Der Coma-Haufen, wie er vom Hubble-Weltraumteleskop gesehen wird (Bildnachweis: NASA/ESA/Hubble Heritage Team (STScI/AURA)/D. Carter (Liverpool John Moores University)/Coma HST ACS Treasury Team)
Das Rätsel der Hubble-Spannung hat sich mit der verblüffenden Erkenntnis vertieft, dass der Coma-Galaxienhaufen 38 Millionen Lichtjahre näher ist als er sein sollte.
In den letzten Jahren hat es bei den Versuchen, die Expansion des Universums zu messen, die durch das Hubble-Lemaître-Gesetz bestimmt wird, Schwierigkeiten gegeben. Dieses besagt, dass die Geschwindigkeit, mit der sich eine Galaxie durch die Expansion des Raums von uns entfernt, gleich ihrer Entfernung multipliziert mit der Expansionsrate ist, die als Hubble-Konstante bezeichnet wird. Je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich von uns.
Ein Team von Astronomen unter der Leitung von Dan Scolnic von der Duke University in North Carolina und Adam Riess von der Johns Hopkins University hat alle Supernova-Explosionen des Typs Ia aufgespürt, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop in den Galaxien des Coma-Galaxienhaufens beobachtet wurden. Anhand von Messungen dieser Supernovas fand das Team heraus, dass der Coma-Cluster uns näher ist, als es nach dem Standardmodell der Fall sein sollte – und das ist ein großes Problem.
Es gibt zwei Hauptmethoden, um die Hubble-Konstante zu messen. Eine davon ist die direkte Beobachtung von „Standardkerzen“ – d. h. Objekten mit vorhersagbarer Leuchtkraft wie Cepheiden-Variablen, Supernova-Explosionen vom Typ Ia und roten Riesensternen – in Galaxien und die Bestimmung ihrer Entfernung auf der Grundlage der scheinbaren Helligkeit dieser Standardkerzen. In Verbindung mit der Geschwindigkeit, mit der sie sich von uns entfernen, die aus Messungen ihrer Rotverschiebung abgeleitet werden kann (je schneller sich etwas von uns entfernt, desto mehr wird sein Licht in längere, rötlichere Wellenlängen gestreckt), können die Astronomen das Hubble-Lemaître-Gesetz zur Berechnung der Hubble-Konstante verwenden.
Die andere Taktik besteht darin, in der Zeit zurückzureisen, bis ganz an den Anfang. Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) ist das Licht, das 379.000 Jahre nach dem Urknall ausgesandt wurde. Vor dieser Zeit war das Universum mit einem dichten, brodelnden Ozean aus Plasma gefüllt, das aus ionisiertem Gas besteht – es war zu heiß, als dass sich Elektronen und Atomkerne verbinden konnten. Das Plasma war lichtundurchlässig, und Dichtewellen hallten durch es hindurch.
Als die kosmische Uhr 379.000 Jahre weiterlief, hatte sich das Universum so weit abgekühlt, dass sich die Elektronen und Kerne zu ganzen Atomen verbinden konnten. Das Plasma verwandelte sich in einen Nebel aus neutralem Wasserstoff- und Heliumgas, aber diese Dichtewellen wurden in die Verteilung der Materie eingefroren, eine Verteilung, die bis heute anhält, wenn auch in viel größerem Maßstab als damals. Das CMB zeigt, wie diese als „baryonische akustische Oszillationen“ (BAOs) bezeichneten Dichtewellen 379.000 Jahre nach dem Urknall aussahen.
Wissenschaftler sind in der Lage, das Standardmodell der Kosmologie auf Beobachtungen des CMB anzuwenden, um Vorhersagen über das Universum zu treffen. Das Standardmodell ist unser grundlegendes Bild eines Kosmos, der von kalter dunkler Materie und dunkler Energie beherrscht wird und unter dem Einfluss der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein steht.
Die Hubble-Konstante bleibt wenig verändert bei einem Wert von 67,4 km/sec-Mpc, was einem Alter des Universums von 13,8 Milliarden Jahren entspricht. (Bildnachweis: ESA/Planck Kollaboration)
Auf der Grundlage von Beobachtungen der CMB-Strahlung durch die Planck-Sonde der Europäischen Weltraumorganisation sagt das Standardmodell voraus, dass die Hubble-Konstante 67,4 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec (km/s/Mpc) betragen sollte. Ein Megaparsec ist eine Million Parsec, und ein Parsec entspricht 3,26 Lichtjahren. Mit anderen Worten: Planck und das Standardmodell sagen voraus, dass sich jedes Raumvolumen mit einem Durchmesser von einer Million Parsec jede Sekunde um 67,4 Kilometer ausdehnen sollte.
