Präzise neue Messungen von Hubble bestätigen die beschleunigte Expansion des Universums. Immer noch keine Ahnung, warum es passiert

In den 1920er Jahren machte Edwin Hubble die bahnbrechende Enthüllung, dass sich das Universum in einem Zustand der Expansion befand. Ursprünglich vorhergesagt als Folge von Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie , diese Bestätigung führte zu dem, was bekannt wurde als Hubbles Konstante . In den gesicherten Jahrzehnten und dank des Einsatzes von Teleskopen der nächsten Generation – wie dem treffend benannten Hubble-Weltraumteleskop (HST) – Wissenschaftler waren gezwungen, dieses Gesetz zu revidieren.

Kurz gesagt, die Fähigkeit, weiter in den Weltraum (und tiefer in die Zeit) zu sehen, hat es Astronomen in den letzten Jahrzehnten ermöglicht, genauere Messungen darüber durchzuführen, wie schnell sich das frühe Universum ausdehnte. Und danke an a neue Umfrage Mit Hubble ist es einem internationalen Team von Astronomen gelungen, die bisher genauesten Messungen der Expansionsrate des Universums durchzuführen.

Diese Umfrage wurde von der Supernova H0 für die Zustandsgleichung (SH0ES)-Team, einer internationalen Gruppe von Astronomen, die seit 2005 bestrebt ist, die Genauigkeit der Hubble-Konstante zu verfeinern. Die Gruppe wird von Adam Reiss vom Institut für Weltraumteleskop-Wissenschaft (STScI) und Johns Hopkins Universität , und umfasst Mitglieder aus der Amerikanisches Museum für Naturgeschichte , das Neils-Bohr-Institut , das Nationales Observatorium für optische Astronomie , und viele renommierte Universitäten und Forschungseinrichtungen.

Illustration der Tiefe, mit der Hubble Galaxien in früheren Deep-Field-Initiativen abbildete, in Einheiten des Age of the Universe. Bildnachweis: NASA und A. Feild (STScI)

Die Studie, die ihre Ergebnisse beschreibt, erschien kürzlich inDas Astrophysikalische Journalunter dem Titel ' Typ Ia Supernova Entfernungen bei Rotverschiebung >1,5 vomHubble-WeltraumteleskopMehrzyklische Treasury-Programme: Die frühe Expansionsrate “. Für ihre Studie und in Übereinstimmung mit ihren langfristigen Zielen versuchte das Team, eine neue und genauere „Entfernungsleiter“ zu konstruieren.

Mit diesem Werkzeug haben Astronomen traditionell Entfernungen im Universum gemessen, die darin bestehen, sich auf Entfernungsmarker wie Cepheiden-Variablen zu verlassen – pulsierende Sterne, deren Entfernungen durch Vergleich ihrer intrinsischen Helligkeit mit ihrer scheinbaren Helligkeit abgeleitet werden können. Diese Messungen werden dann mit der Rotverschiebung des Lichts von entfernten Galaxien verglichen, um zu bestimmen, wie schnell sich der Raum zwischen den Galaxien ausdehnt.

Daraus wird die Hubble-Konstante abgeleitet. Um ihre entfernte Leiter zu bauen, führten Riess und sein Team Parallaxenmessungen mit Hubbles Weitfeldkamera 3 (WFC3) von acht neu analysierten variablen Sternen der Cepheiden in der Milchstraße. Diese Sterne sind etwa 10 Mal weiter entfernt als alle bisher untersuchten Sterne – zwischen 6.000 und 12.000 Lichtjahre von der Erde – und pulsieren in längeren Abständen.

Um die Genauigkeit zu gewährleisten, die das Wobbeln dieser Sterne erklären würde, entwickelte das Team auch eine neue Methode, bei der Hubble vier Jahre lang alle sechs Monate die Position eines Sterns tausendmal pro Minute misst. Anschließend verglich das Team die Helligkeit dieser acht Sterne mit weiter entfernten Cepheiden, um sicherzustellen, dass sie die Entfernungen zu anderen Galaxien genauer berechnen konnten.

