Überraschung: Hubbles Konstante ist tatsächlich launisch

Ein Teil des Hubble eXtreme Deep Field- Beobachtungsbildes in Kombination aus UV, sichtbarem Licht und Infrarot ist der tiefste Blick in das Universum, den wir aufgenommen haben. Die verschiedenen hier sichtbaren Galaxien befinden sich in unterschiedlichen Entfernungen und weisen unterschiedliche Rotverschiebungen auf, wodurch wir das Hubble-Gesetz ableiten können.

Das Universum ist riesig und für Milliarden von Lichtjahren in alle Richtungen voller Sterne und Galaxien. Vom Urknall aus wandert Licht von jeder Quelle, die es erzeugt hat, und ein sehr kleiner Teil dieses Lichts erreicht unsere Augen. Aber Licht bewegt sich nicht nur durch den Raum vom Emissionspunkt zu dem Ort, an dem wir uns heute befinden. Außerdem erweitert sich das Raumgefüge.

Je weiter die Galaxie von uns entfernt ist, desto mehr erstreckt sich der Raum zwischen uns - und verschiebt sich in den roten Teil des Spektrums - das Licht, das schließlich zu unseren Augen kommen wird. Bei immer größeren Entfernungen sehen wir eine Zunahme der Rotverschiebung. Wenn wir darstellen, wie die scheinbare Geschwindigkeit der Entfernung von der Entfernung abhängt, erhalten wir eine schöne, direkte Beziehung: das Hubble-Gesetz . Aber die Steigung dieser Linie, die Hubble-Konstante, ist eigentlich überhaupt nicht konstant. Und dies ist eines der mächtigsten Missverständnisse in der gesamten Astronomie.


Abhängigkeit der Rotverschiebung von der Entfernung für entfernte Galaxien. Punkte, die nicht auf die Linie fallen, sind aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeiten vorgespannt, weichen jedoch nur geringfügig vom beobachteten Gesamtbild ab. Die ersten Daten, die Edwin Hubble selbst erhalten und zunächst zur Demonstration der Expansion des Universums verwendet hat, passen in ein kleines rotes Rechteck in der unteren linken Ecke.

Wir verstehen die Expansion des Universums auf zwei Arten: theoretisch und durch Beobachtung. Wenn wir das Universum beobachten, sehen wir einige wichtige Fakten im Zusammenhang mit der Expansion:

• Das Universum dehnt sich mit einer Geschwindigkeit in alle Richtungen aus.
• Je weiter die Galaxie entfernt ist, desto schneller bewegt sie sich von uns weg.
• All dies gilt nur im Durchschnitt.

In einzelnen Galaxien gibt es eine große Streuung der realen Geschwindigkeiten, die aufgrund von Gravitationswechselwirkungen mit der gesamten Materie des Universums besteht.


Ein zweidimensionaler Abschnitt der Teile des Universums, die uns am nächsten liegen und deren Dichte höher (rot) und niedriger (blau / schwarz) des Durchschnittswerts ist. Die Linien und Pfeile zeigen die Richtungen der besonderen Geschwindigkeiten, aber dieses ganze Bild ist in der Struktur des expandierenden Raums enthalten.

Dieses Problem ist jedoch nicht unüberwindbar. Es gibt mehr als ein paar Galaxien im Universum, deren Entfernung und Rotverschiebung wir messen können; Wir haben solche Messungen buchstäblich für Millionen von Galaxien durchgeführt. Wir können eine große Anzahl von Galaxien gruppieren, so dass sich jede Gruppe in einem bestimmten durchschnittlichen Abstand von uns befindet, und wir können ihre durchschnittliche Rotverschiebung berechnen. Nach diesem Verfahren finden wir eine einfache Beziehung, die das Hubble-Gesetz definiert.

Aber hier ist die Überraschung. Wenn Sie ausreichend große Entfernungen betrachten, wird deutlich, dass die Expansionsrate nicht mehr einem einfachen Gesetz entspricht und sich abrundet.


Die Abhängigkeit der sichtbaren Expansionsrate (y-Achse) von der Entfernung (x-Achse) entspricht der Tatsache, dass sich das Universum in der Vergangenheit schneller ausgedehnt hat, sich aber heute ausdehnt. Dies ist eine moderne (2014) Version von Hubbles Werk, die sich über tausendfach größere Entfernungen erstreckt. Beachten Sie, dass die Punkte keine gerade Linie bilden, was bedeutet, dass sich die Expansionsrate im Laufe der Zeit ändert.

Mit dem Begriff "Hubble-Konstante" meinen wir die Steigung dieser Linie. Wenn dies keine Linie ist - das heißt, wenn sich ihre Steigung ändert - deutet dies darauf hin, dass die Hubble-Expansionsrate des Universums keine Konstante ist! Wir nennen es die Hubble-Konstante, weil sich das Universum an jedem Punkt mit der gleichen Geschwindigkeit ausdehnt: Die Hubble-Konstante ist im Raum konstant.

Die Expansionsrate und der Wert der Hubble-Konstante ändern sich jedoch im Laufe der Zeit. Dies ist kein Rätsel, aber was zu erwarten war. Um dies zu verstehen, betrachten wir es aus einer anderen Perspektive: theoretisch.


Ethan Siegel auf dem Hintergrund des Hyperstrings der American Astronomical Society im Jahr 2017 zusammen mit der ersten Friedman-Gleichung auf der rechten Seite.
#Meine Lieblingsgleichung
Friedmans erste Gleichung sagt die Expansionsrate des Universums basierend auf seinem Inhalt voraus

Die erste Friedman-Gleichung erhalten wir, wenn wir mit einem Universum beginnen, das gleichmäßig mit Materie, Strahlung und allen anderen Energieformen gefüllt ist. Die einzigen hier verwendeten Annahmen sind, dass das Universum isotrop (in alle Richtungen gleich), homogen (überall gleich dicht) ist und der Allgemeinen Relativitätstheorie folgt. Wenn Sie dies akzeptieren, erhalten Sie die Beziehung zwischen der Größe von H, der Hubble-Geschwindigkeit (links) und verschiedenen Formen von Materie und Energie des Universums (rechts):


Friedmans erste Gleichung, wie sie heute normalerweise geschrieben wird. Der linke Teil bestimmt die Expansionsgeschwindigkeit und die Entwicklung der Raumzeit, und der rechte Teil enthält alle verschiedenen Formen von Materie und Energie sowie die räumliche Krümmung

Interessanterweise können sich mit der Expansion des Universums die Dichten von Materie, Strahlung und Energie ändern. Zum Beispiel nimmt mit der Expansion des Universums sein Volumen zu, aber die Gesamtzahl der Teilchen bleibt unverändert. Dies bedeutet, dass in einem expandierenden Universum:

• Materiedichte fällt als ^-3 ,
• die Strahlungsdichte sinkt wie ein ^-4 ,
• Die Dichte der dunklen Energie bleibt konstant und entwickelt sich als ⁰ ,

Dabei ist a der Skalierungsfaktor (Abstand oder Radius) des Universums. Mit der Zeit wächst a und die verschiedenen Komponenten des Universums werden relativ zueinander mehr oder weniger wichtig.


Wie Materie (oben) entwickeln sich Strahlung (in der Mitte) und kosmologische Konstante (unten) im Laufe der Zeit in einem expandierenden Universum

Ein Universum mit einer höheren Energiedichte dehnt sich schneller aus. Umgekehrt dehnt sich ein Universum mit einer geringeren Energiedichte langsamer aus. Mit zunehmendem Alter dehnt sich das Universum aus: Mit der Ausdehnung werden Materie und Strahlung weniger dicht; Mit abnehmender Dichte nimmt auch die Expansionsrate ab. Zu jedem Zeitpunkt bestimmt die Expansionsrate den Wert der Hubble-Konstante. In der fernen Vergangenheit war die Expansionsrate viel höher, heute ist sie jedoch die langsamste.


Verschiedene Komponenten und Beiträge zur Energiedichte des Universums und Perioden ihrer Dominanz. Wenn kosmische Strings oder Domänenwände in einer signifikanten Menge existieren würden, würden sie einen signifikanten Beitrag zur Expansion des Universums leisten. Es kann sogar einige andere Komponenten des Universums geben, die wir nicht mehr sehen oder die sich gerade beweisen werden! Bis heute dominiert dunkle Energie, Materie ist sehr wichtig und Strahlung kann vernachlässigt werden.

