Nach einem fast 30-jährigen Marathon hat das Hubble-Weltraumteleskop der NASA mehr als 40 „Meilensteine“ von Raum und Zeit kalibriert, um Wissenschaftlern dabei zu helfen, die Expansionsrate des Universums genau zu messen – eine Suche mit einer Wendung in der Handlung.
Die Verfolgung der Expansionsrate des Universums begann in den 1920er Jahren mit Messungen der Astronomen Edwin P. Hubble und Georges Lemaître. 1998 führte dies zur Entdeckung der „dunklen Energie“, einer mysteriösen abstoßenden Kraft, die die Expansion des Universums beschleunigt. In den letzten Jahren fanden Astronomen dank Daten von Hubble und anderen Teleskopen eine weitere Wendung: eine Diskrepanz zwischen der im lokalen Universum gemessenen Expansionsrate im Vergleich zu unabhängigen Beobachtungen direkt nach dem Urknall, die einen anderen Expansionswert vorhersagen.
Die Ursache dieser Diskrepanz bleibt ein Rätsel. Aber Hubble-Daten, die eine Vielzahl von kosmischen Objekten umfassen, die als Entfernungsmarker dienen, stützen die Idee, dass etwas Seltsames vor sich geht, möglicherweise mit brandneuer Physik.
„Sie erhalten das genaueste Maß für die Expansionsrate des Universums vom Goldstandard von Teleskopen und kosmischen Meilenmarkierungen“, sagte Nobelpreisträger Adam Riess vom Space Telescope Science Institute (STScI) und der Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland .
Riess leitet eine wissenschaftliche Zusammenarbeit zur Untersuchung der Expansionsrate des Universums namens SHOES, was für Supernova, H0, für die Zustandsgleichung der Dunklen Energie steht. „Dafür wurde das Hubble-Weltraumteleskop gebaut, wobei die besten Techniken verwendet wurden, die wir dafür kennen. Dies ist wahrscheinlich Hubbles Magnum Opus, denn es würde weitere 30 Jahre von Hubbles Leben brauchen, um diese Stichprobengröße auch nur zu verdoppeln“, sagte Riess .
Das Papier des Riess-Teams, das in der Special Focus-Ausgabe von veröffentlicht werden soll Das Astrophysikalische Journal berichtet über den Abschluss des größten und wahrscheinlich letzten großen Updates der Hubble-Konstante. Die neuen Ergebnisse mehr als das Doppelte der früheren Stichprobe von kosmischen Entfernungsmarkern. Sein Team analysierte auch alle vorherigen Daten neu, wobei der gesamte Datensatz nun über 1.000 Hubble-Umlaufbahnen umfasst.
Als die NASA in den 1970er Jahren ein großes Weltraumteleskop konzipierte, war einer der Hauptgründe für die Kosten und den außerordentlichen technischen Aufwand die Auflösung von Cepheiden, Sternen, die periodisch heller und dunkler werden und innerhalb unserer Milchstraße und außerhalb von Galaxien zu sehen sind. Cepheiden sind seit langem der Goldstandard für kosmische Meilenmarkierungen, seit ihre Nützlichkeit 1912 von der Astronomin Henrietta Swan Leavitt entdeckt wurde. Um viel größere Entfernungen zu berechnen, verwenden Astronomen explodierende Sterne, sogenannte Typ-Ia-Supernovae.
Zusammen bildeten diese Objekte eine „kosmische Distanzleiter“ durch das Universum und sind wesentlich für die Messung der Expansionsrate des Universums, die nach Edwin Hubble als Hubble-Konstante bezeichnet wird. Dieser Wert ist entscheidend für die Schätzung des Alters des Universums und bietet einen grundlegenden Test für unser Verständnis des Universums.
Unmittelbar nach dem Start von Hubble im Jahr 1990 wurde die erste Reihe von Beobachtungen von Cepheidensternen zur Verfeinerung der Hubble-Konstante von zwei Teams durchgeführt: dem HST-Schlüsselprojekt unter der Leitung von Wendy Freedman, Robert Kennicutt und Jeremy Mould, Marc Aaronson und einem weiteren von Allan Sandage und Mitarbeiter, die Cepheiden als Meilensteine verwendeten, um die Entfernungsmessung zu nahen Galaxien zu verfeinern. In den frühen 2000er Jahren erklärten die Teams „Mission erfüllt“, indem sie eine Genauigkeit von 10 Prozent für die Hubble-Konstante erreichten, 72 plus oder minus 8 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec.
