Es gibt ein rätselhaftes Rätsel im Universum. Messungen der Geschwindigkeit der kosmischen Expansion mit verschiedenen Methoden führen immer wieder zu nicht übereinstimmenden Ergebnissen. Die Situation wurde als "Krise" bezeichnet.
Das Problem konzentriert sich auf die sogenannte Hubble-Konstante. Diese Einheit wurde nach dem amerikanischen Astronomen Edwin Hubble benannt und beschreibt, wie schnell sich das Universum in unterschiedlichen Entfernungen von der Erde ausdehnt. Mithilfe von Daten des Planck-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) schätzen die Wissenschaftler die Geschwindigkeit auf 46.200 Meilen pro Stunde pro Million Lichtjahre (oder, unter Verwendung von Kosmologeneinheiten, 67,4 Kilometer / Sekunde pro Megaparsec). Berechnungen mit pulsierenden Sternen, die als Cepheiden bezeichnet werden, deuten jedoch darauf hin, dass es sich um 73,4 km / s / Mpc handelt.
Wenn die erste Zahl richtig ist, bedeutet dies, dass Wissenschaftler seit vielen Jahrzehnten Entfernungen zu weit entfernten Objekten im Universum falsch messen. Aber wenn die zweite richtig ist, müssen Forscher möglicherweise die Existenz einer exotischen, neuen Physik akzeptieren. Verständlicherweise sind die Astronomen über diese Diskrepanz ziemlich aufgeregt.
Was soll ein Laie aus dieser Situation machen? Und wie wichtig ist dieser Unterschied, der für Außenstehende gering aussieht? Um dem Konflikt auf den Grund zu gehen, rief Live Science Barry Madore an, einen Astronomen an der Universität von Chicago und Mitglied eines der Teams, die Messungen der Hubble-Konstante durchführen.
Das Problem beginnt mit Edwin Hubble selbst. Bereits 1929 bemerkte er, dass sich weiter entfernte Galaxien schneller von der Erde entfernten als ihre näheren Gegenstücke. Er fand eine lineare Beziehung zwischen der Entfernung eines Objekts von unserem Planeten und der Geschwindigkeit, mit der es zurückging.
"Das bedeutet, dass etwas Gruseliges los ist", sagte Madore zu Live Science. "Warum sollten wir das Zentrum des Universums sein? Die Antwort, die nicht intuitiv ist, ist, dass sie sich nicht bewegt. Es wird immer mehr Raum zwischen allem geschaffen."
Hubble erkannte, dass sich das Universum ausdehnte, und dies schien mit einer konstanten Geschwindigkeit zu geschehen - daher die Hubble-Konstante. Er maß den Wert mit ungefähr 342.000 Meilen pro Stunde pro Million Lichtjahre (501 km / s / Mpc) - fast zehnmal größer als der derzeit gemessene Wert. Im Laufe der Jahre haben Forscher diese Rate verfeinert.
In den späten 1990er Jahren wurde es seltsamer, als zwei Astronomenteams bemerkten, dass entfernte Supernovae dunkler und daher weiter entfernt waren als erwartet, sagte Madore. Dies deutete darauf hin, dass sich das Universum nicht nur ausdehnte, sondern sich auch beschleunigte. Astronomen nannten die Ursache für dieses mysteriöse Phänomen Dunkle Energie.
Nachdem die Kosmologen akzeptiert hatten, dass das Universum etwas Seltsames tat, wandten sie sich der nächsten offensichtlichen Aufgabe zu: die Beschleunigung so genau wie möglich zu messen. Auf diese Weise hofften sie, die Geschichte und Entwicklung des Kosmos von Anfang bis Ende nachvollziehen zu können.
Madore verglich diese Aufgabe damit, auf eine Rennstrecke zu gehen und einen einzigen Blick auf die Pferde zu werfen, die auf dem Feld herumrennen. Könnte jemand aus diesen Informationen ableiten, wo alle Pferde angefangen haben und welches von ihnen gewinnen würde?
Diese Art von Frage mag unmöglich zu beantworten klingen, aber das hat Wissenschaftler nicht davon abgehalten, es zu versuchen. In den letzten 10 Jahren hat der Planck-Satellit den kosmischen Mikrowellenhintergrund gemessen, ein entferntes Echo des Urknalls, das eine Momentaufnahme des Säuglingsuniversums vor 13 Milliarden Jahren liefert. Mithilfe der Daten des Observatoriums konnten Kosmologen mit außerordentlich geringer Unsicherheit eine Zahl für die Hubble-Konstante ermitteln.
"Es ist wunderschön", sagte Madore. Aber "es widerspricht dem, was die Leute in den letzten 30 Jahren getan haben", sagte Madore.
