Kosmologische Konstante

[Annemie]

Diekosmologische Konstante ( Λ \displaystyle \Lambda ) ist eine physikalische Konstante in den Gleichungen der allgemeinen Relativittstheorie, welche die Gravitationskraft als geometrische Krmmung der Raumzeit beschreibt. Sie hat die Bedeutung einer (positiven oder negativen) Energiedichte des Vakuums. Sie wurde von Albert Einstein zunchst eingefhrt, dann aber verworfen. Heute vermutet man, dass sie existiert.

Die kosmologische Konstante Λ \displaystyle \Lambda wird heute nicht mehr als Parameter der allgemeinen Relativittstheorie (wie von Einstein eingefhrt) interpretiert, sondern als die zeitlich konstante Energiedichte ρ v a c \displaystyle \rho _\mathrm vac des Vakuums (nach der quivalenz von Masse und Energie hier als Massendichte ausgedrckt):

Nachdem die kosmologische Konstante durch die Entdeckung der Expansion des Weltalls an Bedeutung verloren hatte, war sie eher von akademischem Interesse. Sie gewann wieder an Bedeutung durch Versuche, eine vereinheitlichte Theorie aller Naturkrfte aufzustellen. Diese werden durch Quantenfeldtheorien beschrieben, und die Vakuumfluktuationen der Felder dieser Quantenfeldtheorien wrden einen um viele Grenordnungen zu hohen Beitrag zur kosmologischen Konstante liefern. Das wird als Problem der kosmologischen Konstante bezeichnet. Das Problem ist bis heute ungelst. Beispielsweise haben heute vielfach favorisierte Theorien mit Supersymmetrie den Vorteil, dass sich zwar die Beitrge der Fermionen und Bosonen in den Vakuumfluktuationen zur kosmologischen Konstante bei exakter Supersymmetrie aufheben, die Symmetrie ist aber in der Natur gebrochen.

Ab 1998 hat die kosmologische Konstante eine Renaissance erlebt: Anhand der Helligkeit bzw. Rotverschiebung von fernen Supernovae vom Typ Ia kann man feststellen, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt.[4] Diese beschleunigte Expansion lsst sich sehr gut mit einer kosmologischen Konstante beschreiben und ist Bestandteil des erfolgreichen Lambda-CDM-Modells, des Standardmodells der Kosmologie.

Dass sich unser Universum seit Millionen Jahren immer schneller ausdehnt, bringt Astrophysiker schon seit Jahren in Erklrungsnte. Meist machen sie jene mysterise dunkle Energie dafr verantwortlich, die immerhin 70 Prozent der Gesamtmasse des Universums ausmachen soll.

Die dunkle Energie, so die Theorie, wirkt der Gravitationskraft der Materie entgegen, die ansonsten das Universum kollabieren lassen wrde. Nachgewiesen wurde die dunkle Energie freilich bislang nicht. Einer anderen Theorie zufolge gibt es die dunkle Energie gar nicht. Stattdessen sollengewaltige Wellen der Raumzeit das Universum aufblhen.

Als aber Edwin Hubble 1929 nachweisen konnte, dass sich das Universum ausdehnt, verwarf Einstein die kosmologische Konstante "als grte Eselei seines Lebens". Ein verfrhtes und offenbar falsches Urteil des Genies, wie sich inzwischen herausgestellt hat. Astrophysiker glauben mittlerweile, dass Einsteins Konstante ein regelrechter Geniestreich war.

Die rtselhafte dunkle Energie, die die Expansion des Weltalls beschleunige, lasse sich gut mit Einsteins kosmologischer Konstante beschreiben, berichtet ein internationales Forscherteam im Fachblatt "Astronomy and Astrophysics". Erste Ergebnisse des Supernova Legacy Survey (SNLS) und zustzliche Beobachtungen mit Teleskopen von Einrichtungen in Oxford, dem California Institute of Technology und Berkeley htten ergeben, dass sich die dunkle Energie bis auf eine Genauigkeit von zehn Prozent der Kosmologischen Konstante gem verhalte.

