Passiert etwas Unvorhergesehenes in den Tiefen des Weltraums?
Diese Nahaufnahme, die tief in den Kern des Krebsnebels blickt, zeigt das schlagende Herz eines der historischsten und am intensivsten untersuchten Überreste einer Supernova, eines explodierenden Sterns. Himmelskörper wie Supernovae halfen Riess 'Astronomenteam dabei, Entfernungen zu messen, um festzustellen, wie schnell sich das Universum ausdehnt. Bild über das Space Telescope Science Institute.
Von Donna Weaver und Ray Villard / Johns Hopkins
Hier die gute Nachricht: Die Astronomen haben die bisher genaueste Messung der Geschwindigkeit durchgeführt, mit der sich das Universum seit dem Urknall ausdehnt.
Hier sind die möglicherweise beunruhigenden Neuigkeiten: Die neuen Zahlen stehen im Widerspruch zu unabhängigen Messungen der Expansion des frühen Universums, was bedeuten könnte, dass etwas an der Zusammensetzung des Universums unbekannt ist.
Passiert etwas Unvorhergesehenes in den Tiefen des Weltraums?
Adam Riess ist Nobelpreisträger und Bloomberg Distinguished Professor an der Johns Hopkins University. Er sagte:
Die Community hat es wirklich schwer, die Bedeutung dieser Diskrepanz zu verstehen.
Riess leitet ein Forscherteam, das mit dem Hubble-Weltraumteleskop die Expansionsrate des Universums misst. Er erhielt 2011 einen Nobelpreis für die Entdeckung des sich beschleunigenden Universums.
Das Team, dem Forscher von Hopkins und dem Space Telescope Science Institute angehören, hat in den letzten sechs Jahren das Hubble-Weltraumteleskop verwendet, um die Entfernungsmessungen zu Galaxien mithilfe von Sternen als Meilensteinmarkierungen zu verfeinern. Diese Messungen werden verwendet, um zu berechnen, wie schnell sich das Universum mit der Zeit ausdehnt. Dieser Wert wird als Hubble-Konstante bezeichnet.
Bild über die NASA, die ESA, A. Feild (STScI) und A. Riess (STScI / JHU).
Messungen des Planck-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation, der den kosmischen Mikrowellenhintergrund abbildet, ergaben, dass der Hubble-Konstantenwert jetzt 67 km pro Sekunde pro Megaparsec (3,3 Millionen Lichtjahre) betragen sollte und nicht höher sein könnte als 43 Meilen (69 km) pro Sekunde pro Megaparsec. Dies bedeutet, dass sich eine Galaxie in 3,3 Millionen Lichtjahren Entfernung von uns mit einer Geschwindigkeit von 67 km / s bewegt. Riess 'Team maß jedoch einen Wert von 73 km / s pro Megaparsec, was darauf hinweist, dass sich Galaxien schneller bewegen, als es die Beobachtungen des frühen Universums implizieren.
Die Hubble-Daten sind so genau, dass Astronomen die Lücke zwischen den beiden Ergebnissen nicht als Fehler in einer einzelnen Messung oder Methode abtun können. Riess erklärte:
Beide Ergebnisse wurden mehrfach getestet. Abgesehen von einer Reihe von Fehlern, die nichts miteinander zu tun haben, ist es immer wahrscheinlicher, dass dies kein Fehler ist, sondern ein Merkmal des Universums.
Eine ärgerliche Diskrepanz erklären
Riess skizzierte einige mögliche Erklärungen für das Missverhältnis, die sich alle auf 95 Prozent des Universums beziehen, das in Dunkelheit gehüllt ist. Eine Möglichkeit ist, dass dunkle Energie, von der bereits bekannt ist, dass sie den Kosmos beschleunigt, Galaxien mit noch größerer - oder wachsender - Stärke voneinander wegschiebt. Dies bedeutet, dass die Beschleunigung selbst möglicherweise keinen konstanten Wert im Universum hat, sondern sich mit der Zeit ändert.
Eine andere Idee ist, dass das Universum ein neues subatomares Teilchen enthält, das sich in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit bewegt. Solche schnellen Partikel werden zusammenfassend als „dunkle Strahlung“ bezeichnet und umfassen vorbekannte Partikel wie Neutrinos, die bei Kernreaktionen und radioaktiven Zerfällen entstehen. Im Gegensatz zu einem normalen Neutrino, das durch eine subatomare Kraft wechselwirkt, würde dieses neue Teilchen nur durch die Schwerkraft beeinflusst und wird als "steriles Neutrino" bezeichnet.
Eine weitere attraktive Möglichkeit ist, dass dunkle Materie - eine unsichtbare Form von Materie, die nicht aus Protonen, Neutronen und Elektronen besteht - stärker mit normaler Materie oder Strahlung in Wechselwirkung tritt als bisher angenommen.
