Wie sind wir hierher gekommen? Wohin gehen wir? Und wie lange dauert das? Diese Fragen sind so alt wie die Menschheit selbst, und wenn sie bereits von anderen Spezies anderswo im Universum gestellt wurden, möglicherweise noch viel älter.
Dies sind auch einige der grundlegenden Fragen, die wir in der Erforschung des Universums, der sogenannten Kosmologie, zu beantworten versuchen. Ein kosmologisches Rätsel ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt. Diese wird anhand einer Zahl gemessen, die Hubble-Konstante genannt wird. Und es herrscht ziemlich viel Spannung.
In zwei neuen Arbeiten unter der Leitung meines Kollegen Patrick Kelly von der University of Minnesota haben wir erfolgreich eine neue Technik eingesetzt – die Einbeziehung des Lichts eines explodierenden Sterns, der über mehrere gewundene Routen durch das expandierende Universum zur Erde gelangte –, um die Hubble-Konstante zu messen. Die Beiträge werden veröffentlicht in Wissenschaft Und Das Astrophysikalische Journal.
Und wenn unsere Ergebnisse die Spannung nicht ganz lösen, geben sie uns einen weiteren Hinweis – und weitere Fragen, die wir stellen müssen.
Standardkerzen und das expandierende Universum
Wir wissen seit den 1920er Jahren, dass sich das Universum ausdehnt.
Um 1908 fand die US-Astronomin Henrietta Leavitt eine Möglichkeit, die intrinsische Helligkeit einer Art Stern namens Cepheid-Variable zu messen – nicht wie hell sie von der Erde aus erscheinen, was von der Entfernung und anderen Faktoren abhängt, sondern wie hell sie tatsächlich sind. Cepheiden werden in einem regelmäßigen Zyklus heller und dunkler, und Leavitt zeigte, dass die intrinsische Helligkeit mit der Länge dieses Zyklus zusammenhängt.
Das Gesetz von Leavitt, wie es heute genannt wird, ermöglicht es Wissenschaftlern, Cepheiden als „Standardkerzen“ zu verwenden: Objekte, deren intrinsische Helligkeit bekannt ist und deren Entfernung daher berechnet werden kann.
Wie funktioniert das? Stellen Sie sich vor, es ist Nacht und Sie stehen auf einer langen, dunklen Straße, an der nur wenige Lichtmasten entlangführen. Stellen Sie sich nun vor, dass jeder Lichtmast den gleichen Glühbirnentyp mit der gleichen Leistung hat. Sie werden feststellen, dass die entfernten Objekte schwächer erscheinen als die nahegelegenen.
Wir wissen, dass Licht proportional zu seiner Entfernung schwächer wird, was als Umkehrquadratgesetz für Licht bezeichnet wird. Wenn Sie nun messen können, wie hell Ihnen jedes Licht erscheint, und wenn Sie bereits wissen, wie hell es sein sollte, können Sie herausfinden, wie weit jeder Lichtmast entfernt ist.
Im Jahr 1929 gelang es einem anderen US-Astronomen, Edwin Hubble, eine Reihe dieser Cepheidensterne in anderen Galaxien zu finden und ihre Entfernung zu messen – und anhand dieser Entfernungen und anderer Messungen konnte er feststellen, dass sich das Universum ausdehnte.
Verschiedene Methoden führen zu unterschiedlichen Ergebnissen
Diese Standardkerzenmethode ist leistungsstark und ermöglicht es uns, das riesige Universum zu vermessen. Wir sind immer auf der Suche nach anderen Kerzen, die besser gemessen und aus viel größeren Entfernungen gesehen werden können.
Einige neuere Versuche, das Universum weiter von der Erde entfernt zu vermessen, wie das SH0ES-Projekt, an dem ich beteiligt war und das vom Nobelpreisträger Adam Riess geleitet wurde, haben Cepheiden neben einer Art explodierendem Stern namens Typ-Ia-Supernova verwendet, der auch als Supernova verwendet werden kann Standardkerze.
Es gibt auch andere Methoden zur Messung der Hubble-Konstante, beispielsweise eine, die den kosmischen Mikrowellenhintergrund nutzt – Reliktlicht oder Strahlung, die kurz nach dem Urknall begann, durch das Universum zu wandern.
Das Problem besteht darin, dass sich diese beiden Messungen – eine in der Nähe mithilfe von Supernovae und Cepheiden und eine viel weiter entfernt mithilfe des Mikrowellenhintergrunds – um fast 10 % unterscheiden. Astronomen nennen diesen Unterschied die Hubble-Spannung und haben nach neuen Messtechniken gesucht, um ihn aufzulösen.
Eine neue Methode: Gravitationslinsen
In unserer neuen Arbeit haben wir erfolgreich eine neue Technik eingesetzt, um diese Expansionsrate des Universums zu messen. Die Arbeit basiert auf einer Supernova namens Supernova Refsdal.
Im Jahr 2014 entdeckte unser Team mehrere Bilder derselben Supernova – das erste Mal, dass eine solche „Linsen“-Supernova beobachtet wurde. Anstatt dass das Hubble-Weltraumteleskop eine Supernova sah, sahen wir fünf!
Wie kommt es dazu? Das Licht der Supernova strahlte in alle Richtungen aus, aber es bewegte sich durch den Raum, der durch die enormen Gravitationsfelder eines riesigen Galaxienhaufens verzerrt wurde, die einen Teil des Lichtpfads so verbogen, dass es schließlich über mehrere Wege zur Erde gelangte . Jede Erscheinung der Supernova hatte uns auf einem anderen Weg durch das Universum erreicht.
Stellen Sie sich vor, dass drei Züge gleichzeitig denselben Bahnhof verlassen. Der eine geht jedoch direkt zur nächsten Station, der andere macht eine weite Fahrt durch die Berge und ein anderer über die Küste. Sie fahren alle an den gleichen Bahnhöfen ab und kommen dort an, nehmen aber unterschiedliche Fahrten in Anspruch, sodass sie zwar zur gleichen Zeit abfahren, aber zu unterschiedlichen Zeiten ankommen.
Unsere Linsenbilder zeigen also dieselbe Supernova, die zu einem bestimmten Zeitpunkt explodierte, aber jedes Bild hat einen anderen Weg zurückgelegt. Indem wir uns die Ankunft jeder Supernova-Erscheinung auf der Erde ansahen – eine davon ereignete sich im Jahr 2015, nachdem der explodierende Stern bereits gesichtet worden war –, konnten wir ihre Reisezeit messen und damit, wie stark das Universum während der Aufnahme gewachsen war war unterwegs.
Sind wir schon da?
Dadurch erhielten wir eine andere, aber einzigartige Messung des Wachstums des Universums. In den Veröffentlichungen stellen wir fest, dass diese Messung näher an der Messung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds liegt als an der nahegelegenen Cepheid- und Supernova-Messung. Aufgrund seines Standorts sollte es jedoch näher an der Cepheid- und Supernova-Messung liegen.
Auch wenn die Debatte damit keineswegs entschieden ist, gibt es uns doch einen weiteren Hinweis, den wir uns ansehen sollten. Es könnte ein Problem mit dem Supernova-Wert oder unserem Verständnis von Galaxienhaufen und den auf die Linsenwirkung anzuwendenden Modellen oder etwas ganz anderem vorliegen.
So wie die Kinder auf dem Rücksitz des Autos auf einem Roadtrip fragen: „Sind wir schon da?“, wissen wir es immer noch nicht.
Dieser Artikel wurde erneut veröffentlicht von Die Unterhaltung unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das originaler Artikel.