In den 1920er Jahren machte Edwin Hubble die bahnbrechende Entdeckung, dass sich das Universum in einem Expansionszustand befindet. Ursprünglich als Folge von Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt, führte diese Bestätigung zu dem, was als Hubble-Konstante bekannt wurde. In den sichergestellten Jahrzehnten und dank des Einsatzes von Teleskopen der nächsten Generation - wie dem treffend benannten Hubble-Weltraumteleskop (HST) - mussten Wissenschaftler dieses Gesetz überarbeiten.
Kurz gesagt, in den letzten Jahrzehnten haben Astronomen dank der Fähigkeit, weiter in den Raum (und tiefer in die Zeit) zu sehen, genauere Messungen darüber durchführen können, wie schnell sich das frühe Universum ausdehnte. Und dank einer neuen Umfrage, die mit Hubble durchgeführt wurde, konnte ein internationales Team von Astronomen die bislang genauesten Messungen der Expansionsrate des Universums durchführen.
Diese Umfrage wurde vom Supernova H0 für das Team Equation of State (SH0ES) durchgeführt, einer internationalen Gruppe von Astronomen, die seit 2005 versucht, die Genauigkeit der Hubble-Konstante zu verfeinern. Die Gruppe wird von Adam Reiss vom Space geleitet Das Telescope Science Institute (STScI) und die Johns Hopkins University umfassen Mitglieder des American Museum of Natural History, des Neils Bohr Institute, des National Optical Astronomy Observatory sowie vieler renommierter Universitäten und Forschungseinrichtungen.
Die Studie, die ihre Ergebnisse beschreibt, erschien kürzlich in Das astrophysikalische Journal unter dem Titel „Typ Ia Supernova Distances at Redshift> 1.5 from the Hubble-Weltraumteleskop Multi-Cycle-Treasury-Programme: Die frühe Expansionsrate “. Für ihre Studie und im Einklang mit ihren langfristigen Zielen versuchte das Team, eine neue und genauere „Distanzleiter“ zu konstruieren.
Mit diesem Tool haben Astronomen traditionell Entfernungen im Universum gemessen. Dabei werden Entfernungsmarkierungen wie Cepheid-Variablen verwendet - pulsierende Sterne, deren Entfernungen durch Vergleich ihrer Eigenhelligkeit mit ihrer scheinbaren Helligkeit abgeleitet werden können. Diese Messungen werden dann mit der Art und Weise verglichen, wie Licht aus Entfernungsgalaxien rot verschoben wird, um zu bestimmen, wie schnell sich der Raum zwischen Galaxien ausdehnt.
Daraus leitet sich die Hubble-Konstante ab. Um ihre entfernte Leiter aufzubauen, führten Riess und sein Team Parallaxenmessungen mit Hubbles Weitfeldkamera 3 (WFC3) von acht neu analysierten variablen Cepheid-Sternen in der Milchstraße durch. Diese Sterne sind etwa zehnmal weiter entfernt als alle zuvor untersuchten - zwischen 6.000 und 12.000 Lichtjahre von der Erde entfernt - und pulsieren in längeren Abständen.
Um eine Genauigkeit zu gewährleisten, die das Wackeln dieser Sterne berücksichtigt, entwickelte das Team auch eine neue Methode, bei der Hubble vier Jahre lang alle sechs Monate tausendmal pro Minute die Position eines Sterns misst. Das Team verglich dann die Helligkeit dieser acht Sterne mit weiter entfernten Cepheiden, um sicherzustellen, dass sie die Entfernungen zu anderen Galaxien genauer berechnen konnten.
