Veränderlicher Cepheidenstern RS puppis. (NASA, ESA, Hubble Heritage Team; Howard Bond/STScI & Penn State U.) Seit es ein Universum gibt, dehnt sich der Weltraum aus. Es entstand vor etwa 13,8 Milliarden Jahren und bläht sich seitdem wie ein riesiger kosmischer Ballon auf.
Die aktuelle Geschwindigkeit dieser Expansion wird als bezeichnet Hubble-Konstante , oder H 0 , und es ist eine der grundlegenden Messungen des Universums.
Wenn Sie die Hubble-Konstante kennen, können Sie das Alter des Universums berechnen. Sie können die Größe des Universums berechnen. Sie können den Einfluss des Mysteriösen genauer berechnen dunkle Energie das die Expansion des Universums vorantreibt. Und, lustige Tatsache, H 0 ist einer der Werte, die zur Berechnung intergalaktischer Entfernungen erforderlich sind.
Allerdings gibt es ein großes Problem. Wir verfügen über mehrere hochpräzise Methoden zur Bestimmung der Hubble-Konstante … und diese Methoden liefern aus unbekanntem Grund immer wieder unterschiedliche Ergebnisse.
Es könnte ein Problem mit der Kalibrierung unserer Messtechniken sein – der Standardkerzen und Standardlineale, die wir zum Messen kosmischer Entfernungen verwenden (mehr dazu gleich). Es könnte sich um eine unbekannte Eigenschaft dunkler Energie handeln.
Oder vielleicht ist unser Verständnis der Grundlagenphysik unvollständig. Um dieses Problem zu lösen, bedarf es möglicherweise eines Durchbruchs, der mit Nobelpreisen einhergeht.
Also, wo fangen wir an?
Die Grundlagen
Die Hubble-Konstante wird typischerweise mit einer scheinbar ungewöhnlichen Kombination aus Entfernungs- und Zeiteinheiten ausgedrückt – Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec oder (km/s)/Mpc; Ein Megaparsec ist etwa 3,3 Millionen Lichtjahre lang.
Diese Kombination ist erforderlich, da sich die Expansion des Universums beschleunigt und sich daher Dinge, die weiter von uns entfernt sind, scheinbar schneller zurückziehen. Wenn wir hypothetisch feststellen würden, dass eine Galaxie in einer Entfernung von 1 Megaparsec sich mit einer Geschwindigkeit von 10 km/s zurückzieht und eine Galaxie in einer Entfernung von 10 Megaparsec sich scheinbar mit 100 km/s zurückzieht, könnten wir diese Beziehung als 10 km/s beschreiben pro Megaparsec.
Mit anderen Worten, die Bestimmung der proportionales Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit, mit der sich Galaxien von uns entfernen (km/s) und ihrer Entfernung (Mpc), ergibt sich der Wert von H 0 .
Wenn es nur eine einfache Möglichkeit gäbe, das alles zu messen.
Kosmologen haben eine Reihe von Methoden entwickelt, um zur Hubble-Konstante zu gelangen, es gibt jedoch zwei Hauptmethoden. Dabei handelt es sich entweder um Standardlineale oder Standardkerzen.
Standardlineale und ihre Signale
Standardlineale basieren auf Signalen aus einer Zeit im frühen Universum, die als bezeichnet wird Epoche der Rekombination . Nach dem Urknall Das Universum war so heiß und dicht, dass sich keine Atome bilden konnten. Stattdessen existierte nur ein heißer, undurchsichtiger Plasmanebel; Nach etwa 380.000 Jahren der Abkühlung und Expansion begann dieses Plasma schließlich, sich wieder zu Atomen zu verbinden.
Wir stützen uns auf zwei Signale aus dieser Zeit. Das erste ist das kosmischer Mikrowellenhintergrund (CMB) – das Licht, das dem Plasmanebel entkam, als sich die Materie rekombinierte und der Raum transparent wurde. Dieses erste Licht – so schwach es mittlerweile auch ist – erfüllt das Universum immer noch gleichmäßig in alle Richtungen.
Schwankungen der Temperatur des CMB stellen Expansionen und Kontraktionen im frühen Universum dar, die in Berechnungen einbezogen werden, die uns Rückschlüsse auf die Expansionsgeschichte unseres Universums ermöglichen.
Das zweite Signal wird als akustische Baryonenschwingung bezeichnet und ist das Ergebnis sphärischer akustischer Dichtewellen, die sich durch den Plasmanebel des frühen Universums ausbreiteten und in der Epoche der Rekombination zum Stillstand kamen.
Die Distanz, die diese akustische Welle in diesem Zeitraum zurückgelegt haben könnte, beträgt etwa 150 Megaparsec; Dies ist in Dichteschwankungen im Laufe der Geschichte des Universums erkennbar und stellt ein „Lineal“ dar, mit dem Entfernungen gemessen werden können.
Standardkerzen am Himmel
Standardkerzen hingegen sind Entfernungsmessungen, die auf Objekten im lokalen Universum basieren. Dabei kann es sich nicht um irgendwelche alten Sterne oder Galaxien handeln – es müssen Objekte mit bekannter intrinsischer Helligkeit sein, etwa Supernovae vom Typ Ia. Veränderliche Sterne der Cepheiden , oder Sterne am Spitze des roten Riesenzweigs .
„Wenn man die Sterne am Himmel betrachtet, kann man ihre Positionen links und rechts sehr genau messen, man kann sehr genau auf sie zeigen, aber man kann nicht sagen, wie weit sie entfernt sind“, sagt der Astrophysiker Tamara Davis , von der University of Queensland in Australien, sagte gegenüber Energyeffic.
