Dunkle Energie ist das Rätsel im Herzen der modernen Physik: Das Universum soll mit dem Zeug überschwemmt sein, aber es wurde nie gesehen und seine Natur ist unbekannt.
Angesichts eines Mysteriums von solch epischen Ausmaßen wird das einfache Eliminieren bestimmter Optionen als Erfolg gewertet. Diese Woche wurde ein solcher Fortschritt anhand eines genial einfachen Desktop-Experiments von der anerkannt renommierten Blavatnik-Preis für junge Wissenschaftler.
Prof. Clare Burrage von der University of Nottingham und Empfängerin des mit 100.000 Pfund dotierten Preises sagte: „Wir wissen nicht, was dunkle Energie ist. Es ist der Name, den wir etwas geben, das wir nicht verstehen, damit wir anfangen können, darüber zu sprechen. Und wenn so wenig bekannt ist, fühlt sich sogar das Ausschließen von Dingen wie ein großer Fortschritt an.“
Dunkle Energie wurde erfunden, um eine enorme Lücke in der theoretischen Physik zu füllen. Wissenschaftler hatten vorausgesagt, dass sich die Expansion des Universums aufgrund der nach innen gerichteten Schwerkraft verlangsamen sollte. Aber Beobachtungen entfernter Sterne zeigten, dass sich die Expansion des Universums stattdessen beschleunigt.
Dunkle Energie ist ein Platzhalter für alles, was diese Expansion vorantreibt, und um die notwendigen Gleichungen auszugleichen, muss sie 70 % des Inhalts des Universums ausmachen.
Eine populäre Theorie besagt, dass dunkle Energie eine „Chamäleon-Kraft“ ist, die ihre Eigenschaften an die lokale Umgebung anpasst. „In dichten Umgebungen wird Ihre Streitmacht sehr kurzreichweitig, aber im leeren Raum wird sie sehr weitreichend“, sagte Burrage.
Dies könnte erklären, wie die schwer fassbare Kraft stark genug sein könnte, um das Schicksal des gesamten Universums zu bestimmen, aber in unserem eigenen Sonnensystem nicht wahrnehmbar bleibt.
Typische Experimente mit dunkler Energie umfassen Weltraumobservatorien, riesige Teilchenbeschleuniger oder Detektoren, die tief unter der Erde vergraben sind. Die theoretische Arbeit von Burrage bewies jedoch, dass kleine und leichte Objekte in einer nahezu luftleeren Umgebung auf der Erde immer noch die volle Kraft der dunklen Energie spüren können. Mit Kollegen in Nottingham und Imperial College London, Burrage entwickelte eine „Chamäleonfalle“ das könnte in einem Labor gebaut werden.
Der Aufbau bestand darin, ultrakalte Atome in eine Vakuumkammer von der Größe einer Bowlingkugel fallen zu lassen, die einen Klumpen Aluminium enthielt. Wenn eine Chamäleonkraft existierte, sollte sie im leeren Raum einen höheren Wert haben und in der Nähe des schweren Metallklumpens „versteckt“ sein.
Durch die präzise Verfolgung der Bewegung der Atome mit gepulstem Laserlicht suchte das Team nach unerwarteten Beschleunigungen, die auf eine Chamäleonkraft zurückzuführen sein könnten.
„Sie wollen sehen, ob es eine zusätzliche Kraft gibt, die die Atome seitwärts zieht“, sagte Burrage. „Natürlich wäre es wunderbar gewesen, etwas zu sehen.“
Leider wurden keine mysteriösen Kräfte entdeckt, aber das Experiment war in der Lage, die möglichen Werte, die eine Chamäleonkraft aufnehmen könnte, in ein kleines Fenster zu pressen.
„Mit einem Upgrade des Experiments hoffen wir, dieses Fenster schließen zu können“, sagte Burrage. „Es ist definitiv technologisch machbar.“
Die Ergebnisse seien positiv aufgenommen worden, sagte Burrage, obwohl einige Theoretiker Jahre damit verbracht hätten, hypothetische Chamäleonkräfte zu entwickeln.
„Als Theoretikerin bringt man Dinge in die Welt hinaus und oft sagen die Leute einfach ‚Oh, das ist nett’ und machen weiter“, sagte sie. „Die Leute waren also nur aufgeregt, zu sehen, wie Tests durchgeführt wurden.“
Einige mögen durch die geringe Wahrscheinlichkeit eines Durchbruchs in einem Gebiet, in dem so wenig bekannt ist, abgeschreckt werden, aber für Burrage ist dies der Reiz der Arbeit an dunkler Energie.
„Ich bin sehr stur – das ist ein Familienmerkmal“, sagte sie. „In meiner Freizeit bin ich Kletterer. Ich mag Herausforderungen und gebe nicht so schnell auf.“
Ihre aktuelle Arbeit konzentriert sich auf die Verwendung von Daten der Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (Esa), die detaillierte Messungen von Sternen in der Milchstraße durchführt.
Die Euclid-Mission der Esa, die sich direkt auf die Frage der dunklen Energie konzentriert, soll dieses Jahr starten. Die Mission wird untersuchen, wie sich das Universum in den letzten 10 Milliarden Jahren entwickelt hat, um nach Spuren dunkler Energie zu suchen.
„Euklid ist der Große“, sagte Burrage. „Es wird die Verteilung der Galaxien kartieren, die wir am Himmel sehen können.“
Die Mission wird bis zu 2 Milliarden Galaxien mit Infrarot- und sichtbarem Licht beobachten, um ihre Form und Bewegung zu untersuchen. Ziel ist es, ein genaueres Bild von den konkurrierenden Kräften der Schwerkraft, die Galaxien zusammenklumpen lässt, und der Dunklen Energie, die die beschleunigte Ausdehnung des Weltraums antreibt, zu bekommen.
„Die Tatsache, dass so wenig bekannt ist, ist aufregend“, sagte Burrage. „Es fühlt sich an, als könnte man irgendwo große Fortschritte machen.“