Die meisten Messungen der Standardkerzen im Hier und Jetzt deuten jedoch auf einen anderen Wert hin, der im Bereich von 73,2 km/s/Mpc liegt. Beide Messungen werden mit hoher Genauigkeit durchgeführt, und nach unserem Verständnis von Astrophysik und Kosmologie sollten beide richtig sein – aber beide können nicht richtig sein. Es muss das eine oder das andere sein. Diese unerklärliche Differenz nennen wir die Hubble-Spannung.
„Ich stelle mir die Hubble-Spannung gerne so vor, wie wenn man als Kind beim Arzt war und als Baby vermessen wurde, und der Arzt sagte vielleicht: Wenn du als Kind so groß bist, wirst du als Erwachsener auch so groß sein“, sagte Scolnic auf einer Pressekonferenz anlässlich der 245. Tagung der American Astronomical Society im Januar in Maryland.
„In der Astronomie können wir das Gleiche mit Bildern des kosmischen Mikrowellenhintergrunds machen, also aus der Zeit, als das Universum noch ein Baby war, um vorherzusagen, wie groß und wie schnell das Universum heute expandieren würde. Und dann können Astronomen wie ich die heutige Expansion des Universums messen, und sie stimmt nicht mit der Vorhersage überein“, fügte Solnic hinzu.
Niemand versteht die Hubble-Spannung. Wenn es um Geheimnisse des Kosmos geht, steht sie fast immer ganz oben auf der Liste. Einige Wissenschaftler glauben, dass bei der Messung der Standardkerzen eine Art versteckter, aber hartnäckiger Fehler vorliegt – es gibt eine verständliche Abneigung, das Standardmodell, das uns bisher so gut gedient hat, über Bord zu werfen. Doch die Astronomen, die die Standardkerzenmessungen durchführen, zeigen mit dem Finger auf das Standardmodell oder zumindest auf ein unbekanntes Phänomen, das das Standardmodell nicht vorhersagt.
So oder so, wir müssen mehr wissen, und deshalb liegt viel auf den Schultern des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), das am Mayall 4-Meter-Teleskop am Kitt Peak National Observatory in Arizona stationiert ist.
Das DESI, das im Jahr 2021 seine fünfjährige Mission zur Vermessung des sich ausdehnenden Universums beginnt, besteht aus 5.000 winzigen Robotergeräten, die 5.000 optische Fasern positionieren können, um Rotverschiebungsdaten von 5.000 Objekten gleichzeitig zu sammeln. Im Laufe der fünfjährigen Durchmusterung wird DESI die Rotverschiebungen von etwa 30 Millionen Galaxien messen, die über die kosmische Zeit verteilt sind, um herauszufinden, wie die dunkle Energie die Expansion des Universums beschleunigt.
DESI ist in der Lage, die Hubble-Konstante auf der Grundlage von Vorhersagen aus dem frühen und späten Universum abzuleiten. Durch die Beobachtung der nun vergrößerten BAOs in der Verteilung der Galaxien entlang des kosmischen Netzes und den Vergleich mit der Winkelskala der BAOs im CMB berechnet DESI die Hubble-Konstante auf 68,5 km/s/Mpc, was der Vorhersage des Planck-/Standardmodells sehr nahe kommt.
DESIs Messungen der Hubble-Konstante im modernen Universum, bei denen die Helligkeit von Supernova-Explosionen des Typs Ia in Galaxien verwendet wird, ergeben jedoch einen Wert von 76 km/s/Mpc – was immer noch die Spannung zeigt, wenn auch mit einer großen Unsicherheit in den Messungen.
Astronomen würden diese Unsicherheit gerne verringern. „Die Frage ist, ob wir DESI helfen können, eine bessere Messung durchzuführen“, fragte Scolnic.
Damit seine Ergebnisse wirklich unverfälscht sind, baut DESI seine eigene kosmische Entfernungsleiter von Grund auf neu auf, anstatt sich auf frühere Messungen zu stützen – mit einer Ausnahme. Aus diesem Grund sind seine Beobachtungen mit einer größeren Unsicherheit behaftet als frühere Messungen. Diese Entfernungsleiter muss irgendwie verankert und mit einer robusten Entfernungsmessung zu einer Galaxie oder einer Gruppe von Galaxien in der Nähe kalibriert werden.
