Gerade als wir glauben, das Universum ziemlich gut zu verstehen, kommen einige Astronomen vorbei alles auf den Kopf stellen. In diesem Fall wurde etwas Wesentliches für alles, was wir wissen und sehen, auf den Kopf gestellt: die Expansionsrate des Universums selbst, auch bekannt als Hubble-Konstante.
Ein Team von Astronomen, das das Hubble-Teleskop verwendet, hat festgestellt, dass die Expansionsrate zwischen fünf und neun Prozent schneller ist als zuvor gemessen. Die Hubble-Konstante ist keine Kuriosität, die bis zu den nächsten Messfortschritten auf Eis gelegt werden kann. Es ist ein wesentlicher Bestandteil der Natur von allem, was existiert.
„Dieser überraschende Befund könnte ein wichtiger Hinweis zum Verständnis dieser mysteriösen Teile des Universums sein, die 95 Prozent von allem ausmachen und kein Licht emittieren, wie zum Beispiel dunkle Energie , Dunkle Materie , und dunkle Strahlung “, sagte Studienleiter und Nobelpreisträger Adam Riess vom Space Telescope Science Institute und der Johns Hopkins University, beide in Baltimore, Maryland.
Aber bevor wir auf die Konsequenzen dieser Studie eingehen, lassen Sie uns ein wenig zurückgehen und uns ansehen, wie die Hubble-Konstante gemessen wird.
Die Expansionsrate des Universums zu messen ist eine knifflige Angelegenheit. Mit dem Bild oben funktioniert es so:
- Innerhalb der Milchstraße wird das Hubble-Teleskop verwendet, um die Entfernung zu zu messen Cepheiden-Variablen , eine Art pulsierender Stern. Dazu wird Parallaxe verwendet, und Parallaxe ist ein grundlegendes Werkzeug der Geometrie, das auch in der Vermessung verwendet wird. Astronomen wissen, was die wahre Helligkeit der Cepheiden ist. Wenn Sie diese mit ihrer scheinbaren Helligkeit von der Erde vergleichen, erhalten Sie eine genaue Messung der Entfernung zwischen dem Stern und uns. Ihre Pulsationsrate verfeinert auch die Entfernungsberechnung. Cepheiden-Variablen werden aus diesem Grund manchmal als „kosmische Maßstäbe“ bezeichnet.
- Dann richten Astronomen ihr Augenmerk auf andere nahe Galaxien, die nicht nur Cepheiden-Variablen enthalten, sondern auch Typ 1a Supernova , ein weiterer wohlverstandener Sterntyp. Diese Supernovae, natürlich explodierende Sterne, sind ein weiterer zuverlässiger Maßstab für Astronomen. Die Entfernung zu diesen Galaxien wird ermittelt, indem man die Cepheiden verwendet, um die wahre Helligkeit der Supernovae zu messen.
- Als nächstes richten Astronomen den Hubble auf noch weiter entfernte Galaxien. Diese sind so weit entfernt, dass keine Cepheiden in diesen Galaxien gesehen werden können. Aber Supernovae vom Typ 1a sind so hell, dass sie selbst aus diesen enormen Entfernungen gesehen werden können. Dann vergleichen Astronomen die wahre und scheinbare Helligkeit der Supernovae, um die Entfernung zu messen, in der die Ausdehnung des Universums zu sehen ist. Das Licht der fernen Supernovae wird durch die Ausdehnung des Weltraums „rotverschoben“ oder gestreckt. Vergleicht man die gemessene Entfernung mit der Rotverschiebung des Lichts, ergibt sich ein Maß für die Expansionsgeschwindigkeit des Universums.
- Atmen Sie tief durch und lesen Sie das alles noch einmal.
Der große Teil von all dem ist, dass wir eine noch genauere Messung der Expansionsrate des Universums haben. Die Messunsicherheit beträgt 2,4 %. Die Herausforderung besteht darin, dass diese Expansionsrate des modernen Universums nicht mit den Messungen aus dem frühen Universum übereinstimmt.
Die Expansionsgeschwindigkeit des frühen Universums ergibt sich aus der Reststrahlung des Urknalls. Wenn dieses kosmische Nachglühen von NASAs gemessen wird Wilkinson Mikrowellen-Anisotropie-Sonde (WMAP) und die der ESA Planck-Satellit , ergibt sich eine geringere Expansionsrate. Die beiden reihen sich also nicht ein. Es ist wie beim Bau einer Brücke, bei der der Bau an beiden Enden beginnt und bis zur Mitte ausgerichtet sein sollte. (Vorbehalt: Ich habe keine Ahnung, ob Brücken so gebaut werden.)
Dieses Bild des Hubble-Teleskops zeigt eine der in der Studie verwendeten Galaxien. Es enthält zwei Arten von Sternen, die verwendet werden, um Entfernungen zwischen Galaxien zu messen. Die roten Kreise sind pulsierende veränderliche Sterne der Cepheiden, und das blaue X ist eine Supernova vom Typ 1a. Bild: NASA, ESA und A. Riess (STScI/JHU)
„Man beginnt an zwei Enden und erwartet, sich in der Mitte zu treffen, wenn alle Ihre Zeichnungen stimmen und Ihre Maße stimmen“, sagte Riess. 'Aber jetzt treffen sich die Enden nicht ganz in der Mitte und wir wollen wissen, warum.'
„Wenn wir die anfänglichen Mengen an Stoffen im Universum kennen, wie dunkle Energie und dunkle Materie, und wir die Physik richtig haben, dann können Sie von einer Messung zu der Zeit kurz nach dem Urknall ausgehen und dieses Verständnis verwenden, um vorherzusagen, wie“ schnell sollte sich das Universum heute ausdehnen“, sagte Riess. „Wenn diese Diskrepanz jedoch bestehen bleibt, scheint es, dass wir nicht das richtige Verständnis haben, und es ändert, wie groß die Hubble-Konstante heute sein sollte.“
Warum nicht alles zusammenpasst, ist der lustige und vielleicht irritierende Teil davon.
Was wir Dunkle Energie nennen, ist die Kraft, die die Expansion des Universums vorantreibt. Wird Dark Energy stärker? Oder wie wäre es mit Dunkler Materie, die den größten Teil der Masse des Universums ausmacht. Wir wissen, dass wir nicht viel darüber wissen. Vielleicht wissen wir sogar noch weniger, und seine Natur verändert sich im Laufe der Zeit.
„Wir wissen so wenig über die dunklen Teile des Universums, dass es wichtig ist zu messen, wie sie über die kosmische Geschichte hinweg auf den Weltraum drücken und ziehen“, sagte Lucas Macri von der Texas A&M University in College Station, ein wichtiger Mitarbeiter der Studie.
Das Team arbeitet noch immer mit Hubble zusammen, um die Unsicherheit bei Messungen der Expansionsrate zu verringern. Instrumente wie die James Webb Weltraumteleskop und der Europäisches extrem großes Teleskop könnte dazu beitragen, die Messung noch weiter zu verfeinern und dieses zwingende Problem anzugehen.