Astronomen wissen seit einem Jahrhundert, dass sich das Universum ausdehnt. Wir können diese Expansion nun über einen Großteil ihrer fast 14 Milliarden Jahre alten Geschichte verfolgen, wobei wichtige Einschränkungen bis nur eine Sekunde nach dem Urknall zurückreichen! Die Expansionsrate ist heute als Hubble-Konstante (H0) bekannt.
Wir können H0 mithilfe von Beobachtungen zu frühen oder späten Zeiten in der kosmischen Geschichte finden, diese liefern jedoch unterschiedliche Antworten. Diese Diskrepanz ist als „Hubble-Spannung“ bekannt, eine echte Krise für die Kosmologie.
Der frühe Weg zu H0 beinhaltet den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB), Licht, das vom Urknall übrig geblieben ist. Unabhängig von der Richtung, in die wir blicken, ist es nahezu einheitlich, es gibt jedoch Schwankungen im CMB von 0,001 %, und diese weisen ein charakteristisches Muster auf. So wie eine Gitarrensaite aufgrund ihrer Länge nur bei bestimmten Frequenzen Töne erzeugt, gilt das Gleiche auch für die CMB.
Indem wir messen, welche Winkel am CMB-Himmel mehr und welche weniger „Rauschen“ aufweisen, können wir im Wesentlichen auf das frühe Universum hören und seine Größe ermitteln, als das CMB emittiert wurde.
Eine detaillierte Modellierung dieser Informationen mithilfe des Standardmodells der Kosmologie, bekannt als Lambda-Cold Dark Matter (ΛCDM), zeigt, dass eine gute Anpassung nur für einen präzisen Satz kosmologischer Parameter möglich ist, zu denen unter anderem H0 und die Dichten von Materie und dunkler Energie gehören andere Dinge.
Diese klare Vorhersage für die gegenwärtige Expansionsrate kann im nahen Universum überprüft werden. Je weiter wir wegschauen, desto länger ist das Licht unterwegs und desto mehr hat sich das Universum in dieser Zeit ausgedehnt.
Durch diese Ausdehnung werden auch einzelne Photonen gedehnt, wodurch weiter entfernte Galaxien und Supernovae röter erscheinen. Wenn wir diese „Rotverschiebung“ in einem „Hubble-Diagramm“ gegen die Entfernung zur Supernova auftragen, erhalten wir eine nahezu lineare Beziehung, die als Hubble-Gesetz bekannt ist. Seine Steigung verrät uns H0.
Dieser Ansatz liefert durchweg H0-Werte, die etwa 8 % höher sind als die auf dem CMB basierenden, aber die Fehlerquote liegt unter 2 % – daher die Hubble-Spannung.
Die lokale Messung geht davon aus, dass die kosmische Expansion der einzige wichtige Beitrag zur Rotverschiebung ist. Dies gilt nicht für die meisten nahen Galaxien: Andromeda weist eine Blauverschiebung auf, weil sie sich dank ihrer gegenseitigen Schwerkraft der Milchstraße nähert, selbst wenn sich das Universum in größeren Maßstäben ausdehnt.
Um den Einfluss der lokalen Struktur zu minimieren, berücksichtigen Astronomen bei der Messung von H0 normalerweise keine Supernovae innerhalb von etwa 300 Millionen Lichtjahren. Da sich aber die Expansionsrate im Laufe der Zeit verändert hat und dadurch das Verhältnis zwischen Rotverschiebung und Entfernung verändert wird, überschreiten sie auch nicht die Grenze von 2 Milliarden Lichtjahren. Dies lässt ein „Fenster“ übrig, in dem H0 aus dem Hubble-Diagramm gemessen werden kann.
Wie eine lokale Lücke helfen kann
Aber wie sauber ist dieses Fenster? Vielleicht nicht so sauber, wie allgemein angenommen wird. Beobachtungen im gesamten elektromagnetischen Spektrum deuten stark darauf hin, dass wir uns in der Nähe des Zentrums einer großen Region mit einer unterdurchschnittlichen Dichte befinden. Dieser kosmische Hohlraum ist als KBC-Hohlraum bekannt, nach seinen Entdeckern, die Galaxienzahlen zählten.
Materie würde aus dem KBC-Hohlraum in Richtung der dichteren Umgebung fließen. Dies würde zusätzlich zur kosmischen Expansion zusätzliche „eigentümliche“ Geschwindigkeiten erzeugen. Diese besonderen Geschwindigkeiten würden größtenteils von uns weg zeigen und eine zusätzliche Rotverschiebung erzeugen, die die lokale H0-Messung verstärkt.