Zu diesem Zweck haben Scolnic und Riess die Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops zu Supernova-Explosionen vom Typ Ia im Coma-Galaxienhaufen herangezogen. „Es ist ein schöner, reichhaltiger Haufen mit vielen Galaxien, und viele Galaxien bedeuten viele Supernovae, und sie sind alle in der gleichen Entfernung“, sagte Scolnic.
Daraus errechneten sie eine Entfernung von 321 Millionen Lichtjahren (mit einer Unsicherheit von 7 Millionen Lichtjahren), mit der sie die DESI-Beobachtungen verankern konnten. Dies stimmt gut mit früheren Messungen der Entfernung des Koma-Haufens überein, aber Moment mal – was sagt das Standardmodell dazu? Es sagt voraus, dass der Coma-Haufen 359 Millionen Lichtjahre entfernt sein sollte, aber er ist absolut nicht so weit entfernt.
„Man kann sehen, dass bei all diesen früheren Messungen, von denen viele stattfanden, bevor wir überhaupt wussten, dass es eine Hubble-Spannung gibt, keine von ihnen auch nur annähernd an die Vorhersage herankam, die sich ergeben würde, wenn das Standardmodell korrekt wäre“, sagte Scolnic. „Sie alle zeigen, dass das Standardmodell mit der Planck-Messung nicht richtig ist.“
Da der Coma-Haufen einer der uns am nächsten gelegenen Galaxienhaufen ist, bezeichnet Scolnic diesen Befund als die Hubble-Spannung in unserem Hinterhof. Dies ist eine Idee, die im Sommer 2024 aufkam, als ein Team unter der Leitung von Wendy Freedman von der University of Chicago mit Hilfe von Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops von Cepheiden-Variablen und roten Riesensternen die Entfernung zu zehn Galaxien maß. Freedmans Messungen der Hubble-Konstante auf der Grundlage dieser zehn Galaxien stimmten mit dem Standardmodell überein, was darauf hindeutet, dass die Hubble-Spannung ein Fehler gewesen sein könnte. Das ist jedoch eine gewagte Schlussfolgerung aus nur 10 Galaxien, und Scolnic sagt, dass Freedmans Ergebnis „jetzt in einem besseren Kontext verstanden wurde und die Hubble-Spannung nicht verschwunden ist“.
Was könnte also die Ursache für die Hubble-Spannung sein? Zyniker, die das wissenschaftliche Establishment stürzen wollen, könnten argumentieren, dass wir das Standardmodell verwerfen müssen, aber es ist zu früh, das Kind mit dem Bade auszuschütten. Es sei daran erinnert, dass das Standardmodell zahlreiche Erfolge vorzuweisen hat, von der Beschreibung der Entstehung, des Wachstums und der Entwicklung von Galaxien und der Existenz großräumiger Strukturen im Universum bis hin zur Vorhersage der Merkmale des CMB, einschließlich der Größe der BAOs.
Was könnte also die Ursache für die Hubble-Spannung sein? Die Aufmerksamkeit richtet sich nun auf das frühe Universum und die Frage, ob es dort etwas gab, das vom Standardmodell nicht vorhergesagt wurde und die Messungen beeinflusst haben könnte. Vielleicht gab es im frühen Universum einen zusätzlichen Schub an dunkler Energie, oder vielleicht wurde dem frühen Kosmos Energie durch die Strahlung von Axionen zugeführt, bei denen es sich um theoretische Teilchen handelt, die ein Kandidat für die Identität der dunklen Materie sind. Das ist alles noch sehr spekulativ.
In der Zwischenzeit macht das Ergebnis des Coma-Haufens deutlich, wie beunruhigend die Hubble-Spannung ist. Scolnic ist sogar der Meinung, dass die Coma-Cluster-Ergebnisse das Rätsel unwiderruflich vertieft haben, und stellt abschließend bedrohlich fest: „Die Hubble-Spannung ist jetzt eine Hubble-Krise.“
Die Ergebnisse der Coma-Cluster-Studie wurden zur Veröffentlichung in The Astrophysical Journal angenommen, und ein Vorabdruck ist verfügbar.
