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Eine Galaxie, die in einer buchstäblichen Blase eingeschlossen ist. Ist die Position der Milchstraße in einem Supervoid für die Hubble-Spannung verantwortlich (Bildnachweis: Robert Lea)

Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass eine beunruhigende Diskrepanz in der Expansionsrate des Universums, die als Hubble-Konstante bekannt ist, auf die Tatsache zurückzuführen sein könnte, dass die Erde in einer riesigen unterdichten Region des Kosmos liegt.

Das Problem ist als „Hubble-Spannung“ bekannt geworden. Sie ergibt sich aus der Tatsache, dass es zwei Möglichkeiten gibt, die Hubble-Konstante für das gegenwärtige Alter des Universums zu berechnen, die jedoch nicht übereinstimmen.

Das Forschungsteam vermutet, dass dieses Problem dadurch entsteht, dass unsere Galaxie, die Milchstraße, in einer Region mit geringer Dichte oder einem „Supervoid“ liegt. Das würde bedeuten, dass sich der Raum in dieser „Hubble-Blase“, die offiziell als Keenan-Barger-Cowie (KBC)-Supervoid (auch etwas wenig schmeichelhaft als „lokales Loch“ bezeichnet) bekannt ist, schneller auszudehnen scheint, wodurch unsere Beobachtungen verzerrt werden.

„Voids sind Regionen des Universums, in denen die Dichte unterdurchschnittlich ist“, sagt Indranil Banik, Mitglied des Teams und Kosmologe an der University of Saint Andrews, gegenüber kosmischeweiten.de. „Supervoide sind Leerräume, die größer als etwa 300 Millionen Lichtjahre sind.“

Was ist ein Supervoid?

Das Universum dehnt sich mit unglaublicher Geschwindigkeit aus, aber obwohl Ihr Arbeitsweg jeden Tag länger zu werden scheint, ist dies nur ein spürbarer Faktor in riesigen kosmischen Dimensionen.

Das bedeutet, dass die Hubble-Konstante die Geschwindigkeit misst, mit der sich entfernte Galaxien voneinander entfernen. Dies mag zunächst den Anschein erwecken, dass eine Diskrepanz in den Raten der Hubble-Konstante ein weniger dringendes Problem darstellt. Schließlich hat sie keinen Einfluss darauf, wie weit Sie für Ihren Morgenkaffee greifen müssen.

Das Problem ist, dass Kosmologen nicht verstehen können, wie sich der Kosmos entwickelt hat, wenn sie nicht wissen, wie schnell sich das Universum ausdehnt, und unser bestes Modell dieser Entwicklung, das Lambda Cold Dark Matter (Lambda CDM) oder „Standardmodell der Kosmologie“, lässt etwas vermissen. Die Hubble-Spannung ist also zweifellos etwas, das die Wissenschaftler nicht umgehen oder ignorieren können.

Ein Diagramm, das den Keenan-Barger-Cowie-Supervoid inmitten des kosmischen Materiennetzes darstellt, das das Universum umspannt. Die Milchstraße befindet sich außerhalb des Zentrums der Leere. (Bildnachweis: AG Kroupa/Universität Bonn)

Der größte bekannte Supervoid im Universum ist der Eridanus-Supervoid, der 1,8 Milliarden Lichtjahre breit ist, aber auch der KBC-Supervoid ist nicht zu verachten, wenn es um die Größe geht.

„Der KBC-Supervoid ist eine Region, die etwa 20 % weniger dicht ist als der kosmische Durchschnitt, die sich ungefähr in unserem Zentrum befindet und sich über eine Milliarde Lichtjahre erstreckt“, so Banik. „Wenn man die Hubble-Konstante anhand von Entfernungen und Rotverschiebungen misst, geht man normalerweise nicht zu weit hinaus, weil sich die Expansionsrate des Universums im Laufe der Zeit verändert hat.

„Das bedeutet, dass man normalerweise nicht weiter als etwa 2 Milliarden Lichtjahre schaut. Das würde aber bedeuten, dass die Beobachtungen innerhalb der KBC-Leere liegen.“

Warum sollten Beobachtungen innerhalb des KBC-Supervoids einen ausreichenden Unterschied zur Hubble-Konstante machen, um die Hubble-Spannung hervorzurufen?

Was ist die Hubble-Spannung?

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Hubble-Spannung zu berechnen; nennen wir sie „Beobachtung“ und „Theorie“ (obwohl das wirklich zu stark vereinfacht ist).

Bei der theoretischen Methode machen Wissenschaftler Beobachtungen eines „kosmischen Fossils“, des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB). Das erste Licht, das den Kosmos durchquert hat, der CMB, ist ein Strahlungsfeld, das das gesamte Universum fast gleichmäßig ausfüllt.

Die Wissenschaftler drehen dann die Uhr des Kosmos vorwärts und modellieren seine Entwicklung anhand des Lambda-CDM als Vorlage. So erhalten sie einen aktuellen Wert für die Hubble-Konstante.

Ein Diagramm, das die Entwicklung des Universums nach dem vorherrschenden Modell der kalten dunklen Materie zeigt (Bildnachweis: NASA/WMAP Science Team)

Bei der „Beobachtungs“-Methode verwenden Wissenschaftler astronomische Daten, um Entfernungen zu Galaxien zu messen, die Supernovae vom Typ Ia oder veränderliche Sterne beherbergen, zwei Beispiele für Objekte, die Astronomen als „Standardkerzen“ bezeichnen.

