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FORSCHUNG AKTUELL: KOSMOLOGIE: HUBBLE-DEBATTE WIRD NOCH RÄTSELHAFTER


Spektrum der Wissenschaft - epaper ⋅ Ausgabe 10/2019 vom 21.09.2019

Astrophysiker sind sich uneins, wie schnell das Weltall expandiert. Nun sorgt eine neue Messung für Überraschung – womöglich mit unabsehbaren Folgen für unser Weltbild.


Seit Jahren streiten Kosmologen über die Expansionsgeschwindigkeit des Weltalls: Die beiden präzisesten Messmethoden kommen zu unterschiedlichen, scheinbar inkompatiblen Ergebnissen. Nun liegt ein neues, unabhängiges Resultat vor, das Experten mit Spannung erwartet haben. Doch statt das Rätsel zu lösen, vergrößert die Messung des Teams um Wendy Freedman von der University of Chicago die Verwirrung: Die damit ermittelte Ausdehnungsrate ...

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Bildquelle: Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 10/2019

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... fällt fast genau zwischen die bisher bekannten Werte. »Im Moment versuchen wir noch zu verstehen, wie das alles zusammenpasst«, sagt Freedman.

Rote Riesensterne helfen Forschern dabei, die kosmische Expansion zu vermessen.


NASA AND ESA (WWW.SPACETELESCOPE.ORG/IMAGES/POTW1751A/) / CC BY 4.0 (CREATIVECOMMONS.ORG/LICENSES/BY/4.0/LEGALCODE)

In den vergangenen Jahren haben Riess und sein Team die Präzision ihrer Expansionsmessungen immer weiter verbessert. Erst vor wenigen Monaten präsentierten die Forscher ihre jüngste Schätzung, die ebenfalls auf Daten des Hubble-Teleskops aufbaut: Demnach liegt die Hubble-Konstante eher bei 74, wobei die Messungenauigkeit nur noch 1,9 Prozent betragen soll.

Damit liegen Riess und Co jedoch deutlich über dem Ergebnis eines anderen gut etablierten Messverfahrens: Wissenschaftler des ESA-Satelliten Planck haben das Nachglimmen des Urknalls kartiert, den so genannten kosmischen Mikrowellenhintergrund. Aus der extrem schwachen, über den ganzen Himmel verteilten Strahlung lassen sich grundlegende Eigenschaften des Universums ableiten, darunter auch die Hubble-Konstante. Das Planck-Team kommt auf dieser Basis auf einen Wert von 67,4, mit einer Ungenauigkeit von gerade einmal 0,5 Prozent.

Der Unterschied zwischen 67,4 und 74 mag klein erscheinen, aber er ist mittlerweile statistisch signifikant, da beide Techniken im Lauf der Zeit immer genauer geworden sind. Theoretiker fragen sich daher zunehmend, ob der Grund für die Diskrepanz nicht etwa auf einen Mess- oder Auswertungsfehler zurückgeht, sondern in der Standardtheorie der Kosmologie begraben liegt, dem so genannten ACDM-Modell. Es postuliert, dass neben sichtbarer Materie auch Dunkle Materie im Urknall entstanden ist, die sich nur über ihre Schwerkraft bemerkbar macht. Daneben sieht das kosmologische Standardmodell die Dunkle Energie vor, die ein fester Bestandteil des Vakuums sein könnte und dort als eine Art Anti-Schwerkraft wirkt.

Theoretiker haben immer wieder versucht, das akzeptierte Weltmodell schlüssig umzuformulieren und so eine Erklärung für die konkurrierenden Messwerte der Hubble-Konstante zu finden, die kompatibel mit sonstigen Beobachtungsdaten ist. Bisher vergeblich. Dennoch stehen nach wie vor neue Naturgesetze als Erklärung im Raum: Vielleicht muss das Standardmodell der Kosmologie um einige Zutaten erweitert werden, oder die bekannten Bestandteile haben andere Eigenschaften als gedacht. So ließe sich erklären, dass das Planck-Teleskop, das aus dem jungen Universum ins Heute extrapoliert, einen anderen Hubble-Wert ermittelt als Messungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop in unserer kosmologischen Nachbarschaft.

Knifflige Entfernungsmessung

Doch erst müssen die Forscher ausschließen, dass die abweichenden Ergebnisse auf Messfehler zurückgehen. Klärung sollen unabhängige Methoden bringen, von denen es mittlerweile eine ganze Reihe gibt. Sie weisen jedoch eine beträchtliche Bandbreite von Ergebnissen auf, die mal Riess bestätigen, wie beispielsweise eine aktuelle Messung von Forschern des H0LiCOW-Projekts vom Garchinger Max-Planck-Institut für Astrophysik. Andere unabhängige Analysen stehen hingegen eher im Einklang mit dem Planck-Team (sieheSpektrum Juli 2018, S. 12).

Wendy Freedmans Methode sollte der festgefahrenen Debatte eine Richtung weisen. Sie setzt an einer Schwachstelle der Messung auf Basis des Hubble-Weltraumteleskops an und liefert eine weitgehend unabhängige Herangehensweise. Allerdings bestätigt Freedmans Ergebnis weder Riess noch Planck – sondern landet bei einer Hubble-Konstante von 69,8, zwischen den konkurrierenden Werten.