Abbildung zeigt drei Schritte, die Astronomen verwendet haben, um die Expansionsrate des Universums (Hubble-Konstante) mit einer beispiellosen Genauigkeit zu messen, was die Gesamtunsicherheit auf 2,3 Prozent reduziert. Credits: NASA/ESA/A. Feild (STScI)/und A. Riess (STScI/JHU)

Mit der neuen Technik war Hubble in der Lage, die Positionsänderung dieser Sterne relativ zu anderen zu erfassen, was die Dinge immens vereinfachte. Wie Riess in einer NASA erklärt Pressemitteilung :

„Diese Methode bietet wiederholt die Möglichkeit, die extrem kleinen Verschiebungen aufgrund der Parallaxe zu messen. Sie messen den Abstand zwischen zwei Sternen nicht nur an einer Stelle der Kamera, sondern immer wieder tausende Male, wodurch die Messfehler reduziert werden.“

Im Vergleich zu früheren Erhebungen konnte das Team die Anzahl der analysierten Sterne auf bis zu 10-fache Entfernungen ausdehnen. Ihre Ergebnisse widersprachen jedoch auch denen des Planck-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), der die Kosmischer Mikrowellen-Hintergrund (CMB) – die übrig gebliebene Strahlung des Urknalls – seit ihrem Einsatz im Jahr 2009.

Durch die Kartierung des CMB konnte Planck die Expansion des Kosmos während des frühen Universums – ca. 378.000 Jahre nach dem Urknall. Plancks Ergebnis sagte voraus, dass der Hubble-Konstantenwert jetzt 67 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec (3,3 Millionen Lichtjahre) betragen sollte und nicht höher als 69 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec sein könnte.

Die Urknall-Zeitachse des Universums. Kosmische Neutrinos beeinflussen die CMB zu der Zeit, als sie emittiert wurden, und die Physik kümmert sich bis heute um den Rest ihrer Entwicklung. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/A. Kaschlinski (GSFC).

Das Team um Riess erhielt laut seiner Umfrage einen Wert von 73 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec, eine Abweichung von 9%. Im Wesentlichen deuten ihre Ergebnisse darauf hin, dass sich Galaxien schneller bewegen, als es die Beobachtungen des frühen Universums implizieren. Da die Hubble-Daten so präzise waren, können Astronomen die Lücke zwischen den beiden Ergebnissen nicht als Fehler bei einer einzelnen Messung oder Methode abtun. Wie Reiss erklärte:

„Die Community ist wirklich damit beschäftigt, die Bedeutung dieser Diskrepanz zu verstehen… Beide Ergebnisse wurden auf verschiedene Weise getestet, so dass eine Reihe von nicht zusammenhängenden Fehlern ausgeschlossen ist. es wird immer wahrscheinlicher, dass dies kein Fehler, sondern ein Merkmal des Universums ist.“

Diese neuesten Ergebnisse legen daher nahe, dass im Universum eine bisher unbekannte Kraft oder eine neue Physik am Werk sein könnte. In Bezug auf Erklärungen haben Reiss und sein Team drei Möglichkeiten angeboten, die alle mit den 95 % des Universums zu tun haben, die wir nicht sehen können (d. h. dunkle Materie und dunkle Energie). Im Jahr 2011 erhielten Reiss und zwei weitere Wissenschaftler den Nobelpreis für Physik für ihre Entdeckung im Jahr 1998, dass sich das Universum in einer beschleunigten Expansionsrate befindet.

In Übereinstimmung damit vermuten sie, dass Dunkle Energie Galaxien mit zunehmender Stärke auseinander drängen könnte. Eine andere Möglichkeit ist, dass es da draußen ein unentdecktes subatomares Teilchen gibt, das einem Neutrino ähnelt, aber mit normaler Materie durch Schwerkraft statt durch subatomare Kräfte wechselwirkt. Diese „sterilen Neutrinos“ würden sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen und könnten zusammenfassend als „dunkle Strahlung“ bezeichnet werden.

Diese Abbildung zeigt die Entwicklung des Universums vom Urknall links bis zur Neuzeit rechts. Bildnachweis: NASA

Jede dieser Möglichkeiten würde bedeuten, dass der Inhalt des frühen Universums anders war, was ein Umdenken unserer kosmologischen Modelle erzwingt. Riess und Kollegen haben derzeit noch keine Antworten, planen aber, ihre Messungen weiter zu verfeinern. Bisher hat das SHoES-Team die Unsicherheit der Hubble-Konstante auf 2,3 % gesenkt.

Dies steht im Einklang mit einem der zentralen Ziele des Hubble-Weltraumteleskops, das dazu beitragen sollte, den Unsicherheitswert der Hubble-Konstanten zu reduzieren, für die Schätzungen einst um den Faktor 2 variierten.

Während diese Diskrepanz die Tür zu neuen und herausfordernden Fragen öffnet, verringert sie aber auch unsere Unsicherheit bei der Messung des Universums erheblich. Letztendlich wird dies unser Verständnis davon verbessern, wie sich das Universum entwickelt hat, nachdem es vor 13,8 Milliarden Jahren in einer feurigen Katastrophe erschaffen wurde.

Weiterlesen: NASA , Das Astrophysikalische Journal