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Gravitationslinsen verschärfen Hubble-Krise


Sterne und Weltraum - epaper ⋅ Ausgabe 7/2020 vom 12.06.2020

Seit wenigen Jahren liefern Messungen des Mikrowellenhintergrunds und der Typ-Ia-Supernovae miteinander unvereinbare Werte der Hubble-Konstante. Eine dritte,unabhängige Methode mit Hilfe von Gravitationslinsen vertieft den Graben nun weiter.


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Bildquelle: Sterne und Weltraum, Ausgabe 7/2020

ESA/Hubble,NASA,Suyu et al. (https://www.spacetelescope.org/images/heic1702b/) / CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/legalcode)


Die Hubble-Konstante H0 ist eine der wichtigsten Naturkonstanten. Sie beschreibt die gegenwärtige Ausdehnungsrate des Universums. Bis in die späten 1990er Jahre wusste man nur,dass ihr Wert zwischen 50 und 100 Kilometer pro Sekunde ...

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... und Megaparsec beträgt. Inzwischen liegen wesentlich genauere Werte vor; der bislang präziseste stammt aus den mit dem europäischen Satelliten Planck durchgeführten Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und wurde im Jahr 2018 veröffentlicht. Er beträgt 67,4 ± 0,5 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec. Pro Megaparsec,also mit jeder Million Parsec Entfernung (3,26 Millionen Lichtjahre),nimmt die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien im Mittel um 67,4 Kilometer pro Sekunde zu.

Das kosmologische Standardmodell

Dieser Wert folgt nicht direkt aus den Messungen zur Mikrowellenhintergrundstrahlung,sondern kann nur bei Annahme eines bestimmten kosmologischen Modells abgeleitet werden. Gegenwärtig wird das Lambda-CDM- Modell favorisiert,das darauf beruht,dass rund 70 Prozent der gesamten Energiedichte im lokalen Universum auf das Konto einer abstoßend wirkenden Dunklen Energie geht (symbolisiert durch die kosmologische Konstante Lambda L). Die gravitativ anziehende Materie macht die restlichen 30 Prozent aus,wobei mehr als 25 Prozent auf die kalte (also nicht-relativistische) Dunkle Materie (englisch: cold dark matter,CDM) entfallen.

Direkte astronomische Messungen der kosmischen Expansion mit Hilfe weit entfernter Supernovae des Typs Ia waren lange Zeit erheblich ungenauer. Erst vor wenigen Jahren gelang es durch die verbesserte Eichung der Supernova-Distanzen anhand von Cepheiden-Sternen,die Präzision auf wenige Prozent zu steigern. Den bislang genaueste Wert veröffentlichte die SH0ES-Kollaboration um Adam Riess von der Johns Hopkins University in Baltimore im Jahr 2019: Er beträgt 74,03 ± 1,42 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec,und liegt damit um rund zehn Prozent oder 4,4 Standardabweichungen oberhalb des Planck-Resultats (siehe SuW 10/2019,S. 22). SH0ES steht für »Supernova H0 for the Equation of State «,was so viel heißt wie: Supernovae und H0 für die [kosmologische] Zustandsgleichung.

Diese Diskrepanz ist eines der größten Rätsel der gegenwärtigen Kosmologie. Alle Versuche,sie ganz oder teilweise durch systematische Fehler bei der Analyse zu erklären,waren bislang erfolglos. Bleibt es dabei,könnte sie in letzter Konsequenz zum Scheitern des Lambda-CDM- Modells führen. Ein alternatives kosmologisches Modell,das alle übrigen Beobachtungsdaten ebenso gut beschreibt wie die Standardkosmologie,ist jedoch nicht in Sicht.

