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Wie das Weltall wächst : Neue Physik im Universum?

Der Quasar HE0435-1223 in der Bildmitte wird durch den Gravitationslinseneffekt einer Vordergrundgalaxie in mehrere Bildpunkte aufgespalten. Bild: AFP

Unser Universum expandiert – aber wie schnell? Die „Hubble-Konstante“ jedenfalls, die nach einer neuen Messung ermittelt wurde, könnte das etablierte kosmologische Modell in Frage stellen.

          3 Min.

          Dass unser Universum immer größer wird, wissen wir bereits seit fast 90 Jahren. Im Jahr 1928 entdeckte der amerikanische Astronom Edwin Hubble bei der Beobachtung anderer Galaxien, dass diese sich erstens alle von uns weg bewegen und dies zweitens umso schneller geschieht, je weiter sie von uns entfernt sind. Die Tatsache, dass sich alle Galaxien von uns und voneinander entfernen, wird so interpretiert, dass es das Weltall selbst ist, das expandiert. Die lineare Beziehung zwischen der radialen Geschwindigkeit und der Entfernung einer Galaxie wird durch das berühmte Hubble-Gesetz beschrieben. Die Konstante, die zwischen beiden Größen vermittelt, die also bestimmt wie schnell die Geschwindigkeit der Galaxien mit ihrer Entfernung wächst, ist die Hubble-Konstante.

          Die veränderliche Konstante

          Sibylle Anderl

          Redakteurin im Feuilleton.

          Tatsächlich ist der Name aber irreführend, denn die Hubble-Konstante hat ihren Wert seit dem Urknall stetig verändert. Ihr heutiger Wert wird mit dem Symbol H0 beschrieben. Sofern man diesen Wert präzise bestimmen kann, kann man daraus viele interessante Informationen über unser Universum ableiten. Beispielsweise steckt das Alter des Universums im Wert der Hubble-Konstanten: Man muss nur ausrechnen, wie lange es gedauert hat, bis sich das Weltall seit dem Urknall bei bekannter Ausdehnungsgeschwindigkeit zu seiner heutigen Größe entwickelt hat. Der Wert gibt aber noch weiter reichende Anhaltspunkte für das kosmologische Modell, durch das unser Universum beschrieben wird, beispielsweise die Natur der dunklen Energie oder die Physik der Neutrinos.

          Illustration des Weltraumteleskops Planck der Esa: Missionsbeginn: Mai 2009, Missionsende: Herbst 2013

          Der genaue Wert der Hubble-Konstanten war lange umstritten. Die Schwierigkeit der Messung ergibt sich aus der komplizierten Bestimmung kosmischer Entfernungen, die daher kommt, dass wir das sichtbare Universum nur als Projektion auf einer zweidimensionalen Himmelssphäre sehen. Die radialen Geschwindigkeiten kosmischer Objekte können dagegen vergleichsweise problemlos anhand des Dopplereffekts gemessen werden, der zu einer bewegungsabhängigen Verschiebung von Spektrallinien führt. Bisher wurde neben der Methode, den aktuellen Wert der Hubble-Konstante anhand präziser Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessungen zu bestimmen, noch eine alternative Messweise auf der Grundlage der kosmischen Hintergrundstrahlung genutzt.

          Messung per Babyfoto

          Dieses sogenannte „Babyfoto“ des Universums, das die Temperaturverteilung im All etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall zeigt, enthält Informationen über das zutreffende kosmologische Modell und damit auch über die Hubble-Konstante. Die Planck-Mission stellte im vergangenen Jahr den aktuellsten anhand der kosmischen Hintergrundstrahlung abgeleiteten Wert mit 67.8 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec vor, wobei ein Megaparsec eine Distanz von rund drei Millionen Lichtjahren beschreibt. Dieser Wert entspricht recht genau dem Wert, der vom kosmologischen Lambda-CDM-Modell vorhergesagt wird, ist aber kleiner als diejenigen Werte von über 70 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec, die vorher auf der Grundlage anderer Methoden ermittelt wurden, und die außerhalb der Fehlergrenzen der Planck-Messung liegen. Beispielsweise ermittelte eine Gruppe um Adam G. Riess 2016 unter Nutzung von Cepheiden Beobachtungen des Hubble Space Teleskops einen Wert von 73 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec.

          So könnte der Kosmos entstanden sein: NASA-Modell der Entstehung und Entwicklung des Weltalls

          Diese Diskrepanz wurde nun durch eine Messung bestätigt, die sich einer weiteren Methode zur Bestimmung der Hubble-Konstanten bedient. Das Team der H0LiCOW Kollaboration, zu der unter anderem deutsche Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Astrophysik, der Universität Bonn und der Münchener LMU gehören, haben den Gravitationslinseneffekt für eine Präzisionsmessung der Hubble-Konstanten genutzt. Dieser Effekt beschreibt die Tatsache, dass die von Massenansammlungen wie Galaxien verursachte Raumkrümmung das Licht dahinter liegender Quellen ähnlich ablenkt, wie eine optische Linse. Auf astronomischen Aufnahmen erkennt man die Wirkung des Gravitationslinseneffekts beispielsweise dadurch, dass man das hinter der Linse liegende Objekt mehrfach oder zu einem Ring auseinander gezogen sieht. Wenn das entfernte Objekt Licht aussendet, dessen Intensität sich mit der Zeit ändert, wie es beispielsweise bei aktiven Galaxienkernen der Fall ist, kann man messen, dass das Licht verschieden lange zum Betrachter unterwegs ist, je nachdem, welchen Weg es um die Linse herum genommen hat. Die Messung dieser Laufzeitunterschiede kann man nutzen, um direkt die Hubble-Konstante zu bestimmen. Neben der Messung der Laufzeitunterschiede selbst beruht die Methode auf einer genauen Modellierung der als Linse agierenden Massenansammlung sowie der Kenntnis der Masseverteilung in der Sichtlinie zwischen der Quelle und dem Beobachter.  

          Neues Verfahren, alte Diskrepanz

          Die H0LiCOW Gruppe hat dieses Verfahren nun auf fünf Quasar-Systeme angewendet und dabei Daten des Hubble Space Teleskops und verschiedener anderer Teleskope genutzt. Dabei erhielt sie einen Wert der Hubble-Konstante von 71.9 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec, dessen Genauigkeit bei 3.8% liegt. Diese Genauigkeit wird sich weiter erhöhen, wenn aktuelle und geplante Beobachtungsprogramme Tausende weitere zeitabhängige Linsen-Systeme finden, die entsprechend vermessen werden können. Sollte sich dabei die Abweichung von dem niedrigeren, von der Planck-Mission bestimmten Wert bestätigen, könnte dies ein Hinweis auf sogenannte „neue Physik“ jenseits des akzeptierten kosmologischen Standardmodells sein. Diese neue Physik könnte beispielsweise demonstrieren, dass unser Bild des Universums auf der Grundlage von normaler Materie, dunkler Materie und dunkler Energie unvollständig ist. Sie könnte auch ein besseres Verständnis der Natur der mysteriösen dunklen Energie liefern. Angesichts der vielen offenen Fragen, die das Standardmodell insbesondere im Zusammenhang mit der Natur der dunklen Materie und der dunklen Energie aufwirft, würde man sich über derartige Hinweise freuen.

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