Wissenschaftler sind sich nicht einig darüber, wie schnell sich das Universum ausdehnt, und neue Technologien machen es noch schlimmer

Etwas sehr Seltsames geschieht im Universum. Die Wissenschaft der Kosmologie, die das Universum im großen Stil erforscht, befindet sich in einer Krise. Im letzten Jahrhundert haben Wissenschaftler Berge von Beweisen dafür gefunden, dass sich das Universum mit der Zeit ausdehnt, denn sie beobachteten, dass sich eine Galaxie umso schneller von uns entfernt, je weiter sie von der Erde entfernt ist.

Das Problem ist, dass niemand sicher ist, wie schnell diese Expansion vonstatten geht. Zwei unterschiedliche Methoden zur Messung dieses Werts, der sogenannten Hubble-Konstante, führen zu zwei unterschiedlichen Ergebnissen. In den letzten Jahrzehnten haben die besten Theorien und Experimente, die die Menschheit hervorbringen kann, Schwierigkeiten gehabt, zu erklären, wie das so sein könnte.

Wenn es eine solche Diskrepanz gibt, ermöglichen neuere Technologien normalerweise genauere experimentelle Daten, die zur Lösung des Rätsels beitragen. Aber im Fall dieses Rätsels, das Hubble-Spannung genannt wird, ist es umso schwieriger, die Diskrepanz zu erklären, je mehr wir erfahren.

Die kosmologische Distanzleiter

Als das Hubble-Weltraumteleskop 1990 ins Leben gerufen wurde, bestand eines seiner Hauptziele darin, die Expansion des Universums zu untersuchen. Die Debatte über die Geschwindigkeit dieser Expansion tobte, und die Wissenschaftler waren bestrebt, eine genauere Antwort zu finden – denn diese Informationen waren entscheidend für das Verständnis des Alters des Universums, und zu diesem Zeitpunkt hätte dieses Alter nur 8 Milliarden betragen können Jahre alt oder bis zu 20 Milliarden Jahre alt.

In den späten 2000er Jahren hatten Wissenschaftler eine Zahl verfeinert, indem sie Sterne untersuchten, die in einem bestimmten Rhythmus, den sogenannten Cepheid-Variablen, aufleuchteten, und eine bestimmte Art von Supernova, sogenannte Typ-Ia-Supernovae . Beide Objekte haben ein vorhersagbares Helligkeitsniveau, was bedeutet, dass sie zur Entfernungsmessung verwendet werden können – Cephiden für nähere Galaxien und Supernovae vom Typ Ia für weiter entfernte – und daher als „Standardkerzen“ für astronomische Messungen verwendet werden.

Mit diesen genauen Entfernungsmessungen kamen Hubble-Wissenschaftler auf einen Wert für die Ausdehnung des Universums von 72 Kilometern pro Sekunde und Megaparsec. Das ist ein Maß für das Ausmaß der zeitlichen Ausdehnung pro Entfernung , denn je weiter Galaxien von uns entfernt sind, desto schneller bewegen sie sich. Ein Parsec ist 3,26 Lichtjahre und ein Megaparsec ist eine Million Parsec. Wenn wir also eine 3,26 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie betrachten, wird sie sich mit etwa 70 Kilometern pro Sekunde oder etwa 150.000 Meilen pro Stunde von uns entfernen.

Diese Messung war ein enormer wissenschaftlicher Fortschritt, hatte aber immer noch einen potenziellen Fehler von etwa 10 %. Nachfolgende Forschungen konnten diesen Fehler weiter reduzieren und kamen auf einen aktuellen Wert von 73,2 km/s/Mpc mit einer Fehlerrate von unter 2 %. Dabei stießen sie jedoch auf die physikalischen Grenzen des Teleskops.

Ein neues Teleskop im Werkzeugkasten

Während eine Gruppe von Astronomen mit Daten des Hubble-Weltraumteleskops beschäftigt war, suchte eine andere an einem ganz anderen Ort und untersuchte den kosmischen Mikrowellenhintergrund (Cosmic Microwave Background, CMB). Dabei handelt es sich um die vom Urknall übriggebliebene Energie, die überall als konstantes, sehr leichtes Hintergrundbrummen zu sehen ist. Bei der Berechnung der Hubble-Konstante auf Basis dieser Daten kamen die Forscher auf einen ganz anderen Wert: 67 km/s/Mpc. Dieser Unterschied mag klein erscheinen, aber er ist hartnäckig: Je genauer jede Gruppe ihre Messungen durchführte, desto tiefer schien die Kluft zu sein.