Aus den Spektren und der Rotverschiebung der Supernovae konnten die Wissenschaftler die Geschwindigkeit berechnen, mit der diese sich von der Erde wegbewegen. Die Spektren sind der Schlssel, um die Expansion des Universums zu messen.

"Die Bedeutung ist gro", kommentierte Ray Carlberg von der University of Toronto die neuen Beobachtungen. Sie widersprchen Theorien, die besagten, dass sich die dunkle Energie bei der Ausbreitung des Universums verndere. "Soweit wir jetzt wissen, tut sie das nicht."

"Wir haben uns ein sehr ehrgeiziges Ziel gesetzt", ergnzte Isobel Hook von der University of Oxford: "Herauszufinden, ob die dunkle Energie mit Einsteins Kosmologischer Konstante erklrt werden kann, oder ob eine neue physikalische Theorie vonnten ist." Bislang seien die Ergebnisse vereinbar mit Einsteins Konstante.

"Wir interpretieren Einsteins Gleichungen neu", sagte Wolfgang Hillebrandt vom Max-Planck-Institut fr Astrophysik im Gesprch mit SPIEGEL ONLINE. "Viele Leute glauben wie ich, dass die Konstante nichts anderes als die Energie des Vakuums ist." Die Vakuumenergie sei eine bestimmte Form der dunklen Energie, erklrte Hillebrandt. "Die Konstante reprsentiert die dunkle Energie." Allerdings wisse man nach wie vor nicht genau, was dunkle Energie genau sei.

Dass Einsteins Konstante, von der dieser spter nichts mehr wissen wollte, jetzt eine Renaissance erlebt, hat einen bestimmten Grund: Die Lsung seiner Gleichungen ist instabil. Geringe Abweichungen von der angenommenen Materieverteilung fhren schlielich doch zu einem expandierenden oder kollabierenden Universum - insofern hatte Einstein Recht, wenn auch eher ungewollt. Denn seine Gleichungen sollten eigentlich ein konstantes Universum beschreiben.

Im Rahmen des SLNS-Forschungsprogramms untersuchen die Astronomen Hunderte Supernovae. Bislang liegen erst Daten von 71 der explodierten Sterne vor - das entspricht etwa einem Zehntel der geplanten Menge. Knftig hoffen die Forscher, mit doppelt oder dreifach hherer Przision in die Expansionsgeschichte des Universums zu blicken. "Wir wollen verstehen, was dunkle Energie ist", sagte Hillebrandt.

Analysis of cosmic data is the only way to determine whether General Relativity is thelaw of gravity also on the largest scales in our Universe. The current standard model ofcosmology, ΛCDM, is based on General Relativity, and fits all currently available dataflawlessly. However, theoretical dissatisfaction with ΛCDM exists: cosmological dataprobe gravitational interactions, and ΛCDM fits the data only because it introduces twocomponents of startling gravitional behaviour, the cosmological constant, Λ, and cold darkmatter (CDM). The cosmological constant has a suspiciously small value when regardedfrom the perspective of quantum field theories, and cold dark matter has so far not beendetected in any experiment of particle physics.This thesis examines the cosmological standard model from the vantage point of statistics. Anon-Gaussian likelihood approximation is presented and the need of an unbiased mechanismfor dealing with estimated covariance matrices is addressed. Concerning neutrinos, apreviously existent parameterization bias in the analysis of the cosmic microwave backgroundis resolved. Using weak lensing and type Ia supernova data of the next generation, it isestimated how much can be learned about dark energy from these future data sets.

