Der Name „dunkle Energie“ ist nur ein Platzhalter für die Kraft – was immer es ist – die das Universum ausdehnt. Aber Astronomen kommen dem Verständnis dieser Kraft vielleicht näher. Neue Beobachtungen mehrerer veränderlicher Cepheiden-Sterne durch das Hubble-Weltraumteleskop haben die Messung der gegenwärtigen Expansionsrate des Universums auf eine Genauigkeit verfeinert, bei der der Fehler kleiner als fünf Prozent ist. Der neue Wert für die Expansionsrate, bekannt als Hubble-Konstante oder H0 (nach Edwin Hubble, der vor fast einem Jahrhundert zum ersten Mal die Expansion des Universums maß), beträgt 74,2 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec (Fehlerspanne von ± 3,6). Die Ergebnisse stimmen gut mit einer früheren Hubble-Messung von 72 ± 8 km/s/Megaparsec überein, sind aber jetzt mehr als doppelt so genau.
Die Hubble-Messung, die vom SHOES-Team (Supernova H0 for the Equation of State) durchgeführt und von Adam Riess vom Space Telescope Science Institute und der Johns Hopkins University geleitet wird, verwendet eine Reihe von Verfeinerungen, um den Bau eines kosmischen „Entfernungsleiter“, eine Milliarde Lichtjahre lang, die Astronomen verwenden, um die Expansionsrate des Universums zu bestimmen.
Hubble-Beobachtungen der pulsierenden Cepheiden-Variablen in einem nahegelegenen kosmischen Meilenmarker, der Galaxie NGC 4258, und in den Wirtsgalaxien neuerer Supernovae verbinden diese Entfernungsindikatoren direkt. Die Verwendung von Hubble zur Überbrückung dieser Sprossen in der Leiter eliminierte die systematischen Fehler, die fast unvermeidlich durch den Vergleich von Messungen von verschiedenen Teleskopen eingeführt werden.
Schritte zur Hubble-Konstante. Bildnachweis: NASA, ESA und A. Feild (STScI)
Riess erklärt die neue Technik: „Es ist, als würde man ein Gebäude mit einem langen Maßband vermessen, anstatt einen Meterstab übereinander zu bewegen. Sie vermeiden es, die kleinen Fehler zu verstärken, die Sie jedes Mal machen, wenn Sie den Maßstab bewegen. Je höher das Gebäude, desto größer der Fehler.“
Lucas Macri, Professor für Physik und Astronomie an der Texas A&M und maßgeblich an den Ergebnissen beteiligt, sagte: „Cepheiden sind das Rückgrat der Distanzleiter, weil ihre leicht zu beobachtenden Pulsationsperioden direkt mit ihrer Leuchtkraft korrelieren. Eine weitere Verfeinerung unserer Leiter ist die Tatsache, dass wir die Cepheiden im nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums beobachtet haben, wo diese variablen Sterne bessere Entfernungsindikatoren sind als bei optischen Wellenlängen.“
Dieser neue, genauere Wert der Hubble-Konstante wurde verwendet, um die Eigenschaften der dunklen Energie zu testen und einzuschränken, der Energieform, die im Weltraum eine abstoßende Kraft erzeugt, die die Expansionsrate des Universums beschleunigt.
Durch die Einklammerung der Expansionsgeschichte des Universums zwischen heute und dem Alter des Universums von nur etwa 380.000 Jahren konnten die Astronomen der Natur der dunklen Energie, die die Expansion beschleunigt, Grenzen setzen. (Die Messung für das ferne, frühe Universum wird aus Fluktuationen im kosmischen Mikrowellenhintergrund abgeleitet, wie sie 2003 von der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) der NASA aufgelöst wurden.)
Ihr Ergebnis stimmt mit der einfachsten Interpretation der Dunklen Energie überein: dass sie mathematisch äquivalent zu Albert Einsteins Hypothese ist kosmologische Konstante , das vor einem Jahrhundert eingeführt wurde, um auf das Gewebe des Weltraums zu drücken und zu verhindern, dass das Universum unter der Anziehungskraft der Schwerkraft zusammenbricht. (Einstein entfernte jedoch die Konstante, als Edwin Hubble die Expansion des Universums entdeckte.)
Detail aus NGC 3021. Credit: NASA, ESA und A. Riess (STScI/JHU)
„Würde man alle möglichen Unterschiede der Dunklen Energie von der kosmologischen Konstante in eine Kiste packen, wäre diese Kiste jetzt dreimal kleiner“, sagt Riess. 'Das ist ein Fortschritt, aber wir haben noch einen langen Weg vor uns, um die Natur der dunklen Energie zu bestimmen.'
Obwohl die kosmologische Konstante schon vor langer Zeit erdacht wurde, gab es erst vor 11 Jahren Beobachtungen für dunkle Energie, als zwei Studien, eine von Riess und Brian Schmidt vom Mount Stromlo Observatory und die andere von Saul Perlmutter von Lawrence Berkeley National Laboratory, entdeckte unabhängig voneinander dunkle Energie, teilweise mit Hubble-Beobachtungen. Seitdem verfolgen Astronomen Beobachtungen, um dunkle Energie besser zu charakterisieren.
Riess' Ansatz, alternative Erklärungen für dunkle Energie einzugrenzen – sei es eine statische kosmologische Konstante oder ein dynamisches Feld (wie die abstoßende Kraft, die die Inflation nach dem Urknall trieb) – besteht darin, die Messungen der Expansionsgeschichte des Universums weiter zu verfeinern.
Vor der Einführung von Hubble im Jahr 1990 variierten die Schätzungen der Hubble-Konstanten um den Faktor zwei. In den späten 1990er Jahren verfeinerte das Hubble Space Telescope Key Project on the Extragalactic Distance Scale den Wert der Hubble-Konstante auf einen Fehler von nur etwa zehn Prozent. Dies wurde erreicht, indem Cepheid-Variablen bei optischen Wellenlängen aus größeren Entfernungen als bisher erhalten und mit ähnlichen Messungen von bodengestützten Teleskopen verglichen wurden.
Das SHOES-Team nutzte Hubbles Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS) und die Advanced Camera for Surveys (ACS), um 240 variable Cepheidensterne in sieben Galaxien zu beobachten. Eine dieser Galaxien war NGC 4258, deren Entfernung durch Beobachtungen mit Radioteleskopen sehr genau bestimmt wurde. Die anderen sechs Galaxien beherbergten kürzlich Supernovae vom Typ Ia, die zuverlässige Entfernungsindikatoren für noch weiter entfernte Messungen im Universum sind. Supernovae vom Typ Ia explodieren alle mit fast der gleichen Energiemenge und haben daher fast die gleiche Eigenhelligkeit.
Durch die Beobachtung von Cepheiden mit sehr ähnlichen Eigenschaften bei Wellenlängen im nahen Infrarot in allen sieben Galaxien und unter Verwendung desselben Teleskops und Instruments war das Team in der Lage, die Leuchtkraft von Supernovae genauer zu kalibrieren. Mit den leistungsstarken Fähigkeiten von Hubble war das Team in der Lage, einige der wackeligsten Sprossen auf der vorherigen Distanzleiter zu umgehen, die Unsicherheiten im Verhalten von Cepheiden beinhalteten.
Riess möchte schließlich, dass die Hubble-Konstante auf einen Wert mit einem Fehler von nicht mehr als einem Prozent verfeinert wird, um den Lösungen für dunkle Energie noch strengere Grenzen zu setzen.