Ein künstlerisches Konzept der kosmischen Entfernungsleiter, die zur Messung der Expansion des Universums verwendet wird (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)
Das James Webb Space Telescope (JWST) hat die Arbeit seines älteren Geschwisters, des Hubble Space Telescope, doppelt überprüft. Hubbles Messungen der Expansionsrate des Universums sind vorbildlich, so das bahnbrechende Observatorium, das die so genannte „Hubble-Spannung“ weiter erhöht.
Einfach ausgedrückt: Die Messungen der Expansionsrate des Universums, die durch die Hubble-Konstante definiert ist, stimmen einfach nicht überein.
Einerseits besagen Beobachtungen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB), die wie ein Babybild des Kosmos nur 379.000 Jahre nach dem Urknall aussieht, dass sich das Universum heute mit einer Geschwindigkeit von etwa 67,8 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec ausdehnen sollte. Das bedeutet, dass sich jedes Raumvolumen mit einem Durchmesser von einer Million Parsec (3,26 Millionen Lichtjahre) mit einer Geschwindigkeit von 67,8 Kilometern pro Sekunde ausdehnen sollte.
Eine andere Möglichkeit, diese Ausdehnung zu messen, besteht darin, die kosmische Entfernungsleiter zu erklimmen, wobei jede Sprosse von einem anderen astrophysikalischen Meilenstein wie z. B. veränderlichen Cepheidensternen und Supernovae vom Typ Ia gebildet wird. Die Helligkeit dieser Objekte gibt Aufschluss über ihre Entfernungen, die wir dann mit ihren Rotverschiebungswerten vergleichen können, um festzustellen, um wie viel sich das Universum ausgedehnt hat, während ihr Licht zu uns unterwegs war. Das Problem ist jedoch, dass diese Methode einen völlig anderen Wert für die Hubble-Konstante liefert: Etwa 73,2 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec.
Das scheinbare Paradoxon zwischen den beiden Messungen wird von Kosmologen als Hubble-Spannung bezeichnet. Niemand weiß, was die Ursache dafür ist, aber einige Hypothesen fordern eine neue Physik, um den scheinbaren Widerspruch zu erklären.
Eine mögliche Erklärung ist, dass es einen Messfehler auf der untersten Sprosse der kosmischen Entfernungsleiter gibt, auf der sich die Cepheiden-Variablen befinden. Dabei handelt es sich um Sterne mit einer Leuchtkraft, die vorhersehbar schwankt, wenn die Sterne pulsieren. Je länger die Pulsationsperiode zwischen den Momenten maximaler Leuchtkraft ist, desto größer ist diese maximale Leuchtkraft. Diese Beziehung zwischen Periode und Leuchtkraft ermöglicht es uns, ihre Entfernungen zur Erde genau zu berechnen. Man kann die Pulsationsperiode messen, um die maximale Leuchtkraft zu berechnen, und dann anhand der Helligkeit, die ein Cepheiden-Veränderlicher für uns am Himmel erscheint, berechnen, wie weit er entfernt sein muss, um so hell zu erscheinen.
Es ist allerdings keine ganz narrensichere Methode.
Das Hubble-Weltraumteleskop ist in der Lage, Cepheiden-Variablen in weit entfernten Galaxien zu beobachten, aber je weiter sie entfernt sind, desto schwieriger wird es, sie von all den anderen Sternen zu unterscheiden, die sich um sie herum drängen. Daher bestand die Sorge, dass unaufgelöste Sterne in der Nähe von Cepheiden in diesen weit entfernten Galaxien zu den scheinbaren Helligkeitswerten der Cepheiden beitragen und damit einen unsichtbaren und systematischen Fehler in den Messungen verursachen. Auch interstellarer Staub kann die Helligkeit von Cepheidenvariablen beeinflussen und sie aus unserer Sicht auf der Erde abschwächen.
Ein Beispiel für einen der Cepheiden in NGC 5468, aufgenommen mit dem Hubble-Weltraumteleskop (rechts) und dann viel deutlicher mit dem JWST (links). (Bildnachweis: NASA/ESA/CSA/STScI/Adam G. Riess (JHU/STScI))Neue Messungen, die mit dem James Webb Weltraumteleskop an fünf Galaxien durchgeführt wurden, die zusammen mehr als tausend Cepheiden-Variablen beherbergen, schließen diesen möglichen Fehler aus. Die Infrarotsicht des JWST ist in der Lage, den interstellaren Staub zu durchdringen, und seine höhere Auflösung ermöglicht es, die Cepheiden-Variablen klar aufzulösen, so dass sie sich von der Masse abheben. Anhand dieser JWST-Messungen stellten die Astronomen unter der Leitung von Adam Riess von der Johns Hopkins University fest, dass die ursprünglichen Messungen von Hubble genau richtig waren.
„Wir haben jetzt den gesamten Bereich dessen, was Hubble beobachtet hat, abgedeckt und können einen Messfehler als Ursache der Hubble-Spannung mit sehr hoher Sicherheit ausschließen“, so Riess in einer Erklärung.
Die fünf vom JWST beobachteten Galaxien, von denen die am weitesten entfernte NGC 5468 130 Millionen Lichtjahre von uns entfernt ist, waren in den letzten Jahrzehnten auch Schauplatz von insgesamt acht Supernovae vom Typ Ia. Diese Supernovae, die die Zerstörung von Weißen Zwergen signalisieren, haben eine standardisierbare Leuchtkraftkurve und bilden die nächste Sprosse auf der kosmischen Entfernungsleiter über den Cepheiden. Da die vorhergehende Sprosse zur Kalibrierung der nächsten Sprosse erforderlich ist, machen die JWST-Beobachtungen von Cepheiden-Variablen die Entfernungsmessungen mit Supernovae vom Typ Ia – die hell genug sind, um in viel weiter entfernten Galaxien als Cepheiden gesehen zu werden – genauer. Und auch sie sagen uns, dass es einen Widerspruch in den verschiedenen Messungen der Hubble-Konstante gibt.
„Wenn man die Messfehler ausschließt, bleibt die reale und spannende Möglichkeit, dass wir das Universum falsch verstanden haben“, so Riess.
Die Ergebnisse des Teams haben lange auf sich warten lassen, da sie bereits auf dem Preprint-Server arxiv verfügbar waren und Ende letzten Jahres für Gesprächsstoff sorgten. Aber jetzt, da sie vollständig veröffentlicht sind, können wir vielleicht endlich das Kapitel der Hubble-Spannung abschließen, für die niemand anderes als Hubble selbst verantwortlich ist.
Die Ergebnisse von Riess‘ Team wurden am 6. Februar in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
