Eine neue Möglichkeit, die Expansionsrate des Universums zu messen: Rotverschiebungsdrift

Im Jahr 1929 veröffentlichte Edwin Hubble den ersten stichhaltigen Beweis dafür, dass sich das Universum ausdehnt. Anhand der Daten von Vesto Slipher und Henrietta Leavitt konnte Hubble einen Zusammenhang zwischen galaktischer Entfernung und Rotverschiebung nachweisen. Je weiter eine Galaxie entfernt war, desto stärker schien ihr Licht zum roten Ende des Spektrums verschoben zu sein.

Wir wissen jetzt, dass dies auf die kosmische Expansion zurückzuführen ist. Der Weltraum selbst dehnt sich aus, was den Eindruck erweckt, dass entfernte Galaxien sich von uns entfernen. Die Geschwindigkeit dieser Expansion ist als Hubble-Parameter bekannt, und obwohl wir eine gute Vorstellung von seinem Wert haben, gibt es immer noch eine gewisse Spannung zwischen den verschiedenen Ergebnissen.

Eine der Schwierigkeiten bei der Lösung dieser Spannung besteht darin, dass wir die kosmische Expansion bisher nur so messen können, wie sie derzeit auftritt. Das bedeutet auch, dass wir nicht feststellen können, ob die kosmische Expansion auf die allgemeine Relativitätstheorie oder eine subtilere Erweiterung von Einsteins Modell zurückzuführen ist. Wenn jedoch leistungsstarke neue Teleskope gebaut werden, können wir möglicherweise die Entwicklung der kosmischen Expansion dank des sogenannten Rotverschiebungsdrifteffekts beobachten.

Der Hubble-Parameter hat einen Wert von etwa 70 km/s pro Megaparsec. Das heißt, wenn eine Galaxie etwa 1 Megaparsec (etwa 3 Millionen Lichtjahre) entfernt ist, scheint sie sich mit etwa 70 km/s von uns zu entfernen. Wenn eine Galaxie 2 Megaparsec entfernt ist, scheint sie sich mit etwa 140 km/s zu entfernen. Je größer die Entfernung einer Galaxie ist, desto größer ist ihre scheinbare Geschwindigkeit.

Da sich das Universum immer noch ausdehnt, ist eine Galaxie mit jedem Jahr etwas weiter entfernt, und das bedeutet, dass ihre Rotverschiebung etwas größer werden sollte. Mit anderen Worten bedeutet die kosmische Expansion, dass die Rotverschiebungen von Galaxien mit der Zeit stärker ins Rote tendieren sollten.

Diese Drift ist äußerst gering. Bei einer 12 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie würde ihre scheinbare Geschwindigkeit etwa 95 % der Lichtgeschwindigkeit betragen, während ihre Drift jedes Jahr nur 15 cm/s betragen würde. Das ist viel zu klein, als dass man es mit aktuellen Teleskopen beobachten könnte. Aber wenn das Extremely Large Telescope (ELT) im Jahr 2027 mit der Datenerfassung beginnt, sollte es in der Lage sein, diese Drift rechtzeitig zu beobachten. Schätzungen zufolge sollte das ELT nach 5–10 Jahren präziser Beobachtungen in der Lage sein, Rotverschiebungsdriften in der Größenordnung von 5 cm/s zu erkennen.

Obwohl dies ein mächtiges Werkzeug für unser Verständnis des Universums sein wird, wird es viele Daten und viel Zeit erfordern. Also ein neues Papier, veröffentlicht auf dem Preprint-Server arXivschlägt eine andere Methode vor, die den Gravitationslinseneffekt nutzt.

Die Autoren nennen diesen Effekt Rotverschiebungsdifferenz. Anstatt die Rotverschiebung einer Galaxie über Jahrzehnte hinweg zu beobachten, schlägt das Team vor, nach entfernten Galaxien zu suchen, die durch die Gravitationslinse einer näheren Galaxie beeinflusst werden. Viele entfernte Galaxien werden von einer näheren Galaxie zwischen uns und der entfernten geblendet, aber die meisten geblendeten Galaxien erscheinen als einzelner verzerrter Bogen seitlich der Vordergrundgalaxie.

Aber manchmal kann der Gravitationslinseneffekt mehrere Bilder einer entfernten Galaxie erzeugen. Da jedes Bild der fernen Galaxie einen etwas anderen Weg nimmt, um zu uns zu gelangen, ist auch die Entfernung jedes Weges etwas unterschiedlich. Anstatt also Jahrzehnte darauf zu warten, dass sich eine Galaxie weiter von uns entfernt, können wir Schnappschüsse der Galaxie machen, die durch Jahre oder Jahrzehnte getrennt sind. Jedes Bild hätte eine leicht unterschiedliche Rotverschiebung, und durch den Vergleich könnten wir die Rotverschiebungsdrift messen.

Dies liegt immer noch außerhalb unserer derzeitigen Fähigkeit, dies zu erkennen. Aber während wir darauf warten, dass Teleskope wie das ELT online gehen, können wir mit mehreren Bildern nach entfernten Linsengalaxien suchen. Wenn wir also die Möglichkeit haben, eine Rotverschiebungsdrift zu erkennen, müssen wir nicht Jahrzehnte auf das Ergebnis warten.