Mit der neuen Technik konnte Hubble die Änderung der Position dieser Sterne im Verhältnis zu anderen erfassen, was die Dinge immens vereinfachte. Wie Riess in einer Pressemitteilung der NASA erklärte:
„Diese Methode ermöglicht wiederholte Möglichkeiten zur Messung der extrem kleinen Verschiebungen aufgrund von Parallaxe. Sie messen den Abstand zwischen zwei Sternen nicht nur an einer Stelle der Kamera, sondern immer wieder, um die Messfehler zu verringern. "
Im Vergleich zu früheren Umfragen konnte das Team die Anzahl der analysierten Sterne auf Entfernungen bis zu zehnmal weiter ausdehnen. Ihre Ergebnisse widersprachen jedoch auch denen des Planck-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), der seit seinem Einsatz im Jahr 2009 den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) - die vom Urknall erzeugte Strahlungsreste - misst.
Durch die Kartierung des CMB konnte Planck die Expansion des Kosmos während des frühen Universums verfolgen - circa. 378.000 Jahre nach dem Urknall. Das Ergebnis von Planck sagte voraus, dass der Hubble-Konstantenwert jetzt 67 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec (3,3 Millionen Lichtjahre) betragen sollte und nicht höher als 69 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec sein könnte.
Basierend auf ihrer Umfrage erzielte Riess 'Team einen Wert von 73 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec, was einer Diskrepanz von 9% entspricht. Im Wesentlichen deuten ihre Ergebnisse darauf hin, dass sich Galaxien schneller bewegen als dies durch Beobachtungen des frühen Universums impliziert wird. Da die Hubble-Daten so präzise waren, können Astronomen die Lücke zwischen den beiden Ergebnissen nicht als Fehler bei einer einzelnen Messung oder Methode abtun. Wie Reiss erklärte:
„Die Community hat wirklich Probleme damit, die Bedeutung dieser Diskrepanz zu verstehen. Beide Ergebnisse wurden auf verschiedene Weise getestet, so dass eine Reihe von Fehlern, die nichts miteinander zu tun haben, ausgeschlossen sind. Es wird immer wahrscheinlicher, dass dies kein Fehler ist, sondern ein Merkmal des Universums. “
Diese neuesten Ergebnisse deuten daher darauf hin, dass im Universum möglicherweise eine bisher unbekannte Kraft oder eine neue Physik am Werk ist. In Bezug auf Erklärungen haben Reiss und sein Team drei Möglichkeiten angeboten, die alle mit den 95% des Universums zu tun haben, die wir nicht sehen können (d. H. Dunkle Materie und dunkle Energie). 2011 erhielten Reiss und zwei weitere Wissenschaftler den Nobelpreis für Physik für ihre Entdeckung von 1998, dass sich das Universum in einer beschleunigten Expansionsrate befindet.
In Übereinstimmung damit schlagen sie vor, dass Dunkle Energie Galaxien mit zunehmender Stärke auseinander drücken könnte. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass es da draußen ein unentdecktes subatomares Teilchen gibt, das einem Neutrino ähnlich ist, aber durch die Schwerkraft mit normaler Materie anstelle von subatomaren Kräften interagiert. Diese "sterilen Neutrinos" würden sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit fortbewegen und könnten zusammen als "dunkle Strahlung" bezeichnet werden.
Jede dieser Möglichkeiten würde bedeuten, dass die Inhalte des frühen Universums unterschiedlich waren, was ein Umdenken unserer kosmologischen Modelle erzwingen würde. Derzeit haben Riess und Kollegen keine Antworten, planen jedoch eine weitere Feinabstimmung ihrer Messungen. Bisher hat das SHoES-Team die Unsicherheit der Hubble-Konstante auf 2,3% gesenkt.
Dies steht im Einklang mit einem der zentralen Ziele des Hubble-Weltraumteleskops, das dazu beitragen sollte, den Unsicherheitswert in Hubbles Konstante zu verringern, für den die Schätzungen einmal um den Faktor 2 variierten.
Diese Diskrepanz öffnet zwar die Tür zu neuen und herausfordernden Fragen, verringert aber auch unsere Unsicherheit bei der Messung des Universums erheblich. Letztendlich wird dies unser Verständnis verbessern, wie sich das Universum entwickelt hat, nachdem es vor 13,8 Milliarden Jahren in einer feurigen Katastrophe erschaffen wurde.