In diesen drei Jahrzehnten haben Astronomen auch Teleskope verwendet, um entfernte Cepheiden zu untersuchen und die Hubble-Konstante zu berechnen. Diese Sterne flackern abhängig von ihrer Helligkeit mit einer konstanten Geschwindigkeit, sodass Forscher anhand ihrer Pulsationen genau sagen können, wie hell eine Cepheid sein sollte. Indem Astronomen untersuchen, wie dunkel die Sterne tatsächlich sind, können sie eine Entfernung zu ihnen berechnen. Die Schätzungen der Hubble-Konstante unter Verwendung von Cepheiden stimmen jedoch nicht mit denen von Planck überein.
Die Diskrepanz mag ziemlich klein aussehen, aber jeder Datenpunkt ist ziemlich genau und es gibt keine Überlappung zwischen ihren Unsicherheiten. Die verschiedenen Seiten haben ihre Finger aufeinander gerichtet und gesagt, dass ihre Gegner Fehler enthalten haben, die ihre Ergebnisse beeinträchtigen, sagte Madore.
Jedes Ergebnis hänge jedoch auch von einer Vielzahl von Annahmen ab. Madore ging auf die Pferderennen-Analogie zurück und verglich sie damit, den Sieger herauszufinden, während er ableiten musste, welches Pferd zuerst müde wird, was am Ende einen plötzlichen Energieschub gewinnt, der bei Nässe etwas ausrutscht Grasfläche vom gestrigen Regen und viele andere schwer zu bestimmende Variablen.
Wenn die Cepheids-Teams falsch liegen, bedeutet dies, dass Astronomen die Entfernungen im Universum die ganze Zeit falsch gemessen haben, sagte Madore. Aber wenn Planck falsch liegt, könnte möglicherweise neue und exotische Physik in die Modelle des Universums der Kosmologen eingeführt werden, fügte er hinzu. Diese Modelle enthalten verschiedene Zifferblätter, z. B. die Anzahl der als Neutrinos bekannten Arten von subatomaren Partikeln, die zur Interpretation der Satellitendaten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds verwendet werden. Um den Planck-Wert für die Hubble-Konstante mit vorhandenen Modellen in Einklang zu bringen, müssten einige der Zifferblätter angepasst werden, sagte Madore, aber die meisten Physiker sind noch nicht dazu bereit.
In der Hoffnung, einen weiteren Datenpunkt bereitzustellen, der zwischen den beiden Seiten vermitteln könnte, haben Madore und seine Kollegen kürzlich das Licht roter Riesensterne betrachtet. Diese Objekte erreichen am Ende ihres Lebens die gleiche Spitzenhelligkeit, was bedeutet, dass Astronomen wie bei den Cepheiden sehen können, wie dunkel sie von der Erde erscheinen, um eine gute Schätzung ihrer Entfernung zu erhalten und daher die Hubble-Konstante zu berechnen.
Die im Juli veröffentlichten Ergebnisse lieferten eine Zahl genau zwischen den beiden vorherigen Messungen: 47.300 mph pro Million Lichtjahre (69,8 km / s / Mpc). Und die Unsicherheit enthielt genügend Überschneidungen, um möglicherweise mit den Ergebnissen von Planck übereinzustimmen.
Aber Forscher knallen ihre Champagnerkorken noch nicht, sagte Madore. "Wir wollten einen Tie Breaker machen", sagte er. "Aber es wurde nicht gesagt, dass diese oder jene Seite richtig ist. Es wurde gesagt, dass es viel mehr Slop gab, als alle vorher dachten."
Andere Teams haben sich eingewogen. Eine Gruppe namens H0-Linsen in COSMOGRAILs Wellspring (H0LICOW) untersucht entfernte helle Objekte im frühen Universum, sogenannte Quasare, deren Licht von massiven Objekten zwischen uns und ihnen gravitativ erfasst wurde. Durch das Studium dieser Quasare hat die Gruppe kürzlich eine Schätzung gefunden, die näher an der Seite der Astronomen liegt. Informationen des Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatoriums (LIGO), das Gravitationswellen von abstürzenden Neutronensternen untersucht, könnten einen weiteren unabhängigen Datenpunkt liefern. Aber solche Berechnungen befinden sich noch in einem frühen Stadium, sagte Madore, und müssen noch ihre volle Reife erreichen.
Madore seinerseits sagte, er denke, dass die mittlere Zahl zwischen Planck und dem Wert der Astronomen letztendlich überwiegen wird, obwohl er im Moment nicht zu viel auf diese Möglichkeit setzen würde. Aber bis eine Schlussfolgerung gezogen ist, würde er gerne sehen, dass die Einstellungen der Forscher etwas abgeschwächt werden.
"Menschen, die darauf bestehen, dass sie Recht haben, haben viel Schaum darüber gelegt", sagte er. "Es ist ausreichend wichtig, dass es gelöst werden muss, aber es wird einige Zeit dauern."
