26: Wie schnell expandiert das Universum?

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Vorab eine kurze Anmerkung: In diesem Artikel werde ich auf vieles zurückgreifen, das ich in früheren Blogbeiträgen erklärt habe und worauf ich hier nicht nochmal genauer eingehen werde. Falls ihr euch an folgende Artikel nicht mehr genau erinnert, würde ich daher empfehlen, sie vor diesem Beitrag erneut zu lesen: Weltallwissend 08 „Dunkle Energie“ sowie Weltallwissend 09 und 10 „Entfernungsmessung in der Astronomie Teil 1 & Teil 2“, außerdem Weltallwissend 25 “Dunkle Materie“.

Vor fast 100 Jahren hat Edwin Hubble entdeckt, dass sich das Universum ausdehnt. Wenn man nun schon weiß, dass das Universum expandiert, interessieren sich Wissenschaftler natürlich auch dafür, wie schnell es denn expandiert. Das konnten sie auf unterschiedliche Arten messen – doch dabei sind sie zu völlig unterschiedlichen Ergebnissen gekommen. Immer mehr Forscher sind sich zudem sicher, dass diese Unterschiede nicht an einem Messfehler liegen. Das jedoch würde bedeuten, dass sie andere Ursachen haben müssen: Unsere Vorstellung vom Universum muss falsch sein!

Um zu beschreiben, wie schnell sich das Universum ausdehnt, wurde die sogenannte Hubble-Konstante definiert. Die Einheit, in der sie angegeben wird, ist Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec. (Megaparsec ist eine Längeneinheit und beträgt ungefähr 3,26 Millionen Lichtjahre.) Das bedeutet also, wenn die Hubble-Konstante beispielsweise 70 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec betragen würde, würde sich eine Galaxie, die ein Megaparsec entfernt ist, sich mit 70 Kilometer pro Sekunde entfernen. Eine Galaxie mit der doppelten Entfernung (2 Megaparsec) würde sich auch mit doppelter Geschwindigkeit entfernen (140 Kilometer pro Sekunde).

Jedoch muss ich zugeben, dass der Begriff „Hubble-Konstante“ meiner Meinung nach sehr unpassend ist, da dieser Wert nicht konstant ist. Wie schnell das Universum expandiert, hat sich im Laufe der letzten Jahrmilliarden immer geändert und wird auch in Zukunft weiterhin variieren. Daher bevorzuge ich den ebenfalls häufig verwendeten Begriff „Hubble-Parameter“ und werde ihn auch in diesem Artikel anstelle der „Hubble-Konstante“ verwenden.

Nun gut, jetzt haben wir also schon mal über die Einheit und die Bezeichnung des Hubble-Parameters gesprochen. Jetzt bleibt nur noch eine Frage offen: Wie groß ist er denn jetzt eigentlich? Oder, um nochmal einen Schritt zurückzutreten: Wie können wir herausfinden, wie groß er ist?

1. Wie schnell bewegen sich die Galaxien?

Die offensichtliche Lösung ist genau die, mit der Edwin Hubble überhaupt herausgefunden hat, dass sich das Universum ausdehnt: Man beobachtet die Galaxien und misst, mit welcher Geschwindigkeit sie sich von uns entfernen. Um dann Angaben über den Hubble-Parameter machen zu können, muss zusätzlich noch die Entfernung der Galaxie bekannt sein (denn der Hubble-Parameter wird ja als Geschwindigkeit pro Entfernung angegeben).

Bei dieser Methode tritt jedoch das Problem auf, dass die Galaxien auch Eigenbewegungen haben. Sie bewegen sich auch aufgrund der Gravitationskraft zwischen ihnen und nicht nur wegen der Ausdehnung des Universums. Damit dieser Effekt im Vergleich zu der kosmischen Expansion vernachlässigbar klein wird, müssen sie mindestens 50 Megaparsec entfernt sein, das sind etwa 160 Millionen Lichtjahre.

Inzwischen sind unsere Teleskope jedoch so gut, dass Astronomen die Entfernung dieser Galaxien gut bestimmen können. Man verwendet hier die Methode der Standard-Kerzen. Es gibt heute zwei sehr genaue Messungen auf diese Art mit zwei unterschiedlichen Standard-Kerzen: Zum einen das Projekt SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State), das die Entfernungen der Galaxien über Supernovae vom Typ Ia bestimmte, zum anderen veröffentlichte Wendy Freedman im letzten Jahr eine Messung der Hubble-Konstante mithilfe von Roten Riesen als Standard-Kerzen. Zu den Ergebnissen dieser Messungen komme ich später.

In Sternen wird Wasserstoff zu Helium fusioniert (siehe Weltallwissend 1 „Der Tod der Sonne“ und Weltallwissend 19 „Ein Sternenleben“). In den meisten Sternen kann außerdem dieses Helium noch weiter zu Kohlenstoff fusioniert werden. Das kann jedoch erst geschehen, sobald der Heliumkern im Inneren des Sternes eine Masse von mindestens 0,5 Sonnenmassen erreicht hat. Sobald das der Fall ist, wird das Helium explosionsartig gezündet. Dieser „Helium-Flash“ wird daher auch immer gleich hell – und dient damit als weitere Standard-Kerze.

2. Kosmische Hintergrundstrahlung

Die Kosmische Hintergrundstrahlung ist die älteste Strahlung, die man je gemessen hat – sie entstand etwa 400 000 Jahre nach dem Urknall. Ich werde hier jedoch nicht genauer darauf eingehen, wie sie entstanden ist. Wichtig ist jetzt nur, dass die Hintergrundstrahlung winzige Unterschiede in ihrer Temperatur an unterschiedlichen Stellen aufweist. Indem Astronomen mit dem Planck-Weltraumteleskop über den gesamten Himmel diese Strahlung genau vermessen haben, konnten sie durch diese Schwankungen sehr viel über das Universum damals herausfinden, unter anderem, wie schnell es expandiert ist.

