Jahrzehntelang glaubten Kosmologen, die Geometrie des Universums genau zu kennen. Eine aktuelle Studie zeigt jedoch, dass unser Verständnis der Form des Kosmos möglicherweise grundsätzlich unvollständig ist. Das Universum könnte weitaus komplexer sein als bisher angenommen und sich möglicherweise auf eine Weise in sich selbst falten, die wir noch nicht entdeckt haben.
Das Problem mit der Ebenheit
Einsteins Relativitätstheorie erklärt, wie Materie die Raumzeit lokal krümmt, aber sie hat Schwierigkeiten, die Gesamttopologie des Universums – seine globale Form – zu beschreiben. Das Universum kann flach, kugelförmig oder sattelförmig sein, aber selbst ein flaches Universum bedeutet nicht unbedingt, dass es sich unendlich erstreckt. Es könnte auf eine Weise zu sich selbst zurückkehren, die für uns derzeit unsichtbar ist.
Wissenschaftler haben nach Beweisen für diese Krümmung im kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB), dem schwachen Nachleuchten des Urknalls, gesucht. Die Idee war, dass wir, wenn das Universum nicht trivial wäre (das heißt, es hätte eine ungewöhnliche Form), übereinstimmende Muster heißer und kalter Flecken am CMB-Himmel sehen würden.
Die gescheiterte Suche und eine neue Möglichkeit
Jahrelang wurden keine derartigen Muster gefunden, was zu einem Konsens führte: Wenn das Universum eine komplexe Form hat, muss es viel größer sein als das, was wir beobachten können, was es praktisch nicht von der Unendlichkeit zu unterscheiden macht. Diese Schlussfolgerung beruhte jedoch auf Annahmen, die nun in Frage gestellt werden.
Ein Team der Collaboration for Observations, Models and Predictions of Anomalies and Cosmic Topology (COMPACT) hat gezeigt, dass die Grenzen möglicher kosmischer Formen schwächer sind als bisher angenommen. Mehrere Topologien, die einst als unmöglich galten, stehen jetzt wieder auf dem Tisch.
Warum das wichtig ist
Die genaue Bestimmung der Form des Universums ist nicht nur eine Übung in der Kartenerstellung. Es könnte Durchbrüche in der Quantengravitation ermöglichen, unser Verständnis über den Ursprung des Universums neu gestalten und Physik offenbaren, von der wir noch nicht einmal eine Vorstellung haben.
Es stellt sich heraus, dass der Fehler in der Annahme liegt, dass ein schleifenförmiges Universum, wenn es klein genug ist, unsere Sichtlinie schneiden muss und eine erkennbare Spur auf dem CMB hinterlässt. Schleifen müssen nicht kooperieren; Sie können sich auf eine Art und Weise durch den Raum bewegen, die einer Entdeckung entgeht, selbst in Größen, von denen wir dachten, sie wären sichtbar.
Eine Peinlichkeit der Möglichkeiten
Die Auswirkungen sind atemberaubend. Was wie eine begrenzte Anzahl möglicher Formen aussah, weitet sich nun zu einer „Peinlichkeit der Möglichkeiten“ aus. Allein flache Raumzeiten haben 18 mögliche Konfigurationen – Zylinder, Donuts, Klein-Flaschen und mehr – die sich gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie alle identisch verhalten, sich aber im CMB unterschiedlich manifestieren.
Das Universum mag ein Spiegelkabinett sein, und wir sind blind den Schatten nachgejagt. Das CMB offenbart möglicherweise nicht die wahre Form, da wir unsere eigenen Annahmen in die Daten hineininterpretiert haben.
Die Zukunft der kosmischen Topologie
Die Form des Universums bleibt vorerst unbekannt. Die alten Annahmen sind zerfallen und die Karte weist immer noch Lücken auf. Für die Zukunft werden ausgefeiltere Methoden zur Suche nach subtilen CMB-Signaturen oder sogar völlig neue Ansätze zur Entschlüsselung der wahren Form des Kosmos erforderlich sein. Das Universum ist mysteriöser, als wir dachten, und die Reise, es zu verstehen, ist noch lange nicht vorbei.