Die überschüssige Rotverschiebung würde zunächst mit zunehmender Entfernung ansteigen, bevor sie jenseits der Leere wieder abfällt. Wir haben in einer Arbeit aus dem Jahr 2020 gezeigt, dass dies die Hubble-Spannung lösen und die Anzahl der Galaxien erklären könnte, vorausgesetzt, unser Teil des Universums ist etwa 20 % weniger dicht als der Durchschnitt bis zu einer Milliarde Lichtjahre von uns entfernt.
Ein so großes und tiefes Supervoid ist in der Standardtheorie unerwartet. Es gibt jedoch mehrere Hinweise darauf, dass Strukturen schneller wachsen als vorhergesagt, von riesigen Bögen und Ringen aus Gaswolken bis hin zu Kollisionen von Galaxienhaufen wie El Gordo, die für ihre Zeit zu massiv sind.
In unseren Modellen mussten wir die Schwerkraft künstlich erhöhen, um den KBC-Hohlraum zu bilden. Wir gehen davon aus, dass sich diese Änderung nur auf Längenskalen jenseits von etwa zehn Millionen Lichtjahren auswirken würde, wo die Stärke der Schwerkraft schwer zu testen ist.
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Testen des lokalen Hohlraummodells
In einem aktuellen Studiehaben wir die Local-Void-Idee weiter getestet. Mithilfe unseres zuvor veröffentlichten lokalen Hohlraummodells haben wir das Geschwindigkeitsfeld berechnet, das es im nahen Universum vorhersagt. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
Dies hängt davon ab, wo genau wir uns innerhalb der Leere befinden. Durch die Wahl eines geeigneten Aussichtspunkts haben wir herausgefunden, dass es möglich ist, eine gute Anpassung an den „Massenfluss“ zu erreichen, die durchschnittliche Geschwindigkeit der gesamten Materie innerhalb einer Kugel mit einem festen Radius. Es gibt einige technische Details, da Astronomen nur Zugriff auf Geschwindigkeiten entlang der Sichtlinie haben, aber der wichtigste Punkt ist, dass der Massenstrom ohne jede Annahme auf H0 gemessen werden kann.
Der Massenfluss hängt von der Größe der betrachteten Region ab, wobei mittlerweile Ergebnisse für einen Bereich von knapp über einer Milliarde Lichtjahren vorliegen. Unser Modell passt gut zu diesen Beobachtungen. Der beobachtete Massenfluss bei den größten Radien ist jedoch viermal so hoch wie die ΛCDM-Erwartung.
Wir arbeiten an mehreren anderen Tests. Eine davon nutzt akustische Baryonenoszillationen (BAOs) als „Standardlineal“. Die im CMB erkennbaren Schwingungen prägten sich in die Verteilung der Materie auf großen Skalen ein und führten zu einer charakteristischen Längenskala, die bei Galaxiendurchmusterungen erkennbar ist. Diese Länge wächst nur aufgrund der universellen Ausdehnung.
Indem wir die Winkelskala dieses Standardlineals zu verschiedenen Zeitpunkten messen, können wir den Expansionsverlauf aufzeichnen. Im lokalen Universum sollte eine leichte Abweichung von einer leerenfreien Kosmologie erkennbar sein, da der Ausfluss aus der Leere die Rotverschiebung erhöht und die Beziehung zwischen Rotverschiebung und der BAO-Winkelskala verzerrt. BAO-Messungen der letzten zwanzig Jahre zeigen genau diese Art von Abweichung.
ΛCDM kann die Hubble-Spannung nicht lösen oder einen so großen und tiefen Hohlraum wie den beobachteten erklären. Vielleicht müssen Kosmologen aus dem Loch der Hubble-Spannung herauskommen, indem sie sich genau an die richtige Stelle in einem echten Loch begeben.
Diese Geschichte ist Teil von Science X-Dialogwo Forscher Ergebnisse aus ihren veröffentlichten Forschungsartikeln melden können. Besuchen Sie diese Seite Weitere Informationen zum Science X Dialog und zur Teilnahme finden Sie hier.
Weitere Informationen:
Sergij Mazurenko et al, Eine gleichzeitige Lösung der Hubble-Spannung und beobachteter Massenfluss innerhalb von 250 h−1 Mpc, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society (2023). DOI: 10.1093/mnras/stad3357
Ich habe einen Ph.D. Er promovierte an der University of Saint Andrews und absolvierte hier ein Postdoktorat sowie ein dreijähriges Humboldt-Stipendium in Bonn. Ich arbeite seit 2019 an der Möglichkeit, dass wir uns in einer Leere mit einem Radius von einer Milliarde Lichtjahren befinden, motiviert durch Beobachtungen, die die Leere im gesamten elektromagnetischen Spektrum zeigen und die Möglichkeit, dass die Leere die Hubble-Spannung löst.
Ich arbeite jetzt am Institut für Kosmologie und Gravitation der Universität Portsmouth mit meinem Chef Harry Desmond daran, diese Idee zusammen mit anderen Forschern auf der ganzen Welt zu testen.