Kosmologische Daten sind die einzigen aus welchen abgeleitet werden kann, ob die AllgemeineRelativittstheorie auch auf den grten Skalen unseres Universums die Gravitationrichtig beschreibt. Das momentane Standardmodell der Kosmologie, ΛCDM, baut aufder Allgemeinen Relativittstheorie auf und fittet bisherige kosmische Daten problemlos.Es besteht jedoch eine theoretisch motivierte Skepsis bezglich ΛCDM: Kosmische Datenuntersuchen Auswirkungen der Gravitation, und ΛCDM fittet die Daten nur, weil es mitder kosmologischen Konstanten (Λ) und der kalten Dunklen Materie (CDM) zwei neueSubstanzen mit erstaunlichen gravitativen Eigenschaften einfhrt. Aus quantenfeldtheoretischerSicht hat die kosmologische Konstante jedoch einen verdchtig kleinen Wert, undDunkle Materie lie sich bisher in Teilchenexperimenten nicht nachweisen.Diese Dissertation untersucht das kosmologische Standardmodell gem statistischer Gesichtspunkte.Eine nichtgaussche Nherung fr Wahrscheinlichkeitsverteilungen wirdvorgestellt, sowie eine erwartungstreue Inferenzmethode fr den Fall geschtzter Kovarianzmatrizen.Das Vorkommen gewhnlicher Neutrinos wird durch eine vorurteilsfreieAnalyse besttigt. Anhand knstlicher Weak-Lensing- und Supernova-Ia-Datenstze knftigerBeobachtungskampagnen wird ermittelt, wie przise diese Datenstze Eigenschaftender Dunklen Energie einschrnken knnen.

Die Kosmologische Konstante ist eine Konstante des Universums. Sie ist eine physikalische Konstante in Albert Einsteins Gleichungen der Relativittstheorie, welche die Gravitationskraft durch geometrische Krmmung der Raumzeit beschreibt.

Im Jahr 2375 kommen Jack und Patrick zu dem Schluss, nur eine nderung der kosmologischen Konstante knne den Kollaps des Universums in 60 Milliarden Jahren verhindern. Sie denken an eine massive Manipulation des Subraums durch sehr viele Subraumfeldgeneratoren um das zu erreichen und so die Masse des Universums zu verringern. (DS9: Sarina)

Spannende Abweichung: Die Dunkle Energie ist womglich weniger konstant als das kosmologische Standardmodell vorhersagt. Dies legen Resultate des Dark Energy Survey (DES) nahe, der bisher umfassendsten Vermessung der kosmischen Expansion mithilfe von Supernovae. Demnach liegt der Wert fr die Dichte der Dunklen Energie zwar nahe am Wert des Standardmodells, ist aber nicht perfekt konstant. Das knnte darauf hindeuten, dass sich die Wirkung und Dichte der Dunklen Energie im Laufe der Zeit verndern, wie die Astrophysiker berichten.

Das Universum dehnt sich seit dem Urknall immer weiter aus, dabei nimmt das Tempo dieser Expansion zu. Als Triebkraft dafr gilt die Dunkle Energie, die der anziehenden Wirkung der Gravitation entgegenwirken soll. Dem kosmologischen Standardmodell (ΛCDM) zufolge msste diese Dunkle Energie eine in Zeit und Raum gleichbleibende Dichte haben. Ihr Einfluss wird daher mit der kosmologischen Konstante gleichgesetzt. Das Problem nur: Die Dunkle Energie lsst sich nicht direkt messen, nicht einmal ihre Existenz ist klar belegt.

Jetzt haben die Astronomen des DES ihre abschlieenden Resultate vorgelegt. Demnach stimmen die Bewegungen der Supernovae zwar im Groen und Ganzen mit dem Standardmodell berein: Das Team kam fr die Dichte der Dunklen Energie im Zeitverlauf auf w = -0,80 -0,18. Damit liegt dieser Wert jedoch leicht unterhalb des vom kosmologischen Standardmodell vorgegebenen Werts von w = 1, der die konstante Dichte der Dunklen Energie im Verlauf der kosmischen Entwicklung beschreibt.

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