Wie schnell dehnt sich das Universum aus? Es ist kompliziert, wie Hubble zeigt
Das Hubble-Weltraumteleskop ist der Öffentlichkeit vielleicht am bekanntesten für die schönen Bilder des Weltraums, die es einfängt, aber es ist unter Astronomen am bekanntesten, weil es bahnbrechende Einblicke in die Expansion des Universums liefert. Bevor das Teleskop gestartet wurde, wussten die Wissenschaftler, dass sich das Universum ausdehnt, aber sie wussten nicht, wie schnell diese Ausdehnung vor sich ging. Ergebnisse von Hubble in den 1990er Jahren haben diese Zahl zum ersten Mal genau festgelegt.
Die Geschwindigkeit der Expansion des Universums wird als Hubble-Konstante bezeichnet (benannt wie das Teleskop nach dem Astronomen Edwin Hubble, der in den 1920er und 1930er Jahren den ersten Beweis für die Expansion des Universums fand) und ist eine der wichtigsten Zahlen in Kosmologie. Diese Konstante ist wichtig, um zu verstehen, wie sich das Universum entwickelt hat, und um festzustellen, wie alt das Universum ist, da die Expansion bis zum Urknall zurückverfolgt werden kann. Vor dem Start des Hubble-Weltraumteleskops schätzten Wissenschaftler das Alter des Universums auf zwischen 8 und 20 Milliarden Jahre. Dank Hubble-Daten wurde diese Zahl auf ein viel genaueres Alter von 13,8 Milliarden Jahren verfeinert.
Das heißt aber nicht, dass die Arbeit getan ist. In den 2000er Jahren war die Schätzung für die Hubble-Konstante mit 72 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec ziemlich genau, aber diese hatte einen Fehler von plus oder minus 8. Seitdem wurde diese Zahl immer weiter verfeinert, mit einem kürzlich gefundenen Ergebnis von 74,03 im Jahr 2019 .
Allerdings gibt es einen Knick in dieser Erklärung. Die von Hubble und anderen Teleskopen gemessene Expansionsrate stimmt nicht mit der Rate überein, die von Daten aus den frühesten Stadien des Universums vorhergesagt wurde. Daher verwendeten Forscher Hubble-Daten in einem Projekt namens SHOES, das sowohl variable Sterne namens Cepheiden als auch Typ-Ia-Supernovae als Meilenmarkierungen zum Messen von Entfernungen verwendete, um die bisher genaueste Messung der Hubble-Konstante zu erhalten.
„Dafür wurde das Hubble-Weltraumteleskop gebaut, und zwar unter Verwendung der besten Techniken, die wir dafür kennen. Dies ist wahrscheinlich Hubbles Magnum Opus, denn es würde weitere 30 Jahre von Hubbles Leben brauchen, um diese Stichprobengröße auch nur zu verdoppeln“, sagte Adam Riess, Hauptautor der Studie, in einer Erklärung . „Sie erhalten das genaueste Maß für die Expansionsrate des Universums durch den Goldstandard von Teleskopen und kosmischen Meilenmarkierungen.“
Das Team von Riess untersuchte 42 Supernova-Explosionen, die als Entfernungsmarker dienen, und konnte einen Wert von 73,04 für die Hubble-Konstante mit einer Unsicherheit von nur 1,04 verfeinern. Das ist achtmal genauer, als Hubble bei seinem Start erwartet hatte.
Doch selbst bei dieser Genauigkeit gibt es immer noch eine Diskrepanz zwischen dieser Zahl und der, die durch Daten aus dem frühesten Universum vorhergesagt wurde, die durch Betrachten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds gemessen werden. Diese Ergebnisse sagen voraus, dass die Hubble-Konstante etwa 67 betragen sollte.
Das Rätsel bleibt also bestehen, und Astronomen haben keine Erklärung dafür, warum sich diese Zahlen unterscheiden. Die Diskrepanz könnte auf eine ganz neue Art von Physik hindeuten, über die wir noch etwas lernen müssen.
Im Moment ist die Zahl für die Hubble-Konstante, gemessen durch einen Blick auf das heutige Universum, jedoch so genau, wie es wahrscheinlich ist.
„Die Hubble-Konstante ist eine ganz besondere Zahl“, sagte die Kosmologin Licia Verde in der Erklärung. „Es kann verwendet werden, um eine Nadel von der Vergangenheit in die Gegenwart zu fädeln, um unser Verständnis des Universums von Anfang bis Ende zu testen. Das erforderte eine phänomenale Detailarbeit.“
Die Forschungsergebnisse werden im Astrophysical Journal veröffentlicht.