Die Analyse nutzt eine alternative Methode, um die Entfernung zu anderen Galaxien zu ermitteln – seit eh und je der schwierigste Teil bei der Messung der Hubble-Konstante. Edwin Hubble nutzte dazu vor 90 Jahren Sterne, deren Helligkeit periodisch schwankt, die so genannten Cepheiden. Die Astronomin Henrietta Swan Leavitt hatte schon Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt, dass man deren tatsächliche Helligkeit aus ihrer Pulsationsdauer ableiten konnte. Indem Leavitt maß, wie hell die Sterne auf fotografischen Platten erschienen, konnte sie berechnen, wie weit die Sterne entfernt waren.

Astronomen nennen solche Wegweiser Standardkerzen. Sie spielen nach wie vor eine wichtige Rolle bei dem Verfahren von Adam Riess und seinen Kollegen. Aber andere Forscher sind sich bis heute unsicher, ob man die Cepheiden und ihr Umfeld richtig versteht beziehungsweise ob diese eine wirklich präzise Entfernungsmessung erlauben. So driften die hellen Riesensterne oft in mit kosmischem Staub gefüllten Sternhaufen durchs All, was die Abschätzung ihrer Helligkeit verzerren könnte.

Astrophysiker haben deshalb immer wieder versucht, bessere Standardkerzen als Cepheiden zu finden. »Um der Sache auf den Grund zu gehen, brauchen wir unabhängige Methoden, welche die Cepheiden kontrollieren können«, sagt Freedman. Sie hat einen Großteil ihrer Karriere damit verbracht, die Präzision und Genauigkeit der Cepheiden-Methode zu verbessern. Für ihre neue Messung der Hubble- Konstante hat die renommierte Astrophysikerin die veränderlichen Sterne nun jedoch hinter sich gelassen. Stattdessen haben sie und ihr Team Rote Riesen verwendet, die in der Studie zusammen mit Supernova-Explosionen als Meterstock für weiter entfernte Galaxien dienten.

Die alten, aufgeblähten Sterne kommen häufiger vor als Cepheiden. Es gibt sie oft auch an den Rändern weit entfernter Galaxien, wo sie besser zu erkennen sind und wo Staub, der die Messungen verfälscht, ein weniger großes Problem sein sollte. Rote Riesen sind an und für sich sehr unterschiedlich. Aber eine Eigenschaft macht ihre Population dennoch zu einer nützlichen Standardkerze: Sie werden im Lauf von Millionen Jahren immer heller, bis sie ein Maximum erreichen. Anschließend werden sie auf einen Schlag sehr viel dunkler.

Wenn Astronomen eine große Gruppe von Sternen nach Farbe und Helligkeit sortieren, bilden die Roten Riesen daher eine Wolke von Punkten, die an einer scharfen Kante endet. Die Sterne an diesem Rand können dann als Standardkerzen dienen. Freedmans Team benutzte die Technik, um die Entfernungen zu 18 Galaxien zu berechnen, und erhielt eine Schätzung der Hubble-Konstante, deren Genauigkeit zum ersten Mal mit der der cepheidenbasierten Studien vergleichbar ist.

Adam Riess hat bereits Zweifel angemeldet. Er argumentiert, die Studie seiner Kollegin beruhe nach wie vor auf Annahmen über die Staubmenge in Galaxien – insbesondere in der Großen Magellanschen Wolke, die Freedman als Ankerpunkt verwendete. »Der Einfluss von Staub ist sehr schwierig abzuschätzen, und ich bin sicher, dass es viele Diskussionen geben wird«, sagt Riess.

In der Tat lässt das Ergebnis von Freedman Spielraum für Interpretationen. Streng genommen ist es sowohl mit der Planck-Vorhersage als auch mit der Cepheiden-Berechnung kompatibel – die Fehlerbalken der Methoden überschneiden sich jeweils. Die Genauigkeit der Technik wird sich wohl aber noch verbessern, wenn die Astrophysiker weitere Daten über Rote Riesen sammeln. Die Methode könnte damit in Zukunft sogar genauer werden als die Cepheiden-Herangehensweise. Ob sich der so ermittelte Wert der Hubble-Konstante dann in eine Richtung bewegt, ist unklar. Er könnte genauso gut gleich bleiben und zu dem Punkt werden, auf den sowohl das Planck-Team als auch Riess’ Gruppe zusteuern. Fest steht nur: Kosmologen steht weiterhin Arbeit bevor.

Davide Castelvecchi arbeitet als Wissenschaftsreporter für »Nature« in London.

QUELLEN

Freedman, W. et al.: The Carnegie-Chicago Hubble program. VIII. An independent determination of the Hubble constant based on the tip of the red giant branch. ArXiv, 1907.05922, 2019

Riess, A. et al.: Large Magellanic cloud Cepheid standards provide a 1% foundation for the determination of the Hubble constant and stronger evidence for physics beyond LambdaCDM. ArXiv, 1903.07603, 2019

nature

© Springer Nature Limited
www.nature.com
Nature 571, S. 458–459, 2019