Eine neue mögliche Erklärung für die Hubble-Spannung

Das Universum dehnt sich aus. Wie schnell dies geschieht, wird durch die sogenannte Hubble-Lemaitre-Konstante beschrieben. Doch wie groß diese Konstante tatsächlich ist, ist umstritten: Verschiedene Messmethoden liefern widersprüchliche Werte.

Diese sogenannte „Hubble-Spannung“ stellt Kosmologen vor Rätsel. Forscher der Universitäten Bonn und St. Andrews schlagen nun eine neue Lösung vor: Mit einer alternativen Gravitationstheorie lässt sich die Diskrepanz in den Messwerten leicht erklären – die Hubble-Spannung verschwindet. Die Studie wurde jetzt im veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society (MNRAS).

Durch die Expansion des Universums entfernen sich die Galaxien voneinander. Die Geschwindigkeit, mit der sie dies tun, ist proportional zum Abstand zwischen ihnen. Wenn beispielsweise Galaxie A doppelt so weit von der Erde entfernt ist wie Galaxie B, wächst auch ihre Entfernung von uns doppelt so schnell. Der US-Astronom Edwin Hubble war einer der ersten, der diesen Zusammenhang erkannte.

Um zu berechnen, wie schnell sich zwei Galaxien voneinander entfernen, muss man daher wissen, wie weit sie voneinander entfernt sind. Allerdings ist hierfür auch eine Konstante erforderlich, mit der dieser Abstand multipliziert werden muss. Dies ist die sogenannte Hubble-Lemaitre-Konstante, ein grundlegender Parameter in der Kosmologie. Sein Wert lässt sich beispielsweise anhand der Betrachtung weit entfernter Regionen des Universums ermitteln. Dies ergibt eine Geschwindigkeit von fast 244.000 Kilometern pro Stunde pro Megaparsec Entfernung (ein Megaparsec entspricht etwas mehr als drei Millionen Lichtjahren).

244.000 Kilometer pro Stunde pro Megaparsec – oder 264.000?

„Man kann aber auch Himmelskörper betrachten, die viel näher bei uns sind – sogenannte Supernovae der Kategorie 1a, bei denen es sich um eine bestimmte Art explodierender Sterne handelt“, erklärt Prof. Dr. Pavel Kroupa vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn. Es ist möglich, die Entfernung einer 1a-Supernova zur Erde sehr genau zu bestimmen. Wir wissen auch, dass leuchtende Objekte ihre Farbe ändern, wenn sie sich von uns entfernen – und je schneller sie sich bewegen, desto stärker ist die Veränderung. Dies ähnelt einem Krankenwagen, dessen Sirene umso tiefer ertönt, je weiter er sich von uns entfernt.

Wenn wir nun aus ihrer Farbverschiebung die Geschwindigkeit der 1a-Supernovae berechnen und diese mit ihrer Entfernung korrelieren, kommen wir auf einen anderen Wert für die Hubble-Lemaitre-Konstante – nämlich knapp 264.000 Kilometer pro Stunde pro Megaparsec Entfernung. „Das Universum scheint sich also in unserer Nähe – also bis zu einer Entfernung von rund drei Milliarden Lichtjahren – schneller auszudehnen als in seiner Gesamtheit“, sagt Kroupa. „Und das sollte eigentlich nicht der Fall sein.“

Allerdings gab es kürzlich eine Beobachtung, die dies erklären könnte. Demnach befindet sich die Erde in einem Raumbereich, in dem es relativ wenig Materie gibt – vergleichbar mit einer Luftblase in einem Kuchen. Um die Blase herum ist die Materiedichte höher. Von dieser umgebenden Materie gehen Gravitationskräfte aus, die die Galaxien in der Blase zu den Rändern des Hohlraums ziehen. „Deshalb entfernen sie sich schneller von uns, als eigentlich zu erwarten wäre“, erklärt Dr. Indranil Banik von der St. Andrews University. Die Abweichungen könnten daher einfach durch eine lokale „Unterdichte“ erklärt werden.

Tatsächlich hat eine andere Forschungsgruppe kürzlich die Durchschnittsgeschwindigkeit einer großen Anzahl von Galaxien gemessen, die 600 Millionen Lichtjahre von uns entfernt sind. „Es wurde festgestellt, dass sich diese Galaxien viermal schneller von uns entfernen, als das Standardmodell der Kosmologie zulässt“, erklärt Sergij Mazurenko aus Kroupas Forschungsgruppe, der an der aktuellen Studie beteiligt war.

Blase im Teig des Universums

Dies liegt daran, dass das Standardmodell solche Unterdichten oder „Blasen“ nicht vorsieht – sie sollten eigentlich nicht existieren. Stattdessen sollte die Materie gleichmäßig im Raum verteilt sein. Wäre dies jedoch der Fall, wäre es schwierig zu erklären, welche Kräfte die Galaxien auf ihre hohe Geschwindigkeit treiben.

„Das Standardmodell basiert auf einer Theorie der Natur der Schwerkraft von Albert Einstein“, sagt Kroupa. „Allerdings könnten sich die Gravitationskräfte anders verhalten als Einstein erwartet.“ Die Arbeitsgruppen der Universitäten Bonn und St. Andrews haben eine modifizierte Schwerkrafttheorie in einer Computersimulation angewendet.

Diese „modifizierte Newtonsche Dynamik“ (Abkürzung: MOND) wurde vor vier Jahrzehnten vom israelischen Physiker Prof. Dr. Mordehai Milgrom vorgeschlagen. Sie gilt bis heute als Außenseitertheorie. „In unseren Berechnungen sagt MOND die Existenz solcher Blasen jedoch genau voraus“, sagt Kroupa.

Würde man davon ausgehen, dass sich die Schwerkraft tatsächlich nach Milgroms Annahmen verhält, würde die Hubble-Spannung verschwinden: Es gäbe eigentlich nur noch eine Konstante für die Expansion des Universums, und die beobachteten Abweichungen wären auf Unregelmäßigkeiten in der Verteilung der Materie zurückzuführen.