Das Universum dehnt sich aus. Wenn wir in alle Richtungen blicken, sehen wir ferne Galaxien, die sich von uns entfernen, deren Licht aufgrund der kosmischen Expansion rotverschoben ist. Dies ist seit 1929 bekannt, als Edwin Hubble berechneten die Beziehung zwischen der Entfernung einer Galaxie und ihrer Rotverschiebung. In den späten 1990er Jahren fanden dann zwei Studien entfernter Supernovae heraus, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt. Etwas, etwasdunkle Energie, muss die kosmische Expansion vorantreiben.
Dunkle Energie ist heute Teil des Konkordanzmodells der Kosmologie. Es wird angenommen, dass es etwa 68 % der Materie-Energie im Universum ausmacht. Obwohl es eine Fülle von Daten zur Unterstützung der Dunklen Energie gibt, ist das Modell nicht ohne Probleme. Und sogar neue Forschung deutet darauf hin, dass es möglicherweise nicht existiert . Das ist eine kühne Behauptung, also schauen wir uns die Daten an.
Edwin Hubbles ursprüngliche Beziehung (links) im Vergleich zu einem modernen Maß des Hubble-Parameters (rechts). Credits: Rechts: Robert P. Kirshner; Links: Edwin Hubble.
Die Beziehung zwischen der galaktischen Rotverschiebung und der galaktischen Distanz ist heute als Hubble-Konstante oder allgemeiner als Hubble-Parameter bekannt. Indem wir den Hubble-Parameter bestimmen und die Dichte der Materie im Universum messen, können wir bestimmen, wie viel dunkle Energie im Universum vorhanden ist. Die Rotverschiebung einer Galaxie ist ziemlich einfach zu bestimmen, aber die Entfernung zu messen ist schwierig.
Hubble bestimmte die Entfernung durch die Beobachtung von Cepheiden-Variablen, die eine starke Periode-Leuchtkraft-Beziehung aufweisen. Diese Beziehung wurde von Henrietta Leavitt entdeckt, die mehr als 1700 Cepheiden-Variablen untersuchte. Wenn Sie die Periode einer Cepheiden-Variablen messen, kennen Sie ihre absolute Größe (reale Helligkeit). Vergleichen Sie dies mit seiner scheinbaren Helligkeit (scheinbare Helligkeit) und Sie kennen die Entfernung des Sterns.
Diese Methode funktioniert nur für Cepheiden in Galaxien, die weniger als 20 Millionen Lichtjahre entfernt sind. Bei wirklich weit entfernten Galaxien beobachten Astronomen eine Art Supernova, die als Typ Ia bekannt ist. Diese treten auf, wenn ein Weißer Zwerg explodiert, und ihre absoluten Größen sind ziemlich ähnlich. Genauso wie Cepheiden zur Entfernungsberechnung verwendet werden können, können dies auch Supernovae. Aber Supernovae sind so hell, dass sie verwendet werden können, um die Entfernung von Galaxien in Milliarden von Lichtjahren zu messen. Der erste Beweis für dunkle Energie wurde durch Beobachtungen weit entfernter Supernovae vom Typ Ia gefunden.
Wie eine Supernova vom Typ Ia entsteht. Bildnachweis: NASA, ESA und A. Feild (STScI)
Eine der grundlegenden Annahmen von Typ-Ia-Supernovae ist, dass ihre maximale Helligkeit immer ungefähr gleich ist, egal wo sie im Universum auftreten. Dies ist sinnvoll, da Weiße Zwerge eine absolute maximale Masse haben, die als Chandrasekhar-Limit (ca. 1,4 Sonnenmassen) bekannt ist. Die Supernovae explodieren also alle mit ungefähr der gleichen Masse-Energie, also der gleichen Helligkeit. Dies wurde durch die Beobachtung von Supernovae bestätigt, die näher als 20 Millionen Lichtjahre auftreten.
Als weitere Studien durchgeführt wurden, stellte sich heraus, dass nicht alle Supernovae vom Typ Ia gleich sind. Sie können auftreten, wenn ein einzelner weißer Zwerg explodiert, aber sie können auch auftreten, wenn zwei weiße Zwerge verschmelzen. Tatsächlich scheint die Fusionsversion häufiger zu sein, und bei diesen kann die Masse größer sein als das Chandrasekhar-Limit. Es gibt auch eine Variante namens Typ Iax, bei der der Weiße Zwerg nicht vollständig explodiert. Beide unterscheiden sich in der Helligkeit von der Standardversion, was Ihre Entfernungsmessung beeinträchtigen könnte.