Doch mit dem Start des James-Webb-Weltraumteleskops im Jahr 2021 stand den Forschern ein neues und noch genaueres Werkzeug für ihre Messungen zur Verfügung. Eine Gruppe von Forschern, darunter Richard Anderson von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne, machte sich daran , die Hubble-Messungen mithilfe dieser neuen Technologie noch einmal zu überprüfen . Möglicherweise waren die Messungen des Hubble-Weltraumteleskops aufgrund der Einschränkungen des Teleskops ungenau, was die unterschiedlichen Zahlen erklären könnte, und dieses neue Tool könnte helfen, zu zeigen, ob das der Fall ist.

Der Vorteil, den James Webb gegenüber Hubble in diesem Zusammenhang hat, ist die höhere räumliche Auflösung bei der Betrachtung von Cephiden. „Früher musste man bei niedrigerer Auflösung das Licht der miteinander verschmelzenden Quellen statistisch korrigieren“, erklärte Anderson gegenüber Digital Trends. Und diese statistische Korrektur brachte einen Hauch von Zweifel in die Hubble-Daten. Möglicherweise sei die von Hubble gemessene Expansionsrate ungenau gewesen, argumentierten einige, weil die für diese Korrektur verwendeten statistischen Tools ungenau seien.

Aufgrund der besseren räumlichen Auflösung neuer Webb-Daten ist diese statistische Korrektur jedoch viel geringer. „Wenn Sie also nicht so viel korrigieren müssen, fügen Sie weniger Fehler hinzu und Ihre Messung wird präziser“, sagte Anderson. Die Webb-Daten stimmen nicht nur mit den vorherigen Hubble-Messungen überein, sondern erhöhen auch die Präzision dieser Messung.

Die Beweise liegen vor und es ist klar: Hubbles Messungen der Expansionsrate sind korrekt. Natürlich lässt sich nichts derart Komplexes zweifelsfrei beweisen, aber die Messungen sind so genau, wie wir sie praktisch durchführen können.

Ein heikles Problem

Wenn also die Daten des Hubble-Teleskops korrekt sind, liegt das Problem möglicherweise bei der anderen Messung. Vielleicht sind die Daten zum kosmischen Mikrowellenhintergrund falsch?

Das ist allerdings auch hart. Denn so wie die Forscher die Zahl anhand der Hubble-Daten verfeinerten, machten auch die CMB-Forscher ihre eigene Zahl immer genauer. Der größte Fortschritt in diesem Bereich war der Start des Planck-Weltraumobservatoriums der Europäischen Weltraumorganisation im Jahr 2009. Diese Mission war speziell für die Messung des CMB konzipiert und erfasste die bisher genauesten Daten der kleinen Temperaturschwankungen im gesamten CMB. Das ist wichtig, denn obwohl die CMB fast überall eine konstante Temperatur aufweist, gibt es winzige Schwankungen dieser Temperatur von 1 Teil zu 100.000.

So gering diese Temperaturschwankungen auch sind, sie sind wichtig, weil sie Schwankungen darstellen, die bei der Entstehung des Universums vorhanden waren. Wenn Forscher die Variationen in ihrer jetzigen Form betrachten, können sie die Zeit zurückdrehen, um zu verstehen, wie das Universum in seinen frühesten Stadien ausgesehen haben muss.

Wenn Forscher diese Planck-Daten verwenden, um die Expansion des Universums abzuschätzen, basierend auf unserem Verständnis des Universums, wie es existierte, als es jung war, verfeinerten sie einen Wert für die Konstante von 67,4 km/s/Mpc mit einem geringeren Fehler als 1 %. Es gibt keinen Schnittpunkt mehr zwischen den Unsicherheiten der beiden Zahlen – sie sind beide solide und stimmen nicht überein.

Eine Geschichte der Expansion

Wissenschaftler untersuchen das CMB seit den 1960er Jahren, und in dieser Zeit hat die Forschung einen Grad an Präzision erreicht, der den Spezialisten Vertrauen in ihre Ergebnisse gibt. Wenn es darum geht, die Inflation des Universums in seinen frühen Stadien zu modellieren, sind sie laut Jamie Bock von Caltech, PI für die bevorstehende SPHEREx-Mission der NASA zur Untersuchung des CMB, so genau wie möglich geworden.

„Der Mikrowellenhintergrund ist bei diesen Messungen sehr nahe daran, die kosmologischen Grenzen zu erreichen“, sagte Bock. „Mit anderen Worten, man kann kein besseres Experiment aufbauen. Es gibt nur eine begrenzte Menge an Dingen, die man vom Universum sehen kann.“

SPHEREx wird eine weltraumgestützte Mission sein, die keine direkten Messungen der Hubble-Konstante vornimmt. Aber es wird den Forschern helfen, mehr über die Geschichte der Expansion des Universums zu erfahren, indem es eine Phase des frühen Universums untersucht, die als Inflation bezeichnet wird und in der sich das Universum schnell ausdehnte. In dieser sehr frühen Zeit war das Universum viel, viel kleiner, heißer und dichter, und das beeinflusste die Art und Weise, wie es sich ausdehnte. Im Laufe seiner Lebensdauer haben sich die wichtigsten treibenden Faktoren der Expansion des Universums verändert, da es wuchs, abkühlte und weniger dicht wurde. Wir wissen, dass heute eine hypothetische Energieform namens Dunkle Energie die Hauptkraft ist, die die Expansion des Universums antreibt. Aber zu anderen Zeiten in der Geschichte des Universums waren andere Faktoren wie das Vorhandensein dunkler Materie von größerer Bedeutung.

„Die Flugbahn des Universums wird durch die Art der Materie und Energie bestimmt, die zu diesem Zeitpunkt vorherrschend ist“, erklärte Bock. Dunkle Energie beispielsweise „hat erst in der zweiten Hälfte des Zeitalters des Universums begonnen, die Expansion des Universums zu dominieren. Zuvor wäre es dunkle Materie gewesen, die die Entwicklung des Universums vorangetrieben hätte.“

Eine beliebte Theorie für den Unterschied zwischen den beiden Messungen besagt, dass dunkle Energie dafür verantwortlich sein könnte. Möglicherweise gab es im frühen Universum mehr dunkle Energie als derzeit angenommen wird, wodurch es sich schneller ausdehnen würde. Mit neuen Missionen wie der kürzlich gestarteten ESA-Mission Euclid könnten wir mehr über diese Möglichkeit erfahren und darauf abzielen, einen großen Teil des Universums in 3D abzubilden, um dunkle Materie und dunkle Energie zu untersuchen.

Ein Thermometer für unser Verständnis des Universums

Man kann sich die beiden Werte der Hubble-Konstante so vorstellen, dass sie vom Universum aus gemessen werden, wie wir es heute sehen, dem sogenannten späten Universum, im Vergleich zu den beiden Werten der Hubble-Konstante, die vom Universum aus gemessen werden, wie es war, als es jung war, dem sogenannten frühen Universum. Wenn die beiden unterschiedlichen Raten mit weniger genauen Methoden berechnet wurden, war es möglich, dass die beiden tatsächlich übereinstimmten, aber aufgrund überlappender Fehler nur weiter voneinander entfernt schienen.

Aber da Wissenschaftler diese Fehler immer weiter reduziert haben, kann diese Erklärung nicht mehr funktionieren. Entweder ist eine der Messungen falsch – immer möglich, aber angesichts der Datenberge zu jeder einzelnen Messung immer unwahrscheinlicher – oder es gibt etwas Grundlegendes am Universum, das wir einfach noch nicht verstehen.

„Was wir hier haben, ist wie ein Thermometer dafür, wie gut unser Verständnis des Kosmos derzeit ist“, sagte Anderson. „Und ich glaube, das Thermometer sagt uns, dass wir Fieber haben und ein Problem haben.“

Und bedenken Sie, dass die Hubble-Konstante kein untergeordnetes Problem ist. Es ist ein grundlegendes Maß, wohl die wichtigste Zahl in der Kosmologie. Und je genauer unsere Messungen werden, desto tiefer wird das Geheimnis.

