Kosmologen hatten Mühe, eine scheinbare Spannung in ihren Messungen der heutigen Expansionsrate des Universums zu verstehen, die als Hubble-Konstante bekannt ist. Beobachtungen des frühen Kosmos – meistens der kosmische Mikrowellenhintergrund – weisen auf eine deutlich niedrigere Hubble-Konstante hin als der Wert, der durch Beobachtungen des späten Universums, hauptsächlich von Supernovae, erhalten wurde. Ein Team von Astronomen hat die Daten untersucht, um herauszufinden, dass ein möglicher Weg, diese Spannung zu lindern, darin besteht, der Hubble-Konstante eine paradoxe Entwicklung mit der Zeit zu ermöglichen. Dieses Ergebnis könnte entweder auf eine neue Physik hinweisen ... oder nur auf ein Missverständnis der Daten.
„Der Punkt ist, dass es eine Spannung zwischen den größeren Werten für späte Universumsbeobachtungen und niedrigeren Werten für frühe Universumsbeobachtungen zu geben scheint“, sagte Enrico Rinaldi, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Department of Physics der University of Michigan und Mitautor der Studie. „Die Frage, die wir in diesem Artikel gestellt haben, lautet: Was ist, wenn die Hubble-Konstante nicht konstant ist? Was ist, wenn es sich tatsächlich ändert?“
Etwas ist faul im Zustand des Universums
Kosmologen verwenden eine Vielzahl von Sonden und Beobachtungen, um die grundlegenden Eigenschaften unseres Universums zu bestimmen. Sie versuchen, sein Alter, seinen Inhalt, seine Expansionsrate und mehr zu messen. Nach fast einem Jahrhundert intensiver Untersuchung haben diese Kosmologen ein kohärentes, konsistentes Modell des Universums entwickelt. Kurz gesagt, unser Kosmos ist etwa 13,77 Milliarden Jahre alt, dehnt sich ständig aus und besteht hauptsächlich aus dunkler Energie und Dunkle Materie – mit normaler Materie wie Sternen und Planeten und Gaswolken, die eine hell erleuchtete Minderheit der Bestandteile des Universums bilden.
Abgesehen von den gigantischen Mysterien der wahren Natur der Dunklen Energie und Dunklen Materie sind Kosmologen in den letzten Jahren auf ein weiteres frustrierendes Rätsel gestoßen: verschiedene Sonden Uneinigkeit über die heutige Expansionsrate , bekannt als Hubble-Konstante.
Messungen des jungen Universums, wie der kosmische Mikrowellenhintergrund (das nachleuchtende Lichtmuster, das freigesetzt wurde, als das Universum im Alter von 380.000 Jahren aus einem Plasmazustand abkühlte), sagen uns, dass die Hubble-Konstante etwa 68 km/s/s beträgt. Mpc (was bedeutet, dass sich die Expansionsrate des Universums für jede Million Parsec von unserem Aussichtspunkt um 68 Kilometer pro Sekunde erhöht).
Aber lokalere Messungen des späten Universums, wie Beobachtungen von Supernovae, neigen zu einer anderen Antwort: einer Hubble-Konstanten von eher 74 km/s/Mpc.
Bin es
Ein Team von Astronomen unter der Leitung von Maria Dainotti, einer Assistenzprofessorin am National Astronomical Observatory of Japan und der Graduate University for Advanced Studies, SOKENDAI in Japan und einer angegliederten Wissenschaftlerin am U.S. Space Science Institute in diese Diskrepanz gegraben mehr . Die Arbeit wurde im Mai in . veröffentlichtDas Astrophysikalische Journal.
Das Team konzentrierte seine Arbeit auf Typ-1a-Supernovae , die eine besondere Art von Explosion sind, die auftritt, wenn weiße Zwergsterne zu viel Masse von einem Begleitstern ansammeln, was ein außer Kontrolle geratenes Kernfusionsereignis auslöst. Dieses Fusionsereignis hat jedes Mal ungefähr die gleiche Helligkeit, sodass Astronomen diese Supernovae als „Standardkerzen“ verwenden können – da sie wissen, wie hell die Supernovae sein sollten, können sie diese mit ihrer scheinbaren Helligkeit vergleichen und eine Entfernung berechnen . Durch die Kombination vieler solcher Messungen über einen weiten Bereich von Entfernungen können Astronomen die Expansionsgeschichte des Universums berechnen.