Eine dritte,unabhängige Methode zur Messung der Hubble-Konstante verschärft das Problem nun weiter: Ein internationales Team um Kenneth Wong von der Universität Tokio veröffentlichte nun einen sehr genauen Wert von H0 auf der Basis von Messungen mit Hilfe des Gravitationslinseneffekts (siehe SuW 10/2017,S. 20). Das Ergebnis lautet 73,3 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec und hat einen relativen Fehler von nur 2,4 Prozent,ist also fast so genau wie die beiden anderen Methoden. Es bestätigt die Supernova- Messungen - und steht damit in klarem Konflikt mit dem Planck-Wert

Wong und seine Kollegen verwendeten Präzisionsmessungen von sechs entfernten Quasaren,also den aktiven Kernen weit entfernter Galaxien. Der Motor eines Quasars ist ein massereiches Schwarzes Loch,in das Materie aus seiner Umgebung stürzt. Sie heizt sich dabei stark auf und setzt intensive Strahlung aller Wellenlängen frei. Quasare zeichnen sich deshalb durch hohe Leuchtkraft und starke Variabilität in Zeiträumen von Sekunden bis Wochen aus - das macht sie ideal für die Bestimmung der Hubble-Konstante.

H0 in Kilometern pro Sekunde und Megaparsec


Wird das Licht eines Quasars von einer auf der Sichtlinie zur Erde liegenden Gravitationslinse - einer Galaxie oder eines ganzen Galaxienhaufens - verzerrt,dann können mehrere Abbilder des leuchtkräftigen Galaxienkerns entstehen. Das Licht eines jeden Abbilds stammt von derselben Quelle (des fernen Quasars). Es hat jedoch auf der Reise zur Erde unterschiedliche Wege genommen und dafür unterschiedlich lange gebraucht.

Diese Laufzeitunterschiede äußern sich darin,dass die Helligkeitsschwankungen des Quasars von Abbild zu Abbild zu verschiedenen Zeiten auf der Erde ankommen. Die Zeitdifferenzen hängen davon ab,wie die Masse der Gravitationslinse auf der Sichtlinie zum Beobachter verteilt ist,aber auch von kosmologischen Parametern - allen voran dem Wert der Hubble-Konstanten H0. Die Methode schlug der norwegische Astrophysiker Sjur Refsdal schon im Jahr 1964 für gelinste Supernovae vor. Sie funktioniert aber ebenso mit Quasaren - und sogar besser,da gelinste Quasare weit häufiger vorkommen als gelinste Supernovae (siehe SuW 5/2015,S. 17).

H0 aus Gravitationslinsen

Die sechs von Wong und Kollegen untersuchten Systeme wurden im Rahmen des COSMOGRAIL-Projekts (Cosmological Monitoring of Gravitational Lenses) entdeckt; die nun veröffentlichen Resultate firmieren unter dem Etikett »H0LiCOW«,was mit einer Null geschrieben wird und »H0 Lenses in COSMOGRAIL’s Wellspring« (H0-Linsen in der COSMOGRAIL-Quelle) bedeutet. (Astronomen verbringen offenbar einen gewissen Teil ihrer Arbeitszeit mit dem Ersinnen von Akronymen.) Weil ihr Verfahren methodisch unabhängig von der H0-Bestimmung mit Supernovae ist,lassen sich beide Resultate zu einem gemeinsamen Wert von 73,8 ± 1,1 Kilometern pro Sekunde und Megaparsec kombinieren. Der Unterschied zwischen diesem kombinierten Wert und dem Planck-Resultat ist sehr groß und mit stolFür die Bestimmung der Hubble-Konstanten H0 analysierten die Forscher sechs Quasare,deren Licht durch eine in Sichtlinie liegenden Gravitationslinse in mehrere Abbilder aufgespalten wurde. Die Aufnahmen entstanden durch eine Kombination von optischen und Nahinfrarotdaten des Weltraumteleskops Hubble sowie bodengestützten Observatorien unter Verwendung der adaptiven Optik. Die jeweils als Gravitationslinse wirkende Galaxie ist im Zentrum der einzelnen Bilder zu erkennen. Die Hintergrundgalaxie erscheint als verzerrter Bogen,während ihr aktiver Galaxienkern,der Quasar,in mehrere helle Bilder auf diesem Ring aufgespalten ist. Im Fall von HE 0435-1223 (siehe Bild oben links auf S. 20) formen diese Abbilder ein fast perfektes Einsteinkreuz.

