Die Messung, die das Verständnis des Universums verändert

Je nach Methode kommen Astronomen auf unterschiedliche Zahlen, wenn sie die Geschwindigkeit schätzen, mit der sich unser Universum ausdehnt. Forscher der EPFL haben kürzlich einen kosmischen Maßstab gefunden, der Berechnungen mit einer bisher unbekannten Genauigkeit und Zuverlässigkeit liefert.

Das Universum dehnt sich immer weiter aus. Doch wie schnell dehnt es sich genau aus? Seit einigen Jahren wird diese Frage in der weltweiten Gemeinschaft der Astrophysiker und Kosmologen diskutiert. Denn ihre Berechnungen unterscheiden sich, je nachdem, ob sie die kosmische Expansionsrate anhand des Echos des Urknalls (der kosmologischen Hintergrundstrahlung) oder anhand der heutigen Sterne und Galaxien schätzen. Dies wird als Hubble-Spannung bezeichnet. Nun bringt eine Studie der EPFL, die heute in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurde, ein neues Element dazu.

Das Team um Richard Anderson, der die Forschungseinheit Stellar Standard Candles and Distances am Institut für Physik der Schule leitet, hat die bislang genaueste Kalibrierung von Cepheiden, Sternen, deren Helligkeit über einen bestimmten Zeitraum schwankt, durchgeführt. Obwohl sie in der Kosmologie üblicherweise als Hilfsmittel zur Messung astronomischer Entfernungen verwendet werden, haben die Forscher auf diese Weise ihre Zuverlässigkeit erheblich verbessert. Durch die Anwendung der Methode auf die Daten des Gaia-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) gelang es ihnen, die Expansionsgeschwindigkeit des Universums mit einer bisher nicht gekannten Genauigkeit zu berechnen. Die Hubble-Konstante (H0) wird in km/s/Mpc angegeben, d. h. in Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec. Ein Megaparsec entspricht etwa 3,26 Millionen Lichtjahren.

In der Studie wurde eine "kosmische Entfernungsskala" verwendet. Basierend auf den Prinzipien der Trigonometrie ermöglicht diese Methode Messungen in Stufen. Die absolute Kalibrierung der Helligkeit der Cepheiden ist die erste dieser Stufen. Sie dient dann als Anhaltspunkt für die Berechnung der Entfernung weiter entfernter Objekte, wie z. B. Supernovae, gewaltige Explosionen von Sternen am Ende ihres Lebens. Mit dieser Technik bestätigten die Forscher die Ergebnisse des SH0ES-Teams (Supernovae H0 for the Equation of State of dark energy) unter der Leitung des Nobelpreisträgers Adam Riess (Physik, 2011), das die Hubble-Konstante auf 73,0 +/- 1,0 km/s/Mpc setzt.

Erstes Licht

Dies ist jedoch nicht die einzige mögliche Berechnungsmethode. Die Hubble-Konstante kann auch durch die Analyse der kosmischen Hintergrundstrahlung bestimmt werden, einer spektralen Darstellung des allerersten Lichts, das vom Universum nach dem Urknall vor über 13 Milliarden Jahren ausgestrahlt wurde, und von der der europäische Satellit Planck vollständigere Daten liefern konnte. Mit diesem Verfahren ergeben die Berechnungen eine Expansionsgeschwindigkeit von 67,4 +/- 0,5 km/s/Mpc.

Es gibt also eine Divergenz von fast sechs Kilometern pro Sekunde und Megaparsec (5.6 km/s/Mpc ), je nachdem, ob man mit der kosmischen Hintergrundstrahlung (frühes Universum) oder mit der Methode der kosmischen Skala (junges Universum) rechnet. Und das ist es also, was als "Hubble-Spannung" bezeichnet wird und diese begründet.

Wenn man davon ausgeht, dass die Ergebnisse beider Methoden erprobt und richtig sind, bedeutet dies, dass unser Verständnis des Universums und der physikalischen Gesetze, die es beherrschen, nicht richtig ist. Die Unfehlbarkeit der Methoden ist daher von entscheidender Bedeutung.

