Eine neue Messung könnte unser Verständnis des Universums verändern

Das Universum dehnt sich aus, aber wie schnell genau? Die Antwort scheint davon abzuhängen, ob Sie die kosmische Expansionsrate – die als Hubble-Konstante oder H0 bezeichnet wird – basierend auf dem Echo des Urknalls (dem kosmischen Mikrowellenhintergrund oder CMB) abschätzen oder H0 direkt basierend auf den heutigen Sternen messen und Galaxien. Dieses als Hubble-Spannung bekannte Problem hat Astrophysiker und Kosmologen auf der ganzen Welt verwirrt.

Eine Studie, die von der Forschungsgruppe Stellar Standard Candles and Distances unter der Leitung von Richard Anderson am Physikalischen Institut der EPFL durchgeführt wurde, fügt dem Puzzle ein neues Stück hinzu. Ihre Forschung, veröffentlicht in Astronomie & Astrophysik, hat die bisher genaueste Kalibrierung von Cepheidensternen – einer Art veränderlicher Sterne, deren Leuchtkraft über einen definierten Zeitraum schwankt – für Entfernungsmessungen auf der Grundlage von Daten erreicht, die von der Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) gesammelt wurden. Diese neue Kalibrierung verstärkt die Hubble-Spannung weiter.

Die Hubble-Konstante (H0) ist nach dem Astrophysiker benannt, der das Phänomen Ende der 1920er Jahre zusammen mit Georges Lemaître entdeckte. Sie wird in Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec (km/s/Mpc) gemessen, wobei 1 Mpc etwa 3,26 Millionen Lichtjahren entspricht.

Die beste direkte Messung von H0 verwendet eine „kosmische Distanzleiter“, deren erste Sprosse durch die absolute Kalibrierung der Helligkeit von Cepheiden festgelegt wird, die jetzt von der EPFL-Studie neu kalibriert wurde. Im Gegenzug kalibrieren Cepheiden die nächste Sprosse der Leiter, wo Supernovae – mächtige Explosionen von Sternen am Ende ihres Lebens – die Ausdehnung des Weltraums selbst nachzeichnen.

Diese Abstandsleiter, gemessen von den Supernovae, H0, für das Team zur Zustandsgleichung der dunklen Energie (SH0ES) unter der Leitung von Adam Riess, Gewinner des Nobelpreises für Physik 2011, setzt H0 auf 73,0 ± 1,0 km/s/Mpc.

Erste Strahlung nach dem Urknall

H0 kann auch durch Interpretation des CMB bestimmt werden – das ist die allgegenwärtige Mikrowellenstrahlung, die vom Urknall vor mehr als 13 Milliarden Jahren übrig geblieben ist. Diese Messmethode des „frühen Universums“ muss jedoch das detaillierteste physikalische Verständnis der Entwicklung des Universums voraussetzen, wodurch es modellabhängig wird. Der Satellit Planck der ESA hat die vollständigsten Daten zum CMB geliefert, und nach dieser Methode beträgt H0 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc.

Die Hubble-Spannung bezieht sich auf diese Diskrepanz von 5,6 km/s/Mpc, je nachdem, ob die CMB-Methode (frühes Universum) oder die Distance-Ladder-Methode (spätes Universum) verwendet wird. Unter der Voraussetzung, dass die mit beiden Methoden durchgeführten Messungen korrekt sind, bedeutet dies, dass mit dem Verständnis der grundlegenden physikalischen Gesetze, die das Universum regieren, etwas nicht stimmt. Natürlich unterstreicht dieses große Problem, wie wichtig es ist, dass die Methoden der Astrophysiker zuverlässig sind.

Die neue EPFL-Studie ist so wichtig, weil sie die erste Sprosse der Distanzleiter stärkt, indem sie die Kalibrierung von Cepheiden als Distanz-Tracer verbessert. Tatsächlich erlaubt uns die neue Kalibrierung, astronomische Entfernungen mit einer Genauigkeit von ± 0,9 % zu messen, und dies unterstützt stark die Messungen im späten Universum. Darüber hinaus trugen die an der EPFL in Zusammenarbeit mit dem SH0ES-Team erzielten Ergebnisse dazu bei, die H0-Messung zu verfeinern, was zu einer verbesserten Präzision und einer erhöhten Bedeutung der Hubble-Spannung führte.

„Unsere Studie bestätigt die Expansionsrate von 73 km/s/Mpc, aber was noch wichtiger ist, sie liefert auch die bisher genauesten und zuverlässigsten Kalibrierungen von Cepheiden als Werkzeuge zur Entfernungsmessung“, sagt Anderson.

„Wir haben eine Methode entwickelt, die nach Cepheiden sucht, die zu Sternhaufen gehören, die aus mehreren hundert Sternen bestehen, indem wir testen, ob sich Sterne gemeinsam durch die Milchstraße bewegen. Dank dieses Tricks konnten wir uns das beste Wissen über Gaias Parallaxenmessungen zunutze machen.“ Profitieren Sie von dem Gewinn an Präzision, den die vielen Sternhaufenmitglieder bieten. Dies hat es uns ermöglicht, die Genauigkeit der Gaia-Parallaxen an ihre Grenzen zu bringen, und bietet die solideste Grundlage, auf der die Entfernungsleiter ruhen kann.

Grundbegriffe überdenken

Warum spielt ein Unterschied von nur wenigen km/s/Mpc angesichts der gewaltigen Ausmaße des Universums eine Rolle? „Diese Diskrepanz hat eine enorme Bedeutung“, sagt Anderson.

„Angenommen, Sie wollten einen Tunnel bauen, indem Sie in zwei gegenüberliegende Seiten eines Berges graben. Wenn Sie die Art des Gesteins richtig verstanden haben und Ihre Berechnungen korrekt sind, treffen sich die beiden Löcher, die Sie graben, in der Mitte. Aber Wenn nicht, bedeutet das, dass Sie einen Fehler gemacht haben – entweder sind Ihre Berechnungen falsch oder Sie liegen falsch mit der Art des Gesteins.

„Das ist es, was mit der Hubble-Konstante los ist. Je mehr Bestätigung wir bekommen, dass unsere Berechnungen genau sind, desto mehr können wir schlussfolgern, dass die Diskrepanz bedeutet, dass unser Verständnis des Universums falsch ist, dass das Universum nicht ganz so ist, wie wir dachten.“

Die Diskrepanz hat viele andere Implikationen. Es stellt die Grundlagen in Frage, wie die genaue Natur der dunklen Energie, das Zeit-Raum-Kontinuum und die Schwerkraft. „Das bedeutet, dass wir die Grundkonzepte überdenken müssen, die die Grundlage unseres Gesamtverständnisses der Physik bilden“, sagt Anderson.

Auch auf anderen Gebieten leistet die Studie seiner Forschungsgruppe einen wichtigen Beitrag. „Weil unsere Messungen so präzise sind, geben sie uns einen Einblick in die Geometrie der Milchstraße“, sagt Mauricio Cruz Reyes, Ph.D. Student in Andersons Forschungsgruppe und Hauptautor der Studie. „Durch die hochgenaue Kalibrierung, die wir entwickelt haben, können wir beispielsweise die Größe und Form der Milchstraße als flache Scheibengalaxie und ihre Entfernung zu anderen Galaxien besser bestimmen. Unsere Arbeit hat auch die Zuverlässigkeit der Gaia-Daten bestätigt, indem sie sie mit den aufgenommenen verglichen hat von anderen Teleskopen.“