Lichtkurven von Typ-Ia-Supernovae. Credits: Hamuy et al. 1994, Kim 2004
Dies macht Entfernungsmessungen zwar komplizierter, ist aber etwas, das Astronomen kompensieren können. Es gibt feine Unterschiede in der Art und Weise, wie diese Supernovae heller und dunkler werden (bekannt als ihre Lichtkurve) und daher können sie im Allgemeinen unterschieden werden. Aber die Gesetze der Physik sind überall im Kosmos gleich. Solange wir also die richtigen Supernovae auswählen und einige Faktoren berücksichtigen, sollten unsere Entfernungsmessungen gut sein.
Dachten wir zumindest.
Eine neue Studie wirft Zweifel an unserer Annahme über Supernovae vom Typ Ia auf. Über neun Jahre lang machte das Team detaillierte spektrographische Beobachtungen aller nahegelegenen Galaxien, in denen Supernovae auftraten. Daraus berechneten sie das Alter dieser Galaxien. Sie betrachteten auch die Lichtkurven der Supernovae, die in diesen Galaxien auftraten. Da diese Galaxien alle im Bereich der Cepheiden-Variablen liegen, kannte das Team die Entfernungen, ohne Annahmen über Supernovae zu machen.
Mit all diesen Daten untersuchten sie dann, ob die Lichtkurve einer Supernova vom Gesamtalter der Sterne in der Wirtsgalaxie abhängt. Sie fanden eine starke Beziehung. Mit anderen Worten, die Helligkeit von Supernovae entwickelt sich im Laufe der Zeit, und die Annahme, dass sie alle ungefähr gleich sind, trifft nicht ganz zu.
Ein Vergleich der Supernova-Evolution mit der kosmischen Expansion. Quelle: Kang, Yijung et al.
Das ist wichtig. Wenn wir entfernte Galaxien betrachten, sehen wir aufgrund der Lichtgeschwindigkeit jüngere Galaxien. Es dauert Milliarden von Jahren, bis ihr Licht uns erreicht. Wenn die Supernova-Evolution wahr ist, dann wirft sie alle unsere Entfernungsmessungen ab. Unsere Messungen der kosmischen Beschleunigung und der dunklen Energie könnten falsch sein. Als das Team sein Evolutionsmodell mit dem Beschleunigungsmodell verglich, stellte es tatsächlich fest, dass es das gleiche Ergebnis lieferte. Ihr Evolutionsmodell macht dunkle Energie überflüssig. Was wie ein sich beschleunigendes Universum aussieht, könnte auf die Entwicklung von Supernovae zurückzuführen sein. Wenn sie Recht haben, existiert möglicherweise keine dunkle Energie.
Dies ist ein überraschendes und wichtiges Ergebnis, aber wir sollten keine voreiligen Schlüsse ziehen. Während die Beweise für die Entwicklung von Supernovae ziemlich eindeutig sind, gibt es derzeit nur Daten für nahe Galaxien. Um die dunkle Energie zu eliminieren, hat das Teamvermutetihr Modell kann auf große Entfernungen ausgedehnt werden. Das aktuelle Modellgeht davon ausSupernovae entwickeln sich nicht über große Entfernungen. Es gibt auch andere Beweise für dunkle Energie aus Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und der Art und Weise, wie sich Galaxien in großen Maßstäben anhäufen. Es gibt immer noch viele Beweise für dunkle Energie.
Aber diese neue Forschung könnte helfen, ein weiteres Rätsel zu lösen, das als Hubble-Spannung bekannt ist. Grundsätzlich sind wir uns nicht ganz sicher, was die Hubble-Konstante ist. Methoden wie der kosmische Hintergrund ergeben einen Wert von etwa 67 (km/s)/Mpc, während Supernova-Messungen einen Wert von etwa 73 (km/s)/Mpc ergeben. Früher waren die Unsicherheiten so groß, dass dieser Unterschied keine Rolle spielte, aber jetzt sind die Unsicherheiten so klein, dass verschiedene Methoden nicht übereinstimmen. Diese Entwicklung von Supernovae eliminiert möglicherweise die Dunkle Energie nicht, aber sie könnte helfen, die Spannungen in den Hubble-Ergebnissen zu lösen.
Auf jeden Fall ist dieses Ergebnis spannend.
Quelle:Kang, Yijung et al.“ Frühtyp-Wirtsgalaxien von Typ-Ia-Supernovae. II. Beweise für die Leuchtkraftentwicklung in der Supernova-Kosmologie . '