Die gemessenen Werte der Hubble-Konstanten H0 mit den jeweiligen Messunsicherheiten für das frühe (orange hinterlegt) und späte (violett hinterlegt) Universum widersprechen sich: Auf der einen Seite liefern die Messungen des Mikrowellenhintergrunds durch Planck und der kombinierten Analyse des Dark Energy Survey einen Wert um 67 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec. Demgegenüber ist der Wert aus der Untersuchung von Supernovae vom Typ Ia (Projekt SH0ES) und der Gravitationslinsen (Projekt H0LiCOW) rund zehn Prozent höher. Das Ergebnis ihrer kombinierten Analyse (spätes Universum,lila) liegt 5,3 Standardabweichungen über dem Planck-Resultat.

zen 5,3 Standardabweichungen statistisch signifikant. Wo steckt der Fehler?

Die Gravitationslinsenmethode funktioniert auch bei größeren Distanzen als die Supernova-Methode. Dies macht sie robust gegen die Hypothese einer Hubble-Blase,also die Annahme,dass sich die Milchstraße durch Zufall in einer lokalen Anomalie mit unterdurchschnittlicher Massendichte im Vergleich zum Rest des Universums befindet. Auch wenn die Existenz einer solchen Blase bislang nicht bestätigt werden konnte,wird sie doch immer wieder zur Erklärung der Hubble-Diskrepanz zwischen dem frühen (Planck) und späten Kosmos (Supernovae) und sogar als Erklärung für ein Modell ohne Dunkle Energie herangezogen.

Eine Lösung des Problems der unterschiedlichen Hubble-Konstanten haben auch Wong und sein Team nicht anzubieten. Ihr nächstes Ziel ist es,die Präzision ihres H0-Werts von den derzeitigen 2,4 auf etwa 1 Prozent zu verbessern. Dazu werden etwa 40 gravitationsgelinste Quasarsysteme notwendig sein - eine Zahl,welche die Autoren in naher Zukunft erreichen wollen.

JAN HATTENBACH ist Physiker und Amateurastronom. Auf seiner Blogseite www.himmelslichter.net schreibt er über alles,was am Himmel passiert.

Literaturhinweise Hilbert,S.: Ein neues Modell für den Kosmos? Sterne und Weltraum 10/2017,S. 20-22 Planck-Kollaboration: Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters. arXiv: 1807.06209 Quetz,A. M.: Zum Nachdenken - Shapiro- Verzögerung: Supernova unter der Gravitationslupe. Sterne und Weltraum 5/2015,S. 17 Ries,A. G. et al.: Large Magellanic Cloud Cepheid standards provide a 1% foundation for the determination of the Hubble constant and stronger evidence for physics beyond LCDM. Astrophysical Journal 876,2019 Wong,K. C. et al.: H0LiCOW XIII. A 2.4% measurement of H0 from lensed quasars: 5.3s tension between early and late-universe probes. arXiv: 1907.04869 Didaktische Materialien: www.wissenschaft-schulen. de/artikel/1051493


Bild links und rechts: Wong,K. C. et al.: H0LiCOW XIII. A 2.4% measurement of H0 from lensed quasars: 5.3s tension between early and late-universe probes. arXiv: 1907.04869,fig. 1; Bild Mitte: ESA/

Wong,K. C. et al.: H0LiCOW XIII. A 2.4% measurement of H0 from lensed quasars: 5.3s tension between early and late-universe probes. arXiv: 1907.04869,fig. 12; SuW-Grafik