Suche nach unabhängiger Verifizierung

Dies ist eine andere Möglichkeit, das Universum, wie wir es jetzt sehen, zu messen, und zwar durch die Betrachtung von Gravitationswellen. Wenn Objekte mit ausreichend großer Masse kollidieren, beispielsweise zwei Schwarze Löcher, die verschmelzen, erzeugen die enormen Kräfte Wellen in der Raumzeit, sogenannte Gravitationswellen, die aus Milliarden von Lichtjahren Entfernung erkannt werden können.

Diese Wellen können auf der Erde von spezialisierten Einrichtungen wie LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) entdeckt und zur Bestimmung der Entfernung einer Quelle verwendet werden, was bedeutet, dass sie theoretisch auch zur Messung der Expansionsrate verwendet werden können.

Dies ist eine Messung aus dem späten Universum, aber sie ist auch völlig unabhängig von den Cephiden und Supernovas, die in anderen Forschungen verwendet wurden. Das heißt, wenn die Messungen der Expansionsrate auf der Grundlage von Gravitationswellendaten ähnlich erscheinen, könnten wir noch sicherer sein, dass der höhere Wert korrekt ist – und wenn nicht, dann wüssten wir besser, wo das Problem liegt.

Der Vorteil der Verwendung von Gravitationswellen für diese Art der Messung besteht darin, dass die Signatur sehr sauber ist – „das Einzige, was sie beeinflusst, sind sehr schwere Massen“, sagte der Gravitationswellenexperte Stefan Ballmer von der Syracuse University. Und wenn Schwarze Löcher verschmelzen, ist ihr dynamisches Verhalten unabhängig von ihrer Größe sehr konsistent. Das macht sie zu idealen Standardkerzen zum Messen von Entfernungen – „ungefähr so ​​gut wie es nur geht“, so Ballmer.

Die Entfernungsmessung mit Gravitationswellen ist also relativ einfach. Die Herausforderung bei der Verwendung dieser Messungen zur Berechnung der Expansionsrate besteht darin, die Geschwindigkeit zu ermitteln. Bei Supernovas ist es leicht, die Rotverschiebung zu ermitteln (die die Geschwindigkeit angibt), aber die absolute Helligkeit (die die Entfernung angibt) ist schwer zu bestimmen. Bei Gravitationswellen hingegen ist es leicht, die Entfernung zu bestimmen, aber schwer, die Geschwindigkeit zu bestimmen.

Eine Möglichkeit, das Geschwindigkeitsproblem anzugehen, besteht darin, nach Verschmelzungen in nahegelegenen Galaxien zu suchen und dann die bekannte Rotverschiebung dieser Galaxien für die Geschwindigkeit Ihrer Gravitationswelle zu verwenden. Dies funktioniert nur, wenn Sie die Quelle der Gravitationswellen finden und irgendwo in der Nähe lokalisieren können.

Aber wenn Wissenschaftler in Zukunft genügend dieser Gravitationswellenereignisse beobachten, können sie sich ein Bild davon machen, wie das durchschnittliche Ereignis aussieht, und diese Informationen verwenden, um die Expansionsrate im großen Maßstab zu berechnen.

Die nächste Generation von Einrichtungen

Dafür benötigen wir jedoch Hunderte von Datenpunkten zu Gravitationswellenereignissen, verglichen mit der Handvoll, die wir derzeit haben. Dies ist ein sehr neues Forschungsgebiet und unsere Fähigkeit, Gravitationswellen nachzuweisen, ist noch auf eine kleine Anzahl von Einrichtungen beschränkt. Derzeit sind die Unsicherheiten der mit Gravitationswellen gemessenen Expansionsrate noch größer als bei den beiden anderen Methoden.

„Im Moment liegt unser Signal genau in der Mitte zwischen den beiden anderen Ergebnissen“, sagte Ballmer.

Das könnte sich jedoch in Zukunft ändern. Mit der geplanten nächsten Generation von Gravitationswellendetektoren, deren Bau in den nächsten Jahrzehnten geplant ist, könnten diese Messungen immer genauer werden.

Die Vertiefung dieses Rätsels mag eine Quelle der Frustration sein, aber es gibt auch einen Anstoß für neue und bessere Experimente, da sich Wissenschaftler aus den unterschiedlichsten Bereichen einer der großen Fragen über das Universum, wie wir es sehen, widmen.

„Der einzige Weg, es wirklich zu wissen, besteht darin, das Experiment zu verbessern“, sagte Ballmer. „Das ist die Welt, in der wir leben.“