Sie können dann berechnen, wie schnell sich diese Galaxien entfernen, indem sie die Veränderung der Wellenlängen des Lichts von diesen Körpern oder die „Rotverschiebung“ untersuchen. Je größer die Rotverschiebung, desto schneller entfernt sich eine Galaxie von uns, und daraus lässt sich die Hubble-Konstante berechnen.

„Beim späten Universum muss man sich vor allem vor Augen halten, dass man, je weiter man sich entfernt, desto weiter in der Zeit zurückblickt“, so Banik. „Photonen, die länger unterwegs sind, werden durch die kosmische Expansion stärker gedehnt.“

Das Problem ist, dass diese Beobachtungsmethode einen Wert für die Hubble-Konstante ergibt, der größer ist als der Wert, den man durch Extrapolation mit dem Lambda-CDM erhält.

SN2014J, eine der nächstgelegenen Supernovae vom Typ Ia der letzten Jahrzehnte. (Bildnachweis: NASA, ESA, A. Goobar (Universität Stockholm), und das Hubble Heritage Team)

Die „Theorie-Methode“ ergibt einen Wert für die Hubble-Konstante von etwa 152.000 Meilen pro Stunde pro Megaparsec (68 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec, oder Mpc), während die „Beobachtungs-Methode“ regelmäßig einen höheren Wert von 157.000 mph pro Mpc bis 170.000 mph pro Mpc (70 bis 76 km/s/Mpc) ergibt, je nachdem, welche Beobachtungen verwendet werden.

Ein Mpc entspricht 3,26 Lichtjahren oder 5,8 Billionen Meilen (9,4 Billionen Kilometer), so dass die Hubble-Spannung eindeutig eine große Diskrepanz darstellt.

„Die Beobachtungen des späten Universums sagen uns, dass die Expansionsrate 10 % schneller ist, als wenn wir Lambda CDM verwenden, um von dem, wie das Universum zur Zeit der CMB aussah, auf heute zu extrapolieren“, sagte Banik. „Es ist keine Entdeckung, die man machen wollte, dass unsere beste Theorie der Kosmologie falsch ist.

„Das ist ein Problem, aber die Natur kümmert sich nicht um unsere Theorien!“

Eine Illustration zeigt eine nicht maßstabsgetreue Milchstraße, die in einer einsamen Leere im Kosmos sitzt (Bildnachweis: Robert Lea)

Banik und Kollegen vermuten, dass die Hubble-Spannung darauf zurückzuführen ist, dass sich das Universum innerhalb des KBC-Supervoids schneller auszudehnen scheint.

„Man kann sich einen Supravoiden als ein homogenes Universum mit einer konzentrierten negativen Masse vorstellen“, so Banik. „Das hat einen abstoßenden Gravitationseffekt, der die Rotverschiebung von Galaxien über die alleinige kosmische Expansion hinaus erhöhen kann.“

Dies macht einen Unterschied, weil die theoretische Methode die Hubble-Konstante über das gesamte Universum mittelt, während die Beobachtungsmethode sie nur innerhalb des KBC-Supervoids berechnet. Innerhalb dieser „Hubble Bubble“ haben wir also eine verzerrte und voreingenommene Perspektive.

„Dies würde das Universum lokal so aussehen lassen, als würde es sich schneller ausdehnen, als es tatsächlich ist, was wiederum die Hubble-Spannung lösen könnte.“

Interessanterweise dachte das Team gar nicht an die Hubble-Spannung, als es begann, das KBC-Supervoid zu untersuchen. Vielmehr wollten sie wissen, ob Supervoide wie dieses im Lambda-CDM auftreten.

„Da wurde uns klar, dass man, wenn man sich in der Leere befindet, denken würde, dass sich das Universum schneller ausdehnt als es tatsächlich der Fall ist“, erklärte Banik. „Da wurde uns auch klar, dass dies die Hubble-Spannung lösen könnte.“

Um herauszufinden, ob Supervoide wie das „lokale Loch“ im Lambda-CDM möglich sind, sagte Banik, dass das Team herausgefunden hat, dass eine so große und tiefe Leere im Standardmodell der Kosmologie nicht vorkommen kann, zumindest nicht in der derzeitigen Form.

Banik sagte voraus, dass die Auflösung der Hubble-Spannung bereits im Jahr 2030 erfolgen könnte. Dazu müssten die Wissenschaftler jedoch akzeptieren, dass das Universum mehr Struktur hat als im kosmologischen Standardmodell erwartet.

„Zu wissen, welcher Aspekt der Standardkosmologie überarbeitet werden muss, um die Hubble-Spannung zu lösen, wird eine große Erleichterung sein. Um das Problem zu lösen, bedarf es jedoch einer tieferen Theorie“, schloss Banik. „Meiner Meinung nach wird die Hubble-Spannung innerhalb von zehn Jahren gelöst sein.

„Sollte ich mich jedoch in Bezug auf die Ursache der Hubble-Spannung irren, dann ist eine Lösung absolut nicht in Sicht, da es keine gute zweite Theorie gibt, die mit anderen wichtigen Einschränkungen wie dem Alter der ältesten Sterne vereinbar ist.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.