Ein Blick auf den tiefen Weltraum und ferne Galaxien, wie sie das JWST sieht (Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, Jose M. Diego (IFCA), Jordan C. J. D’Silva (UWA), Anton M. Koekemoer (STScI), Jake Summers (ASU), Rogier Windhorst (ASU), Haojing Yan (University of Missouri))
Neue Beobachtungen des James Webb Weltraumteleskops (JWST) haben die Daten seines Vorgängers, des Hubble Weltraumteleskops, bestätigt und zeigen, dass etwas in unserem Rezept des Kosmos fehlt.
Das JWST führte seine bisher größte Untersuchung der sich beschleunigenden Expansion des Kosmos durch, um herauszufinden, warum sich das Universum heute schneller ausdehnt, als es nach unserem Bild von seinen Anfängen vor Milliarden von Jahren der Fall sein sollte. Derzeit gehen die Wissenschaftler davon aus, dass die beschleunigte Ausdehnung durch ein Platzhalterelement, die „dunkle Energie“, verursacht wird, aber sie müssen erst wissen, was dunkle Energie eigentlich ist, bevor eine schlüssige Erklärung gefunden werden kann.
Die JWST-Untersuchung diente dazu, Beobachtungen von Hubble zu überprüfen, die auf eine Diskrepanz bei der Messung der kosmischen Expansionsrate, der so genannten Hubble-Konstante, hindeuteten. Dieses Problem wurde als „Hubble-Spannung“ bezeichnet, und die neuen Erkenntnisse zeigen, dass Fehler in den Daten des gleichnamigen Weltraumteleskops, das seit langem im Einsatz ist, nicht dafür verantwortlich sind.
Da die Hubble-Spannung weder durch unsere besten Modelle des Universums noch durch Fehler in den Hubble-Messungen erklärt werden kann, scheint noch eine zusätzliche Zutat in unserem kosmischen Rezept erforderlich zu sein.
„Die Diskrepanz zwischen der beobachteten Expansionsrate des Universums und den Vorhersagen des Standardmodells deutet darauf hin, dass unser Verständnis des Universums unvollständig sein könnte“, sagte Teamleiter Adam Reiss, Astrophysiker an der Johns Hopkins University, in einer Erklärung. „Mit zwei NASA-Flaggschiff-Teleskopen, die nun gegenseitig ihre Ergebnisse bestätigen, müssen wir dieses Problem [Hubble-Spannung] sehr ernst nehmen – es ist eine Herausforderung, aber auch eine unglaubliche Chance, mehr über unser Universum zu erfahren. 2011 erhielt Reiss den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung der dunklen Energie, einer geheimnisvollen Kraft, die die Beschleunigung der Expansion des Universums antreibt. Diese neue Forschung baut auf der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Arbeit auf.
Inhaltsübersicht
Was ist die Hubble-Spannung?
Da die Expansion des Universums in sehr großen Maßstäben abläuft, ist die Hubble-Spannung nichts, was uns in unserem Alltag oder in den Maßstäben des Sonnensystems oder sogar der Milchstraße betrifft.
Richtig problematisch wird diese Diskrepanz, wenn man die Entfernungen zwischen Galaxien und die größere Struktur des Universums betrachtet. Das bedeutet, dass Kosmologen die Entwicklung des Universums nicht wirklich verstehen können, solange sie nicht wissen, was die Ursache der Hubble-Spannung ist.
Die Hubble-Spannung ergibt sich aus der Tatsache, dass es zwei Möglichkeiten zur Berechnung der Hubble-Konstante gibt. Wissenschaftler können Dinge wie Entfernungen zu Supernovae des Typs Ia oder veränderlichen Sternen, die sie „Standardkerzen“ nennen, verwenden, um die Entfernungen von der Erde zu den Galaxien zu messen, in denen sie sich befinden, und dann bestimmen, wie schnell sich diese Galaxien entfernen.
Sie können auch unsere Modelle der kosmischen Entwicklung nutzen, um das Universum „vorwärts zu spulen“ und zu berechnen, wie hoch die Hubble-Konstante heute sein sollte.
Wenn jedoch Messungen der Hubble-Konstante im lokalen Universum durchgeführt werden, sind sie höher als der Wert, der durch das beste Modell, das wir für die kosmische Entwicklung haben, das Modell der kalten dunklen Materie (Lambda Cold Dark Matter, LCDM), auch bekannt als das Standardmodell der Kosmologie, vorhergesagt wird.
Ein Diagramm, das die Entwicklung des Universums nach dem vorherrschenden Modell der kalten dunklen Materie zeigt (Bildnachweis: NASA/ LAMBDA Archive / WMAP Science Team)
Die auf dem LCDM basierende 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 Messungen auf der Grundlage von Teleskopbeobachtungen regelmäßig einen höheren Wert zwischen 157.000 mph pro Mpc und 170.000 mph pro Mpc (70 bis 76 km/s/Mpc) ergeben.
Ein Mpc entspricht 3,26 Lichtjahren oder 5,8 Billionen Meilen (9,4 Billionen Kilometer). Dies ist eine enorme Diskrepanz, von der Wissenschaftler befürchteten, dass sie zu groß ist, um durch Unsicherheiten in den Beobachtungen erklärt zu werden.
Sieht aus, als hätten sie Recht gehabt!
Hubble hatte recht!
Um die Ergebnisse von Hubble zu bestätigen, wendeten sich Reiss und Kollegen der größten Datenmenge zu, die das JWST in den ersten beiden Betriebsjahren gesammelt hat und die aus zwei verschiedenen Projekten stammt.
Um die Hubble-Konstante zu messen, verwendeten sie drei unabhängige Methoden, um die Entfernung zu anderen Galaxien zu bestimmen. Zunächst verwendeten sie so genannte „Cepheid-Variablen“, pulsierende Sterne, die als Goldstandard für die Messung kosmischer Entfernungen gelten. Anschließend überprüfte das Team die Ergebnisse mit Messungen, die auf kohlenstoffreichen Sternen und den hellsten roten Riesen in denselben Galaxien basieren.
Das Team hat sich insbesondere auf die von Hubble gemessenen galaktischen Entfernungen konzentriert.
Die Forschung des Teams mit dem JWST deckte etwa ein Drittel der gesamten von Hubble gesichteten Galaxien ab, wobei die Galaxie Messier 106 (M106), auch bekannt als NGC 4258, die sich in einer Entfernung von etwa 23 Millionen Lichtjahren im Sternbild Canes Venaticias befindet, als Referenzpunkt diente.
Die Galaxie M106, wie sie vom JWST gesehen und zur Überprüfung der Hubble-Messungen verwendet wurde (Bildnachweis: ESA/Webb, NASA & CSA, J. Glenn)
Dadurch konnten sie nicht nur die bisher präzisesten lokalen Messungen der Hubble-Konstante durchführen, sondern auch unabhängig überprüfen, ob Hubbles Entfernungsmessungen korrekt waren.
Die vom JWST beobachteten Galaxien ergaben eine Hubble-Konstante von etwa 162.400 mph pro Mpc (72,6 km/s/Mpc), was nahezu identisch mit dem von Hubble für dieselben Galaxien ermittelten Wert von 162849 mph pro Mpc (72,8 km/s/Mpc) ist.
Damit wird die Möglichkeit ausgeschlossen, dass die Hubble-Spannung nur ein Artefakt ist, das durch eine erhebliche Verzerrung der Messungen des altgedienten Weltraumteleskops entsteht.
„Die JWST-Daten sind so, als würde man das Universum zum ersten Mal in hoher Auflösung betrachten, und sie verbessern das Signal-Rausch-Verhältnis der Messungen erheblich“, sagte Siyang Li, Mitglied des Teams und Doktorand an der Johns Hopkins University.
Das bedeutet natürlich, dass es immer noch ein Problem mit der Hubble-Spannung gibt, das gelöst werden muss. Da die Expansion des Universums auf sehr großen Skalen abläuft
Der Johns Hopkins Kosmologe Marc Kamionkowski, der nicht an dieser Studie beteiligt war, glaubt, dass die Lösung der Hubble-Spannung ein neues Element in unseren Modellen des Universums erfordert. Er hat eine Idee, was dieses Element sein könnte.
„Eine mögliche Erklärung für die Hubble-Spannung wäre, dass in unserem Verständnis des frühen Universums etwas fehlt, z. B. eine neue Materiekomponente – die frühe dunkle Energie -, die dem Universum nach dem Urknall einen unerwarteten Kick gegeben hat“, so Kamionkowski in der Erklärung. „Und es gibt noch andere Ideen, wie zum Beispiel seltsame Eigenschaften der dunklen Materie, exotische Teilchen, sich verändernde Elektronenmassen oder primordiale Magnetfelder, die den Trick ausmachen könnten. „Die Theoretiker haben die Lizenz, ziemlich kreativ zu werden.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Montag (9. Dezember) im Astrophysical Journal veröffentlicht.
