Gravitationslinse bestätigt die Hubble-Spannung

Wir wissen schon seit langem, dass sich das Universum ausdehnt. Die erste solide Arbeit zum Nachweis der kosmischen Expansion wurde 1929 von Edwin Hubble veröffentlicht und basiert auf Beobachtungen von Vesto Slipher, Milton Humason und Henrietta Leavitt.

Aus diesem Grund wird die Geschwindigkeit der kosmischen Expansion als Hubble-Konstante oder Hubble-Parameter H0 bezeichnet. Anhand dieses Parameters können Sie beispielsweise das Alter des Universums seit dem Urknall berechnen. Daher ist die Kenntnis des H0-Werts für unser Verständnis der modernen Kosmologie von zentraler Bedeutung.

Der gemessene Wert des Hubble-Parameters schwankte schon früh stark. Hubbles Anfangswert lag in der Größenordnung von 500 (km/s)/Mpc. In den 1960er Jahren pendelte sich der Wert auf 50 bis 90 (km/s)/Mpc ein, wo er für den größten Teil des 20. Jahrhunderts blieb. Es war schwierig, eine genauere Aussage zu treffen, da unsere Berechnungsmethoden begrenzt waren.

Alle diese Methoden basierten auf der kosmischen Distanzleiter, die eine Reihe von Beobachtungen nutzt, um immer größere kosmische Entfernungen zu berechnen, wobei jede auf der vorherigen Methode aufbaut. Aber in den letzten Jahrzehnten sind wir ziemlich gut darin geworden, und der Hubble-Wert schien sich bei etwa 70 (km/s)/Mpc einzupendeln. Danach wurde es … problematisch.

Mit Satelliten wie WMAP und Planck haben wir begonnen, hochauflösende Karten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds zu erhalten. Aus Schwankungen in diesem Hintergrund haben wir eine neue Möglichkeit, H0 zu messen und einen Wert von 67–68 (km/s)/Mpc zu erhalten. Gleichzeitig legen Beobachtungen entfernter Supernovae und die kosmische Distanzleiter den Wert auf 73–75 (km/s)/Mpc fest.

Beide Methoden sind recht präzise und doch völlig unterschiedlich. Diese Meinungsverschiedenheit ist heute als Hubble-Spannungsproblem bekannt und das lästigste Rätsel der Kosmologie.

Wir sind nicht sicher, was die Hubble-Spannung verursacht. Es könnte bedeuten, dass eine oder mehrere unserer Beobachtungsmethoden grundlegend fehlerhaft sind, oder es könnte bedeuten, dass es etwas mit der Dunklen Energie und der kosmischen Expansion gibt, das wir wirklich nicht verstehen.

Aber Astronomen sind sich im Allgemeinen einig, dass eine Möglichkeit, dieses Rätsel zu lösen, darin besteht, nach Möglichkeiten zur Messung von H0 zu suchen, die sowohl vom kosmischen Hintergrund als auch von der kosmischen Entfernungsleiter unabhängig sind. Eine dieser Methoden ist der Gravitationslinseneffekt.

Gravitationslinsen entstehen, weil die Schwerkraft den Raum verzerrt, was bedeutet, dass der Weg des Lichts durch die Anwesenheit einer großen Masse abgelenkt werden kann. Wenn sich beispielsweise aus unserer Sicht eine entfernte Galaxie hinter einer näheren Galaxie befindet, sehen wir eine gravitativ verzerrte Ansicht der entfernten Galaxie oder sogar mehrere Bilder der Galaxie.

Das Interessante am Mehrfachbildeffekt ist, dass das Licht jedes Bildes einen anderen Weg um die nähere Galaxie zurücklegt, jedes mit einer anderen Entfernung. Da die Lichtgeschwindigkeit endlich ist, bedeutet dies, dass uns jedes Bild einen Blick auf die Galaxie zu verschiedenen Zeitpunkten in der Geschichte gibt.

Für Galaxien spielt das keine große Rolle, aber für Supernovae bedeutet es, dass wir durch den Gravitationslinseneffekt dieselbe Supernova mehrmals beobachten können. Indem wir den Pfad jedes Supernova-Bildes berechnen, können wir die relative Entfernung jedes Pfades bestimmen, und indem wir das Erscheinen jedes Bildes zeitlich festlegen, können wir die tatsächliche Entfernung bestimmen. Dies gibt uns eine Messung, die unabhängig von der kosmischen Distanzleiter ist, und eröffnet uns eine neue Möglichkeit, den Hubble-Parameter zu messen.

Diese Methode wurde einige Male verwendet, aber die Unsicherheiten ihrer Hubble-Werte waren nicht klein genug, um die Hubble-Spannung zu berücksichtigen. Eine neue Studie mit dieser Methode ist jedoch präzise genug. Die Arbeit ist veröffentlicht auf der arXiv Preprint-Server.

Die Studie basiert auf JWST-Bildern einer Supernova vom Typ Ia namens SN H0pe. Es handelt sich um eine der am weitesten entfernten Supernovae, die jemals beobachtet wurde, und dank des weniger entfernten Galaxienhaufens G165 konnte das Team drei Linsenbilder von SN H0pe aufnehmen. Mit ihrem Timing, der beobachteten Helligkeit und den berechneten Pfaden berechnete das Team einen H0-Wert von 70–83 (km/s)/Mpc. Dies hat immer noch eine höhere Unsicherheit als andere Methoden, stimmt aber mit der üblichen Distanzleitermethode überein. Es widerspricht auch eindeutig der Methode des kosmischen Mikrowellenhintergrunds.

Trotz H0pe ist die Hubble-Spannung sehr real. Wenn überhaupt, macht dieses neue Ergebnis das Problem noch problematischer. Es gibt etwas an der kosmischen Expansion, das wir nicht verstehen, und es ist jetzt klar, dass bessere Beobachtungen dieses Rätsel allein nicht lösen können.