Das Team verwendete einen Katalog von über 1.000 Supernova-Beobachtungen und teilte sie in verschiedene Kategorien von Entfernungsbereichen ein, wobei jede Kategorie dieselbe Anzahl von Supernovae repräsentiert. Dann verwendeten sie jedes Bin, um die Hubble-Konstante zu messen. Im kosmologischen Standardbild ändert sich die Expansionsrate des Universums ständig, während sich der Kosmos entwickelt, aber die Hubble-Konstante ist eine feste Zahl – sie ist die Expansionsrate des Universums im Moment.
Jede Supernova-Klasse sollte die gleiche Hubble-Konstante ergeben, aber in ihrer Analyse ließen die Forscher zu, dass die Hubble-Konstante nicht so konstant war – sie berücksichtigten die Möglichkeit, dass sie sich mit der Zeit ändern könnte. Durch die Verwendung verschiedener Bins konnten sie testen, ob die Hubble-Konstante über die verschiedenen Bins hinweg konstant blieb oder tatsächlich variierte.
„Wenn es eine Konstante ist, sollte es nicht anders sein, wenn wir es aus Behältern mit unterschiedlichen Abständen extrahieren. Aber unser Hauptergebnis ist, dass es sich tatsächlich mit der Entfernung ändert“, sagte Rinaldi. „Die Spannung der Hubble-Konstante kann durch eine gewisse intrinsische Abhängigkeit dieser Konstanten von der Entfernung der verwendeten Objekte erklärt werden.“
Nicht sehr konstant
Letztendlich fanden die Astronomen in der Studie heraus, dass sie fast die gesamte Spannung zwischen den Supernovae und den kosmischen Mikrowellen-Hintergrundmessungen abbauen könnten, indem sie den kosmologischen Standardmodellen ein wenig Flexibilität hinzufügten – indem sie die Hubble-Konstante sich mit der Zeit ändern ließen. Die Forscher konnten ihre sich entwickelnde Hubble-Konstante auf die Zeit des kosmischen Mikrowellenhintergrunds extrapolieren und mit diesen Ergebnissen abgleichen.
„Die extrahierten Parameter sind immer noch mit dem kosmologischen Standardverständnis kompatibel, das wir haben“, sagte er. „Aber dieses Mal verschieben sie sich nur ein wenig, wenn wir den Abstand ändern, und diese kleine Verschiebung reicht aus, um zu erklären, warum wir diese Spannung haben.“
Die neuen Ergebnisse sind nicht ganz überraschend. Es ist immer möglich, unterschiedliche Beobachtungen in Einklang zu bringen, indem man die Modelle komplexer macht. In diesem Fall fügten die Forscher eine neue Variable hinzu – wie schnell sich die Hubble-Konstante mit der Zeit ändert – und sie konnten einen Weg finden, die frühen und späten Messungen der Hubble-Konstanten zu verbinden. Außerdem fand die Arbeit keine statistisch signifikante Messung dieser variierenden Hubble-Konstante. Obwohl sie die Spannung in kosmologischen Beobachtungen abbauen konnten, konnten sie nicht schlüssig sagen, dass sich die Hubble-Konstante mit der Zeit ändert.
Diese Ergebnisse könnten, wenn sie Bestand haben, Theoretikern einen Weg zur Einführung neuer Physik in das Universum geben, um die konstante Hubble-Spannung zu erklären. Oder es könnte auch bedeuten, dass Supernovae nicht so „Standard“ sind, wie wir denken, und dass sich möglicherweise ein Bias in die Beobachtungen einschleicht, um diese Messungen der Hubble-Konstanten zu verfälschen.
