Viele von uns wissen nicht, dass das Schicksal des Universums, das den Gesetzen der Allgemeinen Relativitätstheorie unterliegt und mit dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren begann, von Anfang an vorbestimmt war. Die Anfangsbedingungen sind ein Wettlauf zwischen der primären Expansion, die Materie und Energie zu den Seiten streut, und der Schwerkraft, die alles zusammenhält, die Expansion verlangsamt und, wenn möglich, das Universum beim Zusammenbruch komprimiert. Wenn wir wissen, wie sich das Universum ausdehnt und wie es in der Vergangenheit passiert ist, können wir berechnen, woraus es besteht und wie sein Schicksal aussehen wird - aber nur, wenn wir
die Vergangenheit genau messen können.
Diese Woche erhielt ich eine Vielzahl von Fragen zur Berichterstattung, dass das Universum schneller expandiert als erwartet. Das Problem ist folgendes: Wenn das Schicksal des Universums von der Geschwindigkeit der Expansion, der Gegenwart und der Vergangenheit abhängt und wir es falsch gemessen haben, können unsere Schlussfolgerungen über das Universum auch falsch sein? Könnte es keine dunkle Energie darin geben? Könnte es sein, dass das Universum von uns überhaupt nicht beschleunigt? Kann sich die Expansionsgeschwindigkeit in Zukunft verlangsamen und zu einer großen Komprimierung werden? Um diese Fragen zu beantworten, müssen Sie sich den wissenschaftlichen Grundlagen des Geschehens zuwenden.
Der einfachste Weg, die Ausdehnung des Universums zu messen, besteht darin, uns bekannte Objekte zu beobachten. Dies sind einzelne Sterne, rotierende Galaxien, Supernovae usw. Wir können ihre scheinbare Helligkeit und Rotverschiebung messen. Wenn wir die tatsächliche Helligkeit eines Objekts kennen - und für gut untersuchte Objekte kennen wir es - und seine scheinbare Helligkeit messen, können wir berechnen, wie weit es ist, genauso wie wir den Abstand zu einer 60-Watt-Lampe durch Messen seiner sichtbaren Helligkeit ermitteln können . Astronomen nennen solche Objekte „Standardkerzen“, weil diese Idee lange vor den Glühbirnen geboren wurde. Während sich das Universum ausdehnt, können wir durch Messen von Rotverschiebung und Entfernung beobachten, wie sich der Raum heute ausdehnt. Wenn wir mit immer größeren Entfernungen arbeiten, können wir beobachten, wie sich die Expansionsrate im Laufe der Zeit verändert hat.
Das Konzept funktioniert für viele verschiedene Objekte: variable Cepheid-Sterne, Schwankungen auf der Oberfläche von Spiralgalaxien, sich entwickelnde rote Riesen, rotierende Spiralgalaxien und Supernovae vom Typ Ia - letztere sind in den größten Entfernungen zu finden. Eine Kombination dieser Methoden wurde in den 90er und 2000er Jahren verwendet, um die Hubble-Expansionsrate des Universums mit unglaublicher Genauigkeit zu bestimmen: 72 ± 7 km / s / Mpc. Dies war ein Durchbruch im Vergleich zu früheren Schätzungen zwischen 50 und 100. Das Hubble-Weltraumteleskop, das diese Messungen durchführte, wurde so benannt, weil beabsichtigt wurde, die Hubble-Konstante zu messen!
Seitdem haben wir die Messungen weiter verfeinert und Fehler reduziert, was zu einem neuen Problem führte: Unterschiedliche Messungen ergeben unterschiedliche Werte der Expansionsrate.
Eine Möglichkeit, die Geschichte der Expansion des Universums zu messen, besteht darin, die Strahlung, das verbleibende Leuchten des Urknalls, zu reflektieren. Seine Schwankungen und einige allgemeine Eigenschaften ermöglichen es uns, die Expansionsrate zu berechnen. Der Planck-Satellit liefert einen Wert von
67 ± 2 km / s / Mpc , der mit früheren Messungen übereinstimmt und die Genauigkeit erhöht. Aus Galaxienhaufen auf den größten Skalen (baryonische akustische Schwingungen), die im Sloan Digital Sky Survey und anderen gemessen wurden, erhalten wir einen Wert von
68 ± 1 km / s / Mpc . Und diese beiden Dimensionen geben uns Werte, die sowohl vorherigen Messungen als auch einander entsprechen. Wenn wir uns jedoch den Daten zu Cepheiden und Supernovae zuwenden, wenn wir Cepheiden und Supernovae vom Typ Ia in derselben Galaxie untersuchen, erhalten wir denselben exakten Wert, der jedoch nicht mit den anderen übereinstimmt:
73 ± 2 km / s / Mpc .
Deshalb geht die ganze Aufregung weiter. Einige haben begonnen, exotische alternative Theorien anzubieten, wie die
Entwicklung der dunklen Energie , während andere bereits die Grundlagen der Kosmologie in Frage stellen. Es ist jedoch möglich und sogar wahrscheinlich, dass das Problem überhaupt nicht besteht. Diese Fehler enthalten nicht die systematischen Fehler oder Unsicherheiten, die dem Messprozess inhärent sind. Daten über Cepheiden und Supernovae ermöglichen es uns, die Leiter der kosmischen Entfernungen nachzubilden, in der jeder Schritt des expandierenden Universums auf einem näheren vorherigen aufgebaut ist. Wenn Sie frühzeitig einen Fehler machen:
• bei der Parallaxenmessung der nächsten Cepheiden,
• der Standard dieser Objekte,
• in Bezug auf die Helligkeit und Entfernung einer der Stufen,
• in der angenommenen tatsächlichen Helligkeit von Standardkerzen,
• über die Umgebung der erkannten Phänomene,
dann gilt dieser Fehler für alle nachfolgenden Konstruktionen. Trotz der geringen Unsicherheit dieser Distanzleiter sollte beachtet werden, dass es vier unabhängige Methoden zum Kalibrieren der Hubble-Konstante gibt, von denen jede einen anderen Wert von 71,82 bis 75,91 ergibt und der Fehler von jeder ungefähr 3 beträgt.
Es ist zu hoffen, dass die geplanten Parallaxenmessungen diese Unsicherheiten verbessern und dazu beitragen, die systematischen Fehler zu verstehen, die durch diese Unterschiede gehen. Es ist sehr interessant, ungewöhnliche Themen zu diskutieren, aber höchstwahrscheinlich bieten diese neuen Anzeichen von Unsicherheit in der Hubble-Konstante eine Gelegenheit, die astrophysikalischen Phänomene besser zu verstehen, aufgrund derer wir diese Werte erhalten und möglicherweise auf einen einzigen Wert der Expansionsgeschwindigkeit konvergieren, einen für alle Methoden. Unabhängig davon, ob sich der Wert um 73 ändert, ob er bei 70 bleibt oder auf 67 springt, ändert das Ergebnis unsere Parameter um einige Prozent, nicht jedoch unsere Schlussfolgerungen. Vielleicht ist das Universum nicht 13,8 Milliarden Jahre alt, sondern 13,5 Milliarden; vielleicht sind es 65% und nicht 70% der dunklen Energie; Vielleicht könnte in 40 Milliarden Jahren der Big Break passieren. Das Hauptbild des Universums bleibt jedoch unverändert. Der Schlüssel ist wie immer, die Grundlagen von Phänomenen zu entdecken und zu lernen, was uns das Universum lehrt.