Um daraus zu berechnen, wie schnell das Universum sich heute ausdehnt, braucht man jetzt nur noch ein kosmologisches Modell – und das haben wir. Wichtig sind hier wieder die Dunkle Materie und die Dunkle Energie. Zwar weiß bis heute niemand, worum es sich dabei handelt, aber wir wissen, welche Wirkung Dunkle Materie und Dunkle Energie auf die „normale“ Materie und das gesamte Universum haben und wir wissen, oder glauben zumindest zu wissen, wie viel es davon jeweils (im Verhältnis zur gewöhnlichen Materie) gibt. Mit den Messdaten des Planck-Satelliten und diesem Standardmodell der Kosmologie konnten Astronomen also den heutigen Hubble-Parameter berechnen.

3. Gravitationslinsen

Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie krümmen große Massen den Raum. Daher bewegt sich das Licht in ihrer Nähe nicht mehr auf einer geraden Linie. Wenn nun zwei Galaxien von uns aus gesehen direkt hintereinander stehen, kann es daher passieren, dass das Licht der hinteren Galaxie so um die vordere Galaxie gekrümmt wird, dass es uns auf unterschiedlichen Wegen erreicht und wir die hintere Galaxie mehrfach sehen, da es uns aus unterschiedlichen Richtungen erreicht (siehe Bild). Man bezeichnet die vordere Galaxie daher als Gravitationslinse.

Credit: NASA/ESA

Steht die hintere Galaxie jedoch nicht exakt hinter der vorderen Galaxie, sind die unterschiedlichen Wege, die das Licht zu uns nimmt, unterschiedlich lang, das Licht benötigt also auch unterschiedlich viel Zeit, bis es bei uns ankommt. Diese Unterschiede in der Laufzeit des Lichtes hängen zum einen von der Verteilung der Masse in der Gravitationslinse ab, zum anderen jedoch von der Ausdehnung des Raumes. Somit ist diese Methode die direkteste, um den Hubble-Parameter zu messen – man benötigt lediglich Geometrie und die Allgemeine Relativitätstheorie. Im Rahmen des Projektes H0LiCOW (H0 Lenses in COSMOGRAIL‘s Wellspring) sollte daher über Gravitationslinsen gemessen werden, wie schnell das Universum expandiert.

Die Krise der Kosmologie

Welchen Wert haben die unterschiedlichen Methoden nun also für den Hubble-Parameter ergeben? Das Projekt SH0ES erhielt über die Entfernungsbestimmung mithilfe von Supernovae einen Wert von 74,0 ± 1,4 km/s/Mpc. Das heißt, wenn man alle Ungenauigkeiten bei den Messungen berücksichtigt, muss der Wert irgendwo zwischen 72,6 und 75,4 liegen. Das H0LiCOW-Projekt kam auf einen ähnlichen Wert: 73,3 ± 1,8 km/s/Mpc. Die Fehlerbereiche überschneiden sich, die Messungen stimmen also überein.

Die Messung der Kosmischen Hintergrundstrahlung jedoch ergab für den Hubble-Parameter einen Wert von 67,7 ± 0,4 km/s/Mpc. Dieser Wert liegt deutlich unter den Werten der Projekte SH0ES und H0LiCOW! Und weil das ja noch nicht für genug Verwirrung sorgt, ergab Freedmans Messung über die Entfernungsbestimmung mithilfe von Roten Riesen einen Wert von 69,6 ± 1,9 km/s/Mpc. Dieser Wert stimmt also mit demjenigen der Hintergrundstrahlung überein, jedoch nicht mit den anderen beiden.

Wodurch könnten nun diese Unterschiede bei den Messergebnissen zustande kommen? Unter der Annahme, dass es sich um keinen Messfehler handelt, muss das Bild, das wir inzwischen vom Universum haben, an irgendeiner Stelle noch einen Fehler aufweisen.

Eine Möglichkeit wäre, dass die Zahlen im kosmologischen Standardmodell nicht stimmen. Dieses beschreibt, wie viel Dunkle Materie und Dunkle Energie es im Universum gibt. Wenn die Berechnungen, über die man auf diese Werte gekommen ist, unvollständig oder fehlerhaft ist, wäre das also ein deutliches Zeichen dafür, dass wir über den „Dunklen Sektor“ des Universums noch deutlich weniger verstanden haben als gedacht. Ebenfalls denkbar wäre in dem kosmologischen Standardmodell außerdem eine weitere, bisher unbekannte Kraft.

Doch es gibt noch eine weitere Theorie, auf der die Messungen basierten: die Allgemeine Relativitätstheorie. Sie ist zwar inzwischen so oft bestätigt worden wie keine andere Theorie, doch das heißt nicht, dass sie auf besonders großen Skalen nicht doch irgendwann durch eine andere Theorie ersetzt werden muss. Zum Beispiel wurde das Gravitationsgesetz von Isaac Newton auch inzwischen widerlegt und bei großen Massen oder großen Geschwindigkeiten durch die Allgemeine Relativitätstheorie ersetzt, doch in Bezug auf kleinere Massen ist Newtons Gravitationsgesetz immer noch eine sehr gute Näherung und kann oft verwendet werden. Ganz ähnlich könnte es sich mit der Allgemeinen Relativitätstheorie und einer anderen Beschreibung für noch größere Skalen verhalten – und es ist zumindest eine Möglichkeit, dass der Hubble-Parameter einen ersten Hinweis liefert, wo man für eine solche neue Theorie ansetzen müsste.

Quellen: