Wie schnell expandiert das Universum?

Hubble- und Gaia-Teams kommen zusammen, um heute die genaueste Messung durchzuführen

In den 1920er Jahren machte Edwin Hubble eine revolutionäre Entdeckung - es stellte sich heraus, dass sich das Universum ausdehnt. Dieser Zustand wurde zunächst durch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt. Die Geschwindigkeit dieser Erweiterung wird als Hubble-Konstante bezeichnet . Bis heute haben Astronomen mit Hilfe moderner Teleskope - wie dem Hubble-Teleskop - diesen Wert bereits mehrfach neu gemessen und überarbeitet.

Diese Messungen bestätigten, dass die Expansionsrate im Laufe der Zeit zunahm, obwohl die Wissenschaftler nicht sicher sind, warum. Jüngste Messungen wurden von einem internationalen Team von Wissenschaftlern durchgeführt, die Daten aus dem Hubble verwendeten und diese dann mit Daten verglichen, die am Gaia- Observatorium der Europäischen Weltraumorganisation erhalten wurden. Als Ergebnis wurden die bisher genauesten Messungen der Hubble-Konstante erhalten, die jedoch die Fragen nach der kosmischen Beschleunigung nicht beseitigten.

Eine Studie, die diese Entdeckungen beschreibt, wurde im Juli im Astrophysical Journal mit dem Titel „Die Milchstraßen-Cepheid-Standards zur Messung der kosmischen Entfernung und ihre Anwendung auf Gaia DR2: Implikationen für die Hubble-Konstante“ veröffentlicht. An der Studie nahmen Wissenschaftler des Space Research Institute teil, die das Weltraumteleskop verwendeten, der Johns Hopkins University, des National Institute of Astrophysics, der University of California in Berkeley, der Texas A & M University und des European Southern Observatory.


Drei Stufen der Messung der Hubble-Konstante: Messung der Parallaxe für Cepheiden, Messung von Galaxien mit Cepheiden und Supernovae vom Typ Ia, Messung entfernter Galaxien mit Supernovae vom Typ Ia.

Seit 2005 arbeitet Adam Riess , ein Nobelpreisträger, der mit dem Weltraumforschungsinstitut unter Verwendung des Weltraumteleskops und der Johns Hopkins-Universitäten zusammenarbeitet, daran, den Wert der Hubble-Konstante zu verfeinern und den Prozess des Aufbaus der Weltraumtreppe für Entfernungen zu verbessern und zu verbessern. Zusammen mit ihrem Team, das als „Verwendung der Supernova H0 zur Berechnung der Zustandsgleichung“ ( Supernova H0 für die Zustandsgleichung , SH0ES) bekannt ist, konnten sie den Messfehler der Expansionsrate des Universums erfolgreich auf 2,2% reduzieren.

Im Detail haben Astronomen traditionell die Entfernungsskala in der Astronomie oder die Entfernungsleiter verwendet, um Entfernungen zu entfernten Objekten im Universum zu messen. Es basiert auf Meilensteinen wie variablen Cepheid- Sternen - pulsierenden Sternen, deren Entfernung durch Vergleich ihrer absoluten Helligkeit mit der sichtbaren berechnet werden kann [und die absolute Helligkeit kann basierend auf der Welligkeitsperiode / ca. berechnet werden. übersetzt.]. Solche Messungen werden dann mit der Rotverschiebung von Licht aus entfernten Galaxien verglichen, um zu bestimmen, wie schnell sich der Raum zwischen Galaxien ausdehnt.

Daraus leitet sich auch die Hubble-Konstante ab. Eine andere Methode ist die Beobachtung von Reliktstrahlung und die Verfolgung der Expansion des frühen Universums - wenn seit dem Urknall etwa 378.000 Jahre vergangen sind -, aus der die moderne Expansionsgeschwindigkeit mithilfe von Physik und Extrapolation abgeleitet wird. Zusammen sollten diese Methoden einen Zeitplan für die Expansion des Universums von Anfang an bis heute liefern.

Astronomen wissen jedoch seit langem, dass diese beiden Messungen nicht zusammenfallen. In einer früheren Studie , als Riess und das Team auch mit dem Hubble-Teleskop forschten, erhielten sie einen konstanten Wert von 73 km / s / Mpc. Die Ergebnisse der Messungen des Planck-Observatoriums (bei denen Reliktstrahlung von 2009 bis 2013 beobachtet wurde) legen nahe, dass die Hubble-Konstante 67 km / s / Mpc und mit Sicherheit nicht mehr als 69 betragen sollte - und dies ist ein Unterschied von bis zu 9%


Reliktstrahlung in Pseudofarben

Wie Riess kürzlich in einer Pressemitteilung der NASA feststellte:

Die Spannung entwickelte sich zu einer echten Unvereinbarkeit unserer Vorstellung vom frühen und späten Universum. Es wurde klar, dass dies nicht länger das Ergebnis eines schrecklichen Fehlers in einer der Dimensionen war. Es ist, als hätten Sie das Wachstum eines Kindes gemäß dem Wachstumsplan der Menschen vorhergesagt und dann festgestellt, dass es nach seiner Reife die Erwartungen weit übertroffen hat. Wir sind völlig verblüfft.

In diesem Fall verwendeten Riss und Kollegen das Hubble-Teleskop, um die Helligkeit entfernter Cepheiden abzuschätzen, und Gaia lieferte Parallaxendaten - die offensichtliche Änderung der Position eines Objekts in Abhängigkeit von seinem Standpunkt -, die zur Bestimmung der Entfernung erforderlich ist. Gaias weiterer Beitrag war die Messung von Entfernungen von bis zu 50 Cepheiden der Milchstraße, die mit Hubble-Messungen kombiniert wurden.

Dies ermöglichte es den Astronomen, Cepheiden genauer zu kalibrieren und diejenigen, die sich außerhalb der Milchstraße befinden, als Marker zu verwenden. Mit den von Hubble erhaltenen Messungen und neuen Daten von Gaia konnten Riss und Kollegen den gemessenen Wert der Expansionsgeschwindigkeit auf 73,5 km / s / Mpc verfeinern.


Der Gaia-Satellit der Europäischen Weltraumorganisation erfüllt derzeit seine fünfjährige Mission, eine Karte der Sterne der Milchstraße zu erstellen.

Stefano Casertano vom Space Telescope Space Research Institute und Mitglied des SH0ES-Teams fügte hinzu:

Hubble ist überraschend gut darin, als Allzweckobservatorium zu dienen, aber Gaia ist der neue Standard für die Entfernungskalibrierung. Es wurde speziell zur Messung der Parallaxe entwickelt - es wurde dafür entwickelt. Gaia bietet neue Möglichkeiten zur Neukalibrierung aller zuvor gemessenen Entfernungen und bestätigt unsere bisherigen Arbeiten. Wir erhalten den gleichen Wert für die Hubble-Konstante, wobei alle vorherigen Kalibrierungen der Entfernungsskala durch nur die von Gaia erhaltenen Parallaxenwerte ersetzt werden. Dies ist eine Gegenprüfung zweier leistungsstarker und genauer Observatorien.

Riess und sein Team hoffen, auch in Zukunft mit Gaia zusammenarbeiten zu können, um den mit der Hubble-Konstante verbundenen Fehler bis Anfang der 2020er Jahre auf 1% zu reduzieren. In der Zwischenzeit wird die Diskrepanz zwischen der aktuellen Expansionsrate und der aus den CMB-Daten erhaltenen Astronomen weiterhin in Erstaunen versetzen.

Am Ende könnte dies ein Zeichen dafür sein, dass eine andere Physik im Universum arbeitet, dass dunkle Materie nicht wie von Wissenschaftlern vermutete mit normaler Materie interagiert oder dass sich dunkle Energie als noch exotischer herausstellt als bisher angenommen. Was auch immer der Grund sein mag, es ist klar, dass das Universum immer noch Überraschungen für uns hat!