Ein Beispiel für eine Galaxiengruppe, in diesem Fall das Copeland Septet. Deuten die Bewegungen kleinerer Satellitengalaxien in solchen Gruppen darauf hin, dass das Universum jünger ist als wir denken (Bildnachweis: DESI Legacy Imaging Surveys/LBNL/DOE & KPNO/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA)
Das Universum könnte jünger sein, als wir denken. Dies geht aus den Bewegungen von Satellitengalaxien hervor, die zeigen, wie kürzlich sie in eine Galaxiengruppierung gefallen sind.
Nach den Messungen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) durch die Planck-Mission der Europäischen Weltraumorganisation ist das Universum etwa 13,8 Milliarden Jahre alt. Diese Berechnung basiert auf dem so genannten Standardmodell der Kosmologie, das ein flaches Universum beschreibt, das von dunkler Energie und dunkler Materie dominiert wird und sich mit zunehmender Geschwindigkeit ausdehnt.
Das Standardmodell wird dann als Grundlage für Supercomputersimulationen verwendet, die das Wachstum der großräumigen Strukturen im Universum – Galaxien, Galaxienhaufen und riesige Galaxienketten und -wände – darstellen können.
Diese Modelle sind nun jedoch mit neuen Messungen der Bewegungen von Galaxienpaaren in Konflikt geraten, die nicht mit den Simulationen übereinstimmen.
In einer neuen Studie untersuchten Astronomen unter der Leitung von Guo Qi von den Nationalen Astronomischen Observatorien der Chinesischen Akademie der Wissenschaften Paare von Satelliten in Galaxiengruppen.
Galaxiengruppen sind kleine Ansammlungen von Galaxien, wie unsere eigene Lokale Gruppe, in der einige große Galaxien durch einen Schwarm kleinerer Galaxien verbunden sind. Wie größere Galaxienhaufen bilden sich diese Galaxiengruppen dort, wo sich die Filamente des kosmischen Materiegeflechts, das das Universum umspannt, treffen, wobei sich kleinere Galaxien entlang der Filamente bewegen, bevor sie in eine Gruppe fallen.
Anhand von Beobachtungen des Sloan Digital Sky Survey (SDSS) von 813 Galaxiengruppen im Umkreis von etwa 600 Millionen Lichtjahren von der Erde konzentrierte sich das Team von Qi auf die massereichste Galaxie in jeder Gruppe und maß, wie sich Paare von Satelliten auf gegenüberliegenden Seiten dieser Galaxie bewegten.
Sie fanden heraus, dass der Anteil der Satellitengalaxien, die sich gegenläufig zueinander bewegen – also die große Galaxie in entgegengesetzten Richtungen umkreisen – höher ist als von Computersimulationen der großräumigen Struktur vorhergesagt, wie z. B. der Millennium-Simulation und dem Illustris TNG300-Modell, die beide auf dem Standardmodell basieren, wie es von der Planck-Mission beschrieben wird.
Dies ist ein natürlicher Zustand, wenn die Satelliten gerade erst in eine Umlaufbahn um die größere Galaxie der Gruppe geraten sind. Im Laufe der Zeit sollten Galaxiengruppen und -haufen jedoch einen dynamisch entspannten Zustand erreichen, in dem die meisten Satelliten mitrotieren. Wenn Galaxiengruppen und -haufen zu dem Zeitpunkt zusammengewachsen sind, zu dem sie nach dem Standardmodell zusammengewachsen sein sollten, dann sollte der Anteil der gegenläufigen Satelliten geringer sein. Die Tatsache, dass sie einen größeren Anteil an Satelliten ausmachen, ist ein Problem für das Standardmodell.
„Wir haben in den SDSS-Daten herausgefunden, dass Satellitengalaxien gerade in die massiven Gruppen hineinwachsen/fallen, mit einem stärkeren Signal des laufenden Zusammenbaus im Vergleich zu Simulationen mit Planck-Parametern“, sagte Qi in einer E-Mail an kosmischeweiten.de.
Mit anderen Worten, es scheint, dass die Satellitengalaxien erst kürzlich in ihre jeweiligen Gruppen gefallen sind.
„Das deutet darauf hin, dass das Universum jünger ist, als es die Planck-Beobachtungen des CMB vermuten lassen“, so Qi. „Leider kann diese Arbeit das Alter des Universums nicht quantitativ abschätzen.“
Das liegt daran, dass es noch zu viel Spielraum bei den Bewegungen der Satellitenpaare und bei den Modellen zur Bildung von Gruppen gibt, um eine sichere Aussage darüber treffen zu können, wie viel jünger als 13,8 Milliarden Jahre das Universum nach diesen Ergebnissen ist.
Sollten die neuen Ergebnisse zutreffen, dann implizieren sie, dass etwas im Standardmodell nicht stimmt und dass einige unserer Annahmen über das Universum falsch sein müssen. Tatsächlich könnte ein kosmisches Paradoxon, das Wissenschaftler derzeit untersuchen, die Antwort sein.
Die Expansionsrate des Universums wird durch eine Zahl definiert, die Hubble-Konstante. Planck hat die Hubble-Konstante mit 67,8 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec gemessen – mit anderen Worten, jedes Megaparsec-Volumen des Raums dehnt sich jede Sekunde um 67,8 Kilometer (42,1 Meilen) aus. (Ein Megaparsec entspricht etwa (3,26 Millionen Lichtjahren.) Auf der Grundlage dieser Expansionsrate können Kosmologen das Alter des Universums auf 13,8 Milliarden Jahre berechnen, indem sie die Uhr zurückspulen.
Beobachtungen der Rotverschiebung von Supernovae des Typs Ia, bei denen es sich um explodierende Weiße Zwerge handelt, ergeben jedoch einen Wert der Hubble-Konstante von 73,2 Kilometern pro Sekunde und Megaparsec. Mit dieser Expansionsrate würde das Zurückdrehen der Uhr ein jüngeres Alter von 12,6 Milliarden Jahren ergeben.
Die beiden Messungen der Hubble-Konstante gelten als unanfechtbar, und doch unterscheiden sie sich drastisch. Dieses Paradoxon ist als „Hubble-Spannung“ bekannt geworden.
„Das könnte natürlich mit dem Problem der Hubble-Spannung zusammenhängen“, sagte Qi auf die Frage, ob das jüngere Alter, das durch Satellitenpaare in Galaxiengruppen nahegelegt wird, die schnellere Expansionsrate der Supernova-Messungen unterstützt.
Es gibt jedoch noch weitere Hürden zu überwinden. Wenn wir das Alter des Universums zu sehr herabsetzen, geraten die Astronomen in die missliche Lage, dass es Sterne gibt, von denen man weiß, dass sie älter sind als das Universum selbst.
Vielleicht liegt die Erklärung in anderen Aspekten des Standardmodells. So hängt das Modell beispielsweise stark von der dunklen Materie ab, aber bisher wissen die Wissenschaftler nicht, was dunkle Materie ist. Andere Forscher argumentieren, dass dunkle Materie überhaupt nicht existiert und dass ihre Gravitationswirkung durch eine Modifikation der Gravitationsgesetze bei geringen Beschleunigungen erklärt werden kann, wie sie beispielsweise bei Satellitengalaxien in größeren Entfernungen auftreten. Das Team von Qi fand heraus, dass Satellitenpaare mit größeren Bahnradien eher gegenläufig rotieren.
Jetzt wären mehr Daten willkommen. Das gleiche Phänomen sollte auch für größere Galaxienhaufen gelten, so Qi, aber die Haufen sind in der Regel weiter entfernt, und die begrenzte Stichprobengröße und die schlechtere Qualität der Daten machen eine Messung derzeit nicht schlüssig.
Das Universum ist uralt, egal wie alt es ist, aber diese neuen Ergebnisse deuten darauf hin, dass es in der Lage sein könnte, sich etwas von seiner Jugend zurückzuholen.
Die neuen Ergebnisse wurden am 22. Januar in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