Jedes dieser Szenarien würde den Inhalt des frühen Universums verändern und zu Inkonsistenzen in theoretischen Modellen führen. Diese Inkonsistenzen würden zu einem falschen Wert für die Hubble-Konstante führen, der aus Beobachtungen des jungen Kosmos abgeleitet wird. Dieser Wert würde dann im Widerspruch zu der aus den Hubble-Beobachtungen abgeleiteten Zahl stehen.
Riess und seine Kollegen haben noch keine Antwort auf dieses ärgerliche Problem, aber sein Team wird weiter daran arbeiten, die Expansionsrate des Universums zu optimieren. Bisher hat das Team, genannt Supernova H0 für die Zustandsgleichung - Spitzname SH0ES - die Unsicherheit auf 2,3 Prozent gesenkt.
Einen besseren Maßstab bauen
Dem Team ist es gelungen, den Hubble-Konstantenwert zu verfeinern, indem die Konstruktion der kosmischen Entfernungsleiter, einer Reihe miteinander verbundener Messtechniken, die es Astronomen ermöglichen, Entfernungen über Milliarden von Lichtjahren zu messen, rationalisiert und verstärkt wurde.
Astronomen können die Entfernungen zwischen Galaxien nicht mit einem Maßband messen. Stattdessen verwenden sie spezielle Klassen von Sternen und Supernovae als kosmische Maßstäbe oder Meilensteine, um galaktische Entfernungen präzise zu messen.
Zu den zuverlässigsten Messmethoden für kürzere Entfernungen zählen Cepheid-Variablen, pulsierende Sterne, die mit bestimmten Geschwindigkeiten aufhellen und dimmen. Einige ferne Galaxien enthalten einen weiteren zuverlässigen Maßstab, explodierende Sterne, die als Typ-Ia-Supernovae bezeichnet werden. Diese flackern mit gleichmäßiger Helligkeit und sind brillant genug, um von relativ weitem gesehen zu werden. Mithilfe eines grundlegenden geometrischen Werkzeugs namens Parallaxe, das die scheinbare Verschiebung der Position eines Objekts aufgrund einer Änderung des Betrachters misst, können Astronomen die Abstände zu diesen Himmelskörpern unabhängig von ihrer Helligkeit messen.
Frühere Beobachtungen von Hubble untersuchten 10 schneller blinkende Cepheiden, die 300 Lichtjahre bis 1.600 Lichtjahre von der Erde entfernt waren. Die neuesten Hubble-Ergebnisse basieren auf Messungen der Parallaxe von acht neu analysierten Cepheiden in unserer Milchstraßengalaxie, die etwa zehnmal weiter entfernt ist als alle zuvor untersuchten, und sich zwischen 6.000 Lichtjahren und 12.000 Lichtjahren von der Erde entfernt befindet.
Um die Parallaxe mit Hubble zu messen, musste Riesss Team das scheinbare winzige Wackeln der Cepheiden aufgrund der Bewegung der Erde um die Sonne messen. Diese Wackelbewegungen haben die Größe von nur 1/100 eines einzelnen Pixels auf der Kamera des Teleskops, was ungefähr der scheinbaren Größe eines Sandkorns entspricht, das in 160 km Entfernung zu sehen ist.
Um die Genauigkeit der Messungen zu gewährleisten, entwickelten die Astronomen eine clevere Methode, die bei der Einführung von Hubble im Jahr 1990 nicht in Betracht gezogen wurde. Die Forscher erfanden eine Abtasttechnik, bei der das Teleskop die Position eines Sterns vier Jahre lang alle sechs Monate tausendmal pro Minute misst . Das Teleskop schwenkt langsam über ein Sternziel und fängt das Bild als Lichtstreifen ein. Riess sagte:
Diese Methode ermöglicht die wiederholte Messung der extrem kleinen Verschiebungen aufgrund der Parallaxe. Sie messen den Abstand zwischen zwei Sternen nicht nur an einer Stelle der Kamera, sondern immer wieder, und reduzieren so die Messfehler.
Riess 'Team verglich die Entfernungen von Galaxien in Bezug auf die Erde mit der Ausdehnung des Weltraums, die durch die Streckung des Lichts von zurückweichenden Galaxien gemessen wurde, wobei die scheinbare Auswärtsgeschwindigkeit der Galaxien in jeder Entfernung zur Berechnung der Hubble-Konstante verwendet wurde. Ihr Ziel ist es, die Unsicherheit weiter zu verringern, indem Daten von Hubble und dem Gaia-Weltraumobservatorium der Europäischen Weltraumorganisation verwendet werden, die die Positionen und Entfernungen von Sternen mit beispielloser Präzision messen.
Fazit: Wissenschaftler, die die Expansionsrate des Universums messen, geben an, dass ihre neuen Zahlen im Widerspruch zu unabhängigen Messungen der Expansion des frühen Universums stehen, was bedeuten könnte, dass etwas an der Zusammensetzung des Universums unbekannt ist.