kosmos erreicht. Zum anderen bestätigt sich dieser Anteil ebenfalls in Beobachtungen von Galaxien und Galaxienhaufen in unserer kosmischen Nachbarschaft. Versucht man jedoch weiteres Licht auf diese dunkle Seite des Universums zu bringen, stellt man schnell fest, dass die fehlende Masse in Galaxien und Galaxienhaufen nicht direkt aus den Daten folgt.

Die undurchsichtige Schattenseite des Universums

Schon Zwicky musste zur Beschreibung des Coma-Galaxienhaufens, den er 1933 analysierte, annehmen, dass der Haufen mit seinen circa 1.000 Mitgliedsgalaxien sich im dynamischen Gleichgewicht befindet. Das heißt, dass er eine relativ stabile Struktur über lange kosmische Zeiträume bildet. Unter solchen Gleichgewichtsbedingungen werden auch heute noch Massen von kosmischen Strukturen bestimmt. Massenverteilungen mit verschiedenen Symmetrien, wie zum Beispiel kugelförmige, ellipsoide oder amorphe, werden dabei an die Daten der Mitgliedsgalaxien angepasst. 

Ergänzend dazu können solche Massenverteilungen als starke Gravitationslinsen wirken. Das heißt, ihre Masse krümmt den Raum unter ihnen, so dass Licht nicht auf einer geradlinigen Bahn durch die Massenverteilung läuft, sondern auf mehreren Wegen um diese Raumkrümmung herumlaufen muss, gemäß Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. (Veranschaulicht wird das in dieser Animation zur Visualisierung des Gravitationslinseneffekts: große Massen krümmen den Raum unter ihnen, so dass Lichtwege aufgrund der Raumkrümmung abgelenkt werden.)

Diese Effekte sieht man als Mehrfachbilder einer einzelnen Hintergrundgalaxie, wenn deren Licht auf dem Weg in unsere Teleskope an einem solchen Galaxienhaufen vorbeilaufen muss. Die Position und die Verzerrungen dieser Bilder lassen ebenfalls Rückschlüsse auf die Masse zu, die diesen Gravitationslinseneffekt erzeugt. 

Lokale Informationen und globale Modellannahmen 

In drei Arbeiten, die 2018, 2019 und 2022 veröffentlicht wurden, zeigte Jenny Wagner, was wir direkt aus Daten der verzerrten Mehrfachbilder über die Gravitationslinse lernen können. Daraus ergibt sich, welche fehlende Masse von Modellen der Massenverteilung in der Gravitationslinse suggeriert wird. Seitdem ist klar, dass die verzerrten Mehrfachbilder nur Informationen über die lokalen Linseneigenschaften an den Bildpositionen liefern. Sie enthalten keine globale Information über die Massenverteilung, die über einfache Symmetrien in der Anordnung der Mehrfachbilder hinausgeht.

Diese Erkenntnisse wurden bereits erfolgreich genutzt, um kontroverse Fälle zu klären. Denn die modellunabhängigen, lokalen Linseneigenschaften werden direkt und in Sekundenschnelle aus den Beobachtungsdaten berechnet. So konnten Wagner und ihre Kollegen schon in einigen Galaxienhaufen überprüfen, ob dunkle Materie der gewöhnlichen Materie folgt.

Nun will Jenny Wagner ihr O’Shaughnessy Fellowship nutzen, um die Methode zur Berechnung der lokalen Linseneigenschaften auf die Bewegungen von Galaxien in Galaxienhaufen zu übertragen. Mitgliedsgalaxien eines Haufens sind mit modernen Teleskopen relativ einfach zu finden. Die Galaxien, aus deren Positionen und Geschwindigkeiten man lokale Informationen über den Galaxienhaufen berechnen kann, befinden sich an anderen Stellen als die Mehrfachbilder des Gravitationslinseneffekts. So wird es möglich sein, die Massenverteilung eines Galaxienhaufens als „Patchwork“ an „Informationsinseln“ Stück für Stück zu rekonstruieren, ähnlich dem Bild „Galatea der Sphären“, in dem Salvador Dalí ein Bild seiner Frau aus einzelnen Kugeln mit Bildausschnitten zusammensetzt.

Dieses Vorgehen ist weitaus effizienter und ressourcenschonender als bisherige Methoden. Denn normalerweise werden Modelle für die Massenverteilung in einem Galaxienhaufen an die Daten angepasst, so dass das Modell oder eine verbesserte Variante stets von Neuem an eine geänderte Datenlage angepasst werden muss. Da oft viele Modellparameter abgestimmt werden müssen, ist jede Anpassung an Daten rechenintensiv und kostet viel Zeit. Abgesehen davon gibt es stets mehrere Modelle, die gleich gut zu den Daten passen, da die Datenverteilung kein bestimmtes Modell bevorzugt. Alle Modelle sind sich jedoch in den lokalen Eigenschaften einig, die direkt aus den Daten bestimmt werden. 

Wo steckt die dunkle Materie?

Die lokalen, datenbasierten Eigenschaften einer komplizierten Massenverteilung liefern keine direkte Information, wo genau die dunkle Materie in einem Galaxienhaufen versteckt ist. Das bedeutet, dass wir ohne zusätzliche Modellannahmen zunächst keine Masse in unseren kosmischen Strukturen vermissen. Andererseits brauchen Beobachtungen wie die nicht abfallenden Rotationskurven von Sternen in Galaxien oder die unerwartet hohen Geschwindigkeiten von Galaxien in Galaxienhaufen immer noch eine physikalische Erklärung. 

Daher plant Jenny Wagner im zweiten Teil ihres O’Shaughnessy Fellowships, die Raumkrümmung in kosmischen Strukturen noch einmal genauer unter die Lupe zu nehmen. Sie vermutet, dass die lokalen Eigenschaften von Strukturen sich aus der Allgemeinen Relativitätstheorie herleiten lassen, wenn die Raumkrümmung nicht konstant (oder gleich null) ist, sondern der Massenverteilung folgt. Falls das funktioniert, lassen sich die Beobachtungen erklären, die rätselhaft wirken, wenn man die Krümmungsänderungen vernachlässigt. 

Die Idee ist nicht neu. Prof. Thomas Buchert von der École Normale Supérieure in Lyon hat diese Idee seit Jahrzehnten entwickelt. Jedoch wurde die Theorie bislang wenig beachtet, da die Gleichungen nicht einfach zu lösen sind. Die meisten Beobachter sind nicht so tief mit den Grundlagen der Relativitätstheorie vertraut, dass sie den Buchert-Formalismus anwenden können. Zudem herrscht eine langjährige Debatte unter den Theoretikern, wie groß die Effekte der Krümmungsänderungen sind. Viele glauben, diese Effekte seien irrelevant, berufen sich jedoch auf stark modellbehaftete Abschätzungen. 

Gekrümmte Pfade aus der kosmischen Krise

Kombiniert man die Puzzleteile zu einem Gesamtbild mit maximaler daten-basierter Information und einem Minimum an notwendigen Modellannahmen, wird man entweder in Widersprüchen enden oder in einer schlüssigen Erklärung aller Beobachtungen. Während Jenny Wagner mutig dieses risikoreiche Vorhaben angehen will, war das Gros der Geldgeber demgegenüber zu kritisch eingestellt. Erst Jim O’Shaughnessy investierte in die Idee und sagte sogar, dass er seine Fellowships gerade für Projekte wie dieses ins Leben gerufen hat. 

Falls sich tatsächlich eine schlüssige Erklärung ableiten lässt, bietet diese gleich die Lösung für eine Vielzahl von Problemen, vor denen Kosmologen gerade stehen. Das kosmologische Standardmodell passt nämlich nur bis zu circa 90 Prozent zu den Daten. Möchte man eine höhere Präzision erreichen, entstehen Widersprüche, Inkonsistenzen zwischen Datensätzen. Versuche, alle wieder in Einklang zu bringen, indem man weitere Annahmen über die dunkle Seite des Kosmos macht, sind bislang gescheitert. Eine Lösung mit weniger unbekannten Substanzen, aber komplizierteren Bewegungen der gewöhnlichen Materie wäre andersartig. Doch wie Einstein schon sagte, Probleme kann man niemals mit derselben Denkweise lösen, durch die sie entstanden sind.