In diesem Zusammenhang ist die neue Studie der EPFL von Bedeutung, da sie die Zuverlässigkeit der ersten Stufe der Entfernungsskala erhöht. Indem sie die Kalibrierung der Cepheiden als astronomische Entfernungsmesser verbessert, erhöht sie die Genauigkeit dieses Instruments auf +/- 0,9% und bestätigt damit auch die Relevanz von Messungen aus dem jüngeren Universum. In Zusammenarbeit mit dem SH0ES-Team haben die an der EPFL erzielten Ergebnisse außerdem dazu beigetragen, die Messung der Hubble-Konstante zu verfeinern.

"Wir haben nicht nur eine Expansionsrate von 73 km pro Sekunde und Megaparsec bestätigt, sondern vor allem die genauesten und zuverlässigsten Messungen geliefert, die bis heute durchgeführt wurden", kommentiert Richard Anderson. Diese Ergebnisse erzielten wir, indem wir nach Cepheiden suchten, die zu Sternhaufen aus mehreren hundert Sternen gehören, und nachschauen, ob sie sich koordiniert durch die Milchstraße bewegen. Mit diesem Trick konnten wir die Daten des Gaia-Satelliten und die Parallaxenmessungen optimal nutzen und gleichzeitig von der erhöhten Genauigkeit profitieren, die die vielen Mitgliedssterne des Sternhaufens mit sich bringen. So konnten wir die stärkste Basis liefern, auf der die Entfernungsskala aufbauen kann".

Grundlegende Begriffe neu beleben

Warum ist ein Unterschied von ein paar Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec, der in der Größenordnung des Universums unbedeutend erscheinen mag, so wichtig? Dieser Unterschied ist von entscheidender Bedeutung", erklärt Richard Anderson. Stellen Sie sich vor, Sie wollen einen Tunnel bauen, indem Sie von zwei verschiedenen Seiten in den Berg graben. Wenn Sie die Beschaffenheit des Gesteins richtig verstanden haben und Ihre Berechnungen stimmen, werden die beiden Maschinen aufeinandertreffen. Wenn nicht, gibt es einen Haken, entweder bei den Messungen oder beim Verständnis des Berges selbst. So ähnlich verhält es sich mit der Hubble-Konstante. Je zuverlässiger unsere Berechnungen sind, desto mehr deutet dieser Unterschied in den Ergebnissen darauf hin, dass wir nicht verstanden haben, was das Universum ist, dass es nicht ganz so ist, wie wir es uns vorgestellt haben".

Dieser Unterschied hat viele Auswirkungen. Er stellt einige Grundlagen in Frage, wie zum Beispiel die Natur der dunklen Energie, der Raumzeit und der Gravitation. "Er zwingt uns, grundlegende Konzepte zu überdenken, von denen unser allgemeines Verständnis der Physik abhängt", erklärt der Forscher.

Die Studie bietet noch weitere Vorteile. Mauricio Cruz Reyes, Doktorand bei der Anderson-Gruppe und Erstautor der Studie, erklärt: "Die Genauigkeit dieser Messungen ermöglicht es uns, die Geometrie unserer Galaxie, der Milchstraße, besser zu verstehen. Dank der präzisen Kalibrierung, die wir entwickelt haben, können wir die Form und Größe der Milchstraße, die eine flache Scheibengalaxie ist, besser messen, aber auch die Entfernungen zu anderen Galaxien und so weiter. Außerdem konnten wir durch den Vergleich der Gaia-Daten mit den Daten verschiedener anderer Teleskope deren hohe Zuverlässigkeit bestätigen."

Referenzen

"A 0.9% calibration of the Galactic Cepheid luminosity scale based on Gaia DR3 data of open clusters and Cepheids", Mauricio Cruz Reyes and Richard I. Anderson. Veröffentlicht in Astronomy&Astrophysics am 4. April 2023.