Ausdehnung des Universums: Schneller als die Physik erlaubt

Aktuelle Daten deuten darauf hin, dass sich das Universum heutzutage schneller ausdehnt als in seiner Anfangszeit. Dieser einfache Umstand hat Wissenschaftler auf eine Suche nach den kosmischen Kräften geschickt, die hier am Werk sein könnten. Sollte die beschleunigte Ausdehnung bestätigt werden – die etwa 9 Prozent schneller ist als zuvor berechnet –, müssten wir eine der fundamentalen Größen unseres Kosmos überdenken.

Die Ergebnisse, die im „Astrophysical Journal“ veröffentlicht wurden, sind nur der jüngste Beitrag in einer schon länger geführten Debatte um die Hubble-Konstante, mit der sich das Alter und die Expansionsrate unseres Universums ermitteln lassen.

In den letzten Jahren haben zahlreiche Studien gezeigt, dass die Messungen der Hubble-Konstante anhand der kosmischen Hintergrundstrahlung nicht zu den Schätzungen anhand deutlich jüngerer Sterne wie denen in der Milchstraße passen – selbst wenn man noch kosmische Kräfte wie die Dunkle Energie einbezieht, welche die Ausdehnung des Universums beschleunigen.

„[Das Universum] rennt all unseren Erwartungen an seine Ausdehnung davon und das ist ziemlich rätselhaft“, sagt der Hauptautor der Studie, Adam Riess. Der Astronom der Johns Hopkins University war 2011 einer der Gewinner des Physik-Nobelpreises, der ihm für seinen Beitrag zur Entdeckung Dunkler Energie verliehen wurde.

Manchen Wissenschaftlern zufolge ist diese Diskrepanz das Ergebnis unvollständiger Daten oder bislang unbemerkter Fehler, die systematisch die Messungen verfälschen. Aber anhand neuer Messungen aus unserer kosmischen Nachbarschaft, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop gemacht wurden, sind Riess und seine Kollegen zu der Überzeugung gelangt, dass diese Diskrepanz nicht nur wirklich existiert, sondern auch noch größer als je zuvor ist.

Für seine neue Studie maß Riess’ Team die Hubble-Konstante und kam auf einen Wert von 74,03 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec, plus minus 1,42. Dieser Wert passt nicht zur bis dato besten Schätzung von Planck, einem ESA-Teleskop, das die bisher genauesten Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds geliefert hat. Laut den Daten von Planck beträgt die Hubble-Konstante etwa 67,4 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec, plus minus 0,5. Statistisch gesprochen beträgt der Unterschied zwischen diesen beiden Ergebnissen etwa 4,4 Sigma – also eine Wahrscheinlichkeit von 1 zu 100.000, dass es sich bei der Diskrepanz um einen Zufall handelt.

„Um mal eine Analogie zu benutzen: Sehen wir uns mal ein zweijähriges Kind an und schauen, wie groß es ist. Dann versuchen wir herauszufinden, wie groß es mal sein wird, wenn es erwachsen ist. Nun könnten wir tatsächlich warten, bis es erwachsen ist, und seine Größe dann messen“, erklärt Riess. „Wenn sie unsere Extrapolation deutlich übersteigt, wäre das für uns ein echtes Rätsel. Dann stimmt irgendetwas nicht mit unserem Verständnis dafür, wie diese Person gewachsen ist.“

Kreative Messungen

Um die Hubble-Konstante – und damit die Expansionsgeschwindigkeit unseres Universums – anhand der Bewegungen von Sternen zu messen, sind zwei Arten von Daten nötig: Zum einen muss man die Entfernung des entsprechenden Sterns kennen und zum anderen die Geschwindigkeit, mit der er sich von uns entfernt.

Um die relative Geschwindigkeit eines Sterns überhaupt messen zu können, beobachten Astronomen Verschiebungen in dem Licht, das er ausstrahlt. Für die Entfernungsmessung machen sie von einer ganzen Reihe von Hilfsmitteln Gebrauch, angefangen bei einfacher Geometrie bis hin zu einer bestimmten Art von Sternen namens Cepheiden. Diese werden in regelmäßigen Abständen dunkler und heller. Die Geschwindigkeit dieses Pulsierens hängt eng mit der absoluten Helligkeit des Sterns zusammen: Je heller der Stern, desto langsamer pulsiert er.

Dieses Verhältnis können die Astronomen wie eine Art Lineal benutzen. Indem sie die Frequenz der Cepheidenschwankungen messen, können sie herausfinden, wie hell der Stern leuchtet. Diese absolute Helligkeit können sie dann mit der beobachteten Helligkeit vergleichen und daraus ableiten, wie weit der Stern von uns entfernt ist. Die Cepheidenwerte lassen sich auch mit Beobachtungen bestimmter stellarer Explosionen kombinieren, um Entfernung bis in die Tiefen des Kosmos zu messen.

In jahrelanger Arbeit haben Astronomen auf diese Weise eine „kosmische Entfernungsleiter“ zusammengesetzt und sind unablässig damit beschäftigt, die Messungen immer weiter zu verfeinern. Für ihre Studie nutzten Riess und sein Team das Hubble-Weltraumteleskop, um sich insgesamt 70 Cepheiden in der Großen Magellanschen Wolke anzusehen, eine der unregelmäßig geformten Nachbargalaxien der Milchstraße. Mit Hilfe dieser neuen Daten konnten die Forscher die Entfernungen zwischen uns und anderen Objekten in der Großen Magellanschen Wolke präziser schätzen, wodurch sie wiederum die Hubble-Konstante mir größerer Präzision ableiten konnten.

Kosmische Buchhaltung

Wenn sich das Universum tatsächlich schneller als gedacht ausdehnt, müsste an der Physik geschraubt werden, um das zu erklären. Ist Dunkle Energie vielleicht noch exotischer, als wir dachten? Ist Dunkle Materie noch komplexer als angenommen? Gibt es eine Art von bislang unbekannten Teilchen im Kosmos – vielleicht wie das hypothetische sterile Neutrino –, das mit anderen Materiearten nur über die Gravitation interagiert?

Und wenn unsere astronomische Buchhaltung bislang tatsächlich fehlerhaft war, sollten wir vielleicht einen externen Buchhalter hinzuziehen – und so einer könnte bald vorbeischauen. 2017 entdeckten Forscher Licht- und Gravitationswellen – Wellen in der Raumzeit –, die von zwei kollidierenden Neutronensternen ins All geschleudert wurden. Diese geschichtsträchtigen Messungen ermöglichten Astronomen eine unabhängige Schätzung der Hubble-Konstante. Der Wert, den sie daraus ableiteten, fällt genau in den Bereich zwischen der Planck-Messung und der Messung anhand der kosmischen Entfernungsleiter.

Wie effektiv solche Ereignisse als Standard dienen können, um die Ausdehnung des Universums zu messen, hängt aber davon ab, wie viele Neutronensternkollisionen irdische Gravitationswellendetektoren wie das LIGO entdecken. Bislang konnten Astronomen nur ein solches Ereignis bestätigen – aber am Morgen des 25. April könnte LIGO ein zweites entdeckt haben. Allerdings ließ sich der Ursprung der Wellen nicht so leicht ausfindig machen, was Folgemessungen erschwert.

Derweil arbeiten Riess und andere Astronomen weltweit daran, die Hubble-Konstante noch präziser zu messen. Ihre Hoffnung ist, dass selbst eine kleine Diskrepanz der Schlüssel zu einem weiteren großen Geheimnis des Universums sein könnte.

„Selbst neun Prozent sind schon eine große Sache, wenn man mit einer Unsicherheit von ein oder zwei Prozent arbeitet“, sagt Riess. „Wir haben so das Gefühl, dass uns das Universum immer noch Neues lehrt.“

Der Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.