NGC 3972, eine 66 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie in Ursa Major, war eine der 10 Galaxien, die in einer neuen Studie zur Messung der Expansion des Universums herangezogen wurden (Bildnachweis: Yuval Harpaz, Daten über JWST)
Es scheint, dass die Beobachtungen des James Webb Weltraumteleskops an 10 nahe gelegenen Galaxien darauf hindeuten, dass die Hubble-Spannung – eine rätselhafte Diskrepanz in den Messungen der Expansionsrate des Universums – möglicherweise doch nicht real ist.
Die Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops haben den Durchschnittswert der Hubble-Konstante (H0), die für die Bestimmung der Expansionsrate des Universums entscheidend ist, auf 69,96 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec festgelegt. Dieser Wert stimmt zwar mit den Vorhersagen des Standardmodells der Kosmologie überein, so dass die Frage eigentlich geklärt sein sollte, doch die Ergebnisse zeigen auch eine entscheidende Unstimmigkeit auf.
Im Jahr 2013 hat die Planck-Mission der Europäischen Weltraumorganisation die Hubble-Konstante mit 67,4 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec gemessen. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass sich jedes Megaparsec (eine Million Parsecs oder 3,26 Millionen Lichtjahre) jede Sekunde um 67,4 Kilometer ausdehnt. Das Planck-Wissenschaftlerteam konnte diesen Wert der Hubble-Konstante ableiten, indem es die grundlegenden Eigenschaften des Universums, die im Licht des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) eingefangen werden, gemessen und dann unser Standardmodell der Kosmologie angewandt hat, um die Expansionsrate vorherzusagen. Unter der Annahme, dass das Standardmodell korrekt ist, sollte diese Methode bis auf 1 % genau sein.
Außerdem widersprechen die Messungen eines Teams unter der Leitung von Adam Riess von der Johns Hopkins University, das mit dem Hubble-Weltraumteleskop die kosmische Expansion anhand von Supernovae des Typs Ia, d. h. von Explosionen weißer Zwergsterne, gemessen hat, dem. Supernovae vom Typ Ia haben eine standardisierbare maximale Helligkeit, d. h. Astronomen können anhand ihrer Helligkeit messen, wie weit sie entfernt sein müssen. Diese Entfernung wird dann mit ihrer Rotverschiebung verglichen, denn je schneller das Universum expandiert, desto größer ist die Rotverschiebung eines Objekts. Nach dieser Methode liegt H0 bei 73,2 Kilometern pro Sekunde und Megaparsec, was bedeutet, dass sich das Universum schneller ausdehnt, als das Standardmodell vorhersagt. Diese Unstimmigkeit bezeichnen Wissenschaftler als Hubble-Spannung.
Und nun wirft die neue Arbeit unter der Leitung von Wendy Freedman von der University of Chicago einige schwierige Fragen auf.
Freedmans Team, das an einem Projekt namens Chicago-Carnegie-Hubble Program (CCHP) arbeitet, nutzte das JWST, um die Entfernung zu zehn relativ nahe gelegenen Galaxien zu messen, bei denen allesamt das Auftreten einer Supernova vom Typ Ia beobachtet wurde. Die Entfernungsmessungen wurden dann mit drei unabhängigen Mitteln überprüft.
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Die erste dieser drei unabhängigen Methoden ist als „Spitze des Roten-Riesen-Zweigs“ bekannt, die die maximale Helligkeit beschreibt, die entwickelte sonnenähnliche Sterne, Rote Riesen genannt, erreichen können. Bei der zweiten Methode handelt es sich um den so genannten asymptotischen Riesenast in der J-Region, der sich auf eine Gruppe kohlenstoffreicher roter Riesensterne bezieht, die eine ähnliche Eigenhelligkeit im Infraroten haben. Die dritte Gegenprobe wurde mit veränderlichen Cepheidensternen durchgeführt, die eine Beziehung zwischen Periode und Leuchtkraft aufweisen, die erstmals 1908 von Henrietta Swan Leavitt entdeckt wurde und die die Periode der Pulsation mit der maximalen Leuchtkraft verbindet. Mit anderen Worten, indem wir einfach messen, wie lange ein Stern zum Pulsieren braucht, können wir berechnen, wie groß seine maximale Helligkeit sein sollte, und dies mit der Helligkeit am Nachthimmel vergleichen, um abzuleiten, wie weit er entfernt sein muss.
Das CCHP-Team hat H0 mit 69,85 km/s/Mpc an der Spitze des Roten Riesenastes gemessen und 67,96 km/s/Mpc an den Kohlenstoffsternen. So weit, so gut – die zugehörigen Fehlerbalken umfassen die Planck-Messung von H0, wodurch sie gut mit dem Standardmodell übereinstimmen.
Die Cepheiden-Variablen spielten jedoch nicht mit. Aus ihnen ermittelte das CCHP-Team einen Wert von 72,04 km/s/Mpc, der nicht mit den anderen Messungen übereinstimmt. Zusammengenommen ergeben die vier Methoden einen Durchschnittswert von 69,96 km/s/Mpc.
„Auf der Grundlage dieser neuen JWST-Daten und unter Verwendung von drei unabhängigen Methoden finden wir keine eindeutigen Beweise für eine Hubble-Spannung“, sagte Freedman in einer Erklärung. „Im Gegenteil, es sieht so aus, als ob unser kosmologisches Standardmodell zur Erklärung der Entwicklung des Universums Bestand hat.“
Doch die Messungen der Cepheiden-Variablen scheinen weiterhin für Spannung zu sorgen. Cepheiden bilden die unterste Sprosse der kosmischen Entfernungsleiter, während Supernovae vom Typ Ia die nächste Sprosse bilden, da sie in größerer Entfernung als Cepheiden gesehen werden können. In der Arbeit von Riess‘ Gruppe – Supernova H0 for the Equation of State, kurz SH0ES – sind Cepheiden entscheidend für die Kalibrierung der Messungen von Supernovas vom Typ Ia.
Allerdings hat Freedman in der Vergangenheit Bedenken über ein mögliches Problem geäußert, das als „Crowding“ bezeichnet wird. Obwohl das Hubble-Weltraumteleskop über eine ausreichend hohe Auflösung verfügt, um veränderliche Cepheidensterne in anderen Galaxien zu identifizieren, ist es möglich, dass massearme Sterne in der Nähe eines Cepheiden unaufgelöst sind und schließlich mit dem Licht des Cepheiden verschwimmen, was die wissenschaftlichen Ergebnisse beeinträchtigt.
Anfang des Jahres leitete Riess ein Team, das mit dem JWST die Hubble-Beobachtungen von Cepheiden überprüfte und zu dem Schluss kam, dass Crowding kein Problem darstellt. In ihrem Forschungspapier weisen Freedman und seine Kollegen jedoch darauf hin, dass die beiden Methoden, die am wenigsten von Crowding betroffen sind – die Spitze des Roten Riesenastes und die Kohlenstoffsterne – Werte liefern, die mit dem Standardmodell übereinstimmen.
Während sich die Aufmerksamkeit nun auf die Messung der galaktischen Entfernungen mit Hilfe von Cepheid-Variablen konzentrieren wird, werden weitere Messungen mit dem JWST von Galaxien mit Supernovae vom Typ Ia von unschätzbarem Wert sein, um die Ergebnisse dieser 10 Galaxien zu bestätigen. Supernovae des Typs Ia in Galaxien, die auch auflösbare Cepheiden, Rote Riesen und Kohlenstoffsterne aufweisen, sind jedoch relativ selten, was bedeutet, dass es einige Zeit dauern kann, bis wir eine ausreichend große Stichprobe erhalten.
Die Ergebnisse des CCHP-Teams unter der Leitung von Freedman sind derzeit als Vorabdruck verfügbar und wurden zur Begutachtung bei The Astrophysical Journal eingereicht.