Im Jahr 2005 und erneut im Jahr 2009 startete die Hinzufügung leistungsstarker neuer Kameras an Bord des Hubble-Teleskops die „Generation 2“ der ständigen Forschung von Hubble, als Teams daran gingen, den Wert auf eine Genauigkeit von nur einem Prozent zu verfeinern. Dies wurde durch das SHOES-Programm eingeweiht. Mehrere Teams von Astronomen, die Hubble verwenden, einschließlich SHOES, haben sich auf einen Hubble-Konstantenwert von 73 plus oder minus 1 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec geeinigt. Während andere Ansätze verwendet wurden, um die Frage der Hubble-Konstante zu untersuchen, kamen verschiedene Teams zu Werten, die in etwa der gleichen Zahl entsprechen.
Zum SHOES-Team gehören die langjährigen Führungskräfte Dr. Wenlong Yuan von der Johns Hopkins University, Dr. Lucas Macri von der Texas A&M University, Dr. Stefano Casertano von STScI und Dr. Dan Scolnic von der Duke University. Das Projekt wurde entwickelt, um das Universum einzuspannen, indem es die Genauigkeit der Hubble-Konstante anpasst, die aus der Untersuchung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung abgeleitet wurde, die von der Morgendämmerung des Universums übrig geblieben ist.
„Die Hubble-Konstante ist eine ganz besondere Zahl. Sie kann verwendet werden, um eine Nadel von der Vergangenheit in die Gegenwart zu fädeln, um unser Verständnis des Universums von Anfang bis Ende zu testen. Dies erforderte eine phänomenale Menge an Detailarbeit“, sagte er Dr. Licia Verde, Kosmologin bei ICREA und der ICC-Universität Barcelona, spricht über die Arbeit des SHOES-Teams.
Das Team maß 42 der Supernova-Meilenpostmarker mit Hubble. Da sie mit einer Rate von etwa einer pro Jahr explodieren, hat Hubble aus praktischen Gründen so viele Supernovae wie möglich aufgezeichnet, um die Expansion des Universums zu messen. Riess sagte: „Wir haben eine vollständige Probe aller Supernovae, die für das Hubble-Teleskop zugänglich sind und in den letzten 40 Jahren gesehen wurden.“ Wie der Text des Liedes „Kansas City“ aus dem Broadway-Musical „Oklahoma“, ist Hubble „so weit gegangen, wie es nur geht!“
Seltsame Physik?
Es wurde vorhergesagt, dass die Expansionsrate des Universums langsamer ist als das, was Hubble tatsächlich sieht. Durch die Kombination des kosmologischen Standardmodells des Universums und Messungen der Planck-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (die den kosmischen Mikrowellenhintergrund von vor 13,8 Milliarden Jahren beobachtete) sagen Astronomen einen niedrigeren Wert für die Hubble-Konstante voraus: 67,5 plus oder minus 0,5 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec, verglichen mit der Schätzung des SHOES-Teams von 73.
Angesichts der großen Stichprobengröße von Hubble besteht nur eine Wahrscheinlichkeit von eins zu einer Million, dass Astronomen aufgrund einer unglücklichen Auslosung falsch liegen, sagte Riess, eine übliche Schwelle, um ein Problem in der Physik ernst zu nehmen. Dieser Befund entwirrt das, was zu einem netten und ordentlichen Bild der dynamischen Entwicklung des Universums wurde. Den Astronomen fehlt eine Erklärung für die Diskrepanz zwischen der Expansionsrate des Lokaluniversums gegenüber dem Uruniversum, aber die Antwort könnte zusätzliche Physik des Universums beinhalten.
Solche verwirrenden Erkenntnisse haben das Leben für Kosmologen wie Riess aufregender gemacht. Vor dreißig Jahren begannen sie damit, die Hubble-Konstante zu messen, um das Universum zu messen, aber jetzt ist es etwas noch Interessanteres geworden. „Eigentlich ist es mir egal, was der Expansionswert im Einzelnen ist, aber ich nutze ihn gerne, um etwas über das Universum zu lernen“, fügte Riess hinzu.
Das neue Webb-Weltraumteleskop der NASA wird Hubbles Arbeit erweitern, indem es diese kosmischen Meilensteinmarkierungen in größerer Entfernung oder mit schärferer Auflösung zeigt, als Hubble sehen kann.