Warum unterliegen sehr entfernte Galaxien dieser direkten Beziehung? Denn alles Licht, das zu unseren Augen kommt, vom Licht einer benachbarten Galaxie bis zum Licht einer Galaxie, die Milliarden von Lichtjahren von uns entfernt ist, erreicht 13,8 Milliarden Jahre, wenn wir uns ihr nähern. Als das Licht kam, hatte alles im Universum dasselbe sich ständig verändernde Universum gelebt wie wir. Hubbles Konstante in der Vergangenheit, als der größte Teil des Lichts emittiert wurde, war höher, aber es dauerte Milliarden von Jahren, um dieses Licht in unsere Augen zu bringen.


Licht kann mit verschiedenen Wellenlängen emittiert werden, aber die Expansion des Universums wird es auf dem Weg dehnen. Das vor 13,4 Milliarden Jahren von der Galaxie im ultravioletten Licht emittierte Licht wird in den Infrarotbereich verschoben.

Im Laufe der Zeit dehnte sich das Universum aus, was bedeutet, dass die Wellenlänge des Lichts zunahm. Dunkle Energie ist erst in den letzten 6 Milliarden Jahren ziemlich wichtig geworden, und wir haben den Punkt erreicht, an dem sie ziemlich schnell zum einzigen Bestandteil des Universums wird, der die Geschwindigkeit seiner Expansion beeinflusst. Wenn wir zu einer Zeit zurückkehren würden, als das Universum zweimal jünger war, wäre die Expansionsrate 80% höher als heute. Und als das Universum 10% des gegenwärtigen Alters betrug, war die Expansionsrate 17-mal höher als heute.

Wenn das Universum zehnmal älter als heute wird, wird seine Expansionsrate 18% der heutigen betragen.


Blau schattierte den Bereich möglicher Unsicherheiten darüber, wie die Dichte der dunklen Energie in der Vergangenheit und Zukunft abweichen kann. Die Daten zeigen das Vorhandensein einer wahren kosmologischen "Konstante" an, aber bisher hat niemand andere Möglichkeiten abgelehnt. Leider kann die Umwandlung von Materie in Strahlung kein Kandidat für dunkle Energie sein; Infolgedessen verhält sich das, was sich zuvor wie Materie verhalten hat, einfach wie Strahlung.

Alles wegen der Anwesenheit von dunkler Energie, die sich wie eine kosmologische Konstante verhält. In ferner Zukunft werden Materie und Strahlung im Vergleich zur Dunklen Energie relativ unwichtig, was bedeutet, dass die Energiedichte des Universums konstant bleibt. Unter solchen Bedingungen wird die Expansionsrate einen stabilen und endlichen Wert erreichen und wird dies auch bleiben. In ferner Zukunft wird die Hubble-Konstante nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich konstant.

In ferner Zukunft erhalten wir durch Messen der Geschwindigkeit und Entfernung zu allen sichtbaren Objekten überall die gleiche Steigung dieser Linie. Hubble-Konstante wird wirklich konstant.


Die relative Bedeutung der verschiedenen Komponenten der Energie des Universums zu unterschiedlichen Zeiten in der Vergangenheit. Wenn sich die Dunkle Energie in Zukunft 100% nähert, bleibt die Energiedichte des Universums über einen willkürlich großen Zeitraum konstant.

Wenn Astronomen Wörter genauer handhaben, würden sie H als Hubble-Parameter und nicht als Hubble-Konstante bezeichnen, da sie sich mit der Zeit ändern. Aber für mehrere Generationen hintereinander konnten wir relativ kurze Entfernungen messen, und H schien konstant zu sein, so dass wir es nicht umbenannten. Wir müssen nur klarstellen, dass H eine Funktion der Zeit ist, und erst heute - wenn wir es H _{0 nennen} - ist es konstant. Tatsächlich ändert sich der Hubble-Parameter mit der Zeit und bleibt nur im gesamten Raum konstant. Aber wenn wir in einer fernen Zukunft leben würden, würden wir sehen, dass sich H irgendwann nicht mehr ändert. Heute können wir die realen konstanten Werte und diejenigen, die sich im Laufe der Zeit ändern, sorgfältig trennen, aber in ferner Zukunft wird dieser Unterschied dank der dunklen Energie nicht länger bestehen.