Das Universum scheint sich wirklich schnell auszudehnen. Sogar zu schnell.
Eine neue Messung bestätigt, was frühere – und heftig umstrittene – Ergebnisse gezeigt hatten: Das Universum expandiert schneller als von theoretischen Modellen vorhergesagt und schneller, als es mit unserem aktuellen Verständnis der Physik erklärt werden kann.
Diese Diskrepanz zwischen Modell und Daten wurde als Hubble-Spannung bekannt. Nun wurden die Ergebnisse im veröffentlicht Astrophysikalische Tagebuchbriefe die schnellere Expansion noch stärker unterstützen.
„Die Spannung verwandelt sich nun in eine Krise“, sagte Dan Scolnic, der das Forschungsteam leitete.
Die Bestimmung der Expansionsrate des Universums – bekannt als Hubble-Konstante – ist seit 1929, als Edwin Hubble erstmals entdeckte, dass sich das Universum ausdehnt, ein wichtiges wissenschaftliches Unterfangen.
Scolnic, außerordentlicher Professor für Physik an der Duke University, erklärt es mit dem Versuch, die Wachstumskarte des Universums zu erstellen: Wir wissen, welche Größe es beim Urknall hatte, aber wie kam es zu der Größe, die es jetzt hat? In seiner Analogie stellt das Babybild des Universums das ferne Universum dar, die Urkeime der Galaxien. Das aktuelle Kopfbild des Universums stellt das lokale Universum dar, das die Milchstraße und ihre Nachbarn enthält. Das Standardmodell der Kosmologie ist die Wachstumskurve, die beide verbindet. Das Problem ist: Die Dinge passen nicht zusammen.
„In gewisser Hinsicht bedeutet dies, dass unser Modell der Kosmologie gebrochen sein könnte“, sagte Scolnic.
Für die Messung des Universums ist eine kosmische Leiter erforderlich, bei der es sich um eine Abfolge von Methoden zur Messung der Abstände zu Himmelsobjekten handelt, wobei sich jede Methode oder „Sprosse“ zur Kalibrierung auf die vorherige stützt.
Die von Scolnic verwendete Leiter wurde von einem separaten Team anhand von Daten des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) erstellt, das von seinem Aussichtspunkt am Kitt Peak National Observatory aus jede Nacht mehr als 100.000 Galaxien beobachtet.
Scolnic erkannte, dass diese Leiter näher an der Erde verankert werden könnte, mit einer genaueren Entfernung zum Coma-Cluster, einem der uns am nächsten gelegenen Galaxienhaufen.
„Die DESI-Zusammenarbeit hat den wirklich schwierigen Teil geleistet, ihrer Leiter fehlte die erste Sprosse“, sagte Scolnic. „Ich wusste, wie man es bekommt, und ich wusste, dass wir dadurch eine der präzisesten Messungen der Hubble-Konstante erhalten würden, die wir bekommen konnten. Als ihre Arbeit herauskam, habe ich also absolut alles stehen und liegen lassen und ununterbrochen daran gearbeitet.“
Um eine genaue Entfernung zum Coma-Haufen zu ermitteln, nutzten Scolnic und seine Mitarbeiter mit finanzieller Unterstützung der Templeton-Stiftung die Lichtkurven von 12 Typ-Ia-Supernovae innerhalb des Haufens. Genau wie Kerzen, die einen dunklen Pfad erhellen, haben Supernovae vom Typ Ia eine vorhersehbare Leuchtkraft, die mit ihrer Entfernung korreliert, was sie zu zuverlässigen Objekten für Entfernungsberechnungen macht.
Das Team kam in einer Entfernung von etwa 320 Millionen Lichtjahren an, fast in der Mitte des Entfernungsbereichs, über den 40 Jahre früherer Studien berichtet wurden – ein beruhigendes Zeichen seiner Genauigkeit.
„Diese Messung ist nicht davon beeinflusst, wie wir glauben, dass die Hubble-Spannungsgeschichte enden wird“, sagte Scolnic. „Dieser Cluster befindet sich in unserem Hinterhof, er wurde gemessen, lange bevor irgendjemand wusste, wie wichtig er sein würde.“
Mithilfe dieser hochpräzisen Messung als erste Sprosse kalibrierte das Team den Rest der kosmischen Distanzleiter. Sie kamen zu einem Wert für die Hubble-Konstante von 76,5 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec, was im Wesentlichen bedeutet, dass sich das lokale Universum alle 3,26 Millionen Lichtjahre um 76,5 Kilometer pro Sekunde schneller ausdehnt.
Dieser Wert stimmt mit bestehenden Messungen der Expansionsrate des lokalen Universums überein. Allerdings steht sie, wie alle diese Messungen, im Widerspruch zu Messungen der Hubble-Konstante, die auf Vorhersagen aus dem fernen Universum basieren. Mit anderen Worten: Es entspricht der Expansionsrate des Universums, wie andere Teams sie kürzlich gemessen haben, aber nicht so, wie es unser derzeitiges Verständnis der Physik vorhersagt. Die seit langem bestehende Frage ist: Liegt der Fehler in den Messungen oder in den Modellen?
Die neuen Ergebnisse von Scolnics Team untermauern enorm die sich abzeichnende Vorstellung, dass die Ursache der Hubble-Spannung in den Modellen liegt.
„Im Laufe des letzten Jahrzehnts hat die Community viele Neuanalysen durchgeführt, um zu sehen, ob die ursprünglichen Ergebnisse meines Teams korrekt waren“, sagte Scolnic, dessen Forschung die mithilfe des Standardmodells der Physik vorhergesagte Hubble-Konstante immer wieder in Frage gestellt hat. „Obwohl wir so viele Teile austauschen, erhalten wir letztendlich alle immer noch eine sehr ähnliche Zahl. Für mich ist das also die beste Bestätigung, die es je gegeben hat.“
„Wir sind an einem Punkt angelangt, an dem wir wirklich hart gegen die Modelle vorgehen, die wir seit zweieinhalb Jahrzehnten verwenden, und wir sehen, dass die Dinge nicht zusammenpassen“, sagte Scolnic. „Dies könnte unsere Einstellung zum Universum verändern, und es ist aufregend! Es gibt immer noch Überraschungen in der Kosmologie, und wer weiß, welche Entdeckungen als nächstes kommen werden?“
Diese Arbeit wurde mit Mitteln der Templeton Foundation, des Department of Energy, der David and Lucile Packard Foundation, der Sloan Foundation, der National Science Foundation und der NASA durchgeführt.