„Es ist wirklich schwierig, den Unterschied zwischen etwas, das sehr hell und weit entfernt ist, und etwas, das schwach und nah ist, zu erkennen.“ Die Art und Weise, wie Menschen es messen, besteht also darin, etwas zu finden, das in irgendeiner Weise dem Standard entspricht. Eine normale Kerze hat eine bekannte Helligkeit.'
Sowohl Standardlineale als auch Standardkerzen sind so präzise wie möglich, das heißt sehr genau. Und beide liefern unterschiedliche Ergebnisse, wenn sie zur Berechnung der Hubble-Konstante verwendet werden.
Nach den Standard-Herrschern, also dem frühen Universum, H 0 beträgt etwa 67 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec. Für die Standardkerzen – das lokale Universum – sind es etwa 74 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec.
Keines dieser Ergebnisse weist eine Fehlermarge auf, die auch nur annähernd die Lücke zwischen ihnen schließen könnte.
Die Geschichte der Lücke
Die Astronomen Alexander Friedmann und Georges Lemaître bemerkten erstmals in den 1920er Jahren, dass sich das Universum ausdehnte. Im Jahr 1929 berechnete Edwin Hubble die Expansionsrate anhand von sogenannten Standardkerzen Veränderliche Sterne der Cepheiden , deren Helligkeit periodisch variiert; Da der Zeitpunkt dieser Variabilität mit der Eigenhelligkeit dieser Sterne zusammenhängt, eignen sie sich hervorragend als Werkzeug zur Entfernungsmessung.
Aber die Entfernungskalibrierungen stimmten nicht ganz, was sich auch auf die kosmischen Entfernungsmessungen auswirkte. Somit ergaben die ersten Berechnungen ein H 0 von rund 500 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec.
„Damit wurde ein unmittelbares Problem entdeckt, weil Geologen, die die Erde untersuchten, wussten, dass die Erde etwa 4 Milliarden Jahre alt war“, sagte Davis.
„Wenn man die Expansionsrate mit 500 km/s berechnet, kann man berechnen, wie lange es gedauert hätte, bis die aktuelle Größe des Universums erreicht wäre, und das wären etwa 2 Milliarden Jahre gewesen.“ Das bedeutete, dass die Erde älter war als das Universum – was nicht möglich ist – und so dachten die Leute, bah! „Diese Sache mit der ‚Expansion des Universums‘ ist eine Farce.“
Dort blieb die Hubble-Konstante bestehen, bis etwa in den 1950er-Jahren der deutsche Astronom Walter Baade entdeckte, dass es zwei Arten von Cepheiden-veränderlichen Sternen gibt, was eine verfeinerte Berechnung der Hubble-Konstante ermöglichte. Sie wurde auf etwa 100 (km/s)/Mpc gesenkt.
( John Huchra/Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics )
Von da an wissen Sie, wie es weitergeht – Sie können den Fortschritt in der Grafik oben sehen. Da unsere Technologie, Techniken und unser Verständnis immer verfeinerter wurden, verfeinerten sich auch die konstanten Berechnungen des Hubble-Systems und unser Vertrauen in sie.
„Früher hatten wir Fehlerbalken von plus oder minus 50“, sagte Davis. „Jetzt haben wir Fehlerbalken von plus oder minus 1 oder 2. Da die Messungen so gut geworden sind, sind diese Techniken mittlerweile so unterschiedlich, dass es schwierig ist, sie durch Messfehler zu erklären.“
Was ist die große Sache?
Heutzutage scheint die Differenz zwischen den beiden Werten, bekannt als Hubble-Spannung, keine große Zahl zu sein – einfach nur 9,4 Prozent .
Doch die Kosmologen müssen noch herausfinden, wo die Ursache für diese Diskrepanz liegt. Das offensichtlichste Problem dürfte die Kalibrierung sein, aber seine Ursache bleibt unklar.
Mehrere verschiedene Teams haben beispielsweise H berechnet 0 vom CMB basierend auf Messungen des Planck-Weltraumobservatoriums. Es ist möglich, dass das Problem in unserer Interpretation der Daten liegt; aber ein CMB-Umfrage 2019 von einem anderen Instrument, dem Atacama Cosmology Telescope, stimmte mit den Planck-Daten überein.
Darüber hinaus hat H 0 Berechnungen aus der akustischen Baryonenschwingung, gemessen mit einem völlig anderen Instrument, dem Sloan Digital Sky Survey, gab das gleiche Ergebnis zurück .
Vielleicht führen uns auch unsere Standardkerzen in die Irre. Diese Objekte sind in Stufen gruppiert und bilden die „kosmische Distanzleiter“. Zunächst wird die Parallaxe – wie nahe Sterne ihre Position gegenüber weiter entfernten Sternen zu ändern scheinen – verwendet, um die Entfernungen zu den beiden Arten veränderlicher Sterne zu validieren.
( design und mehr )
Der nächste Schritt aus veränderlichen Sternen heraus ist extragalaktisch Supernovae vom Typ Ia . Es ist, als würde man eine Leiter immer weiter in den Kosmos erklimmen, und „selbst ein kleiner Fehler in einer der Stufen kann sich später zu einem größeren Fehler ausbreiten“, betonte Davis.
Andere Versuche, das Problem anzugehen, bestehen darin, den Raum, der uns umgibt, auf andere Weise zu betrachten.
Der Hubble-Blasen-Hypothese basiert beispielsweise auf der Idee, dass sich die Milchstraße in einer „Blase“ relativ geringer Dichte im Universum befindet, umgeben von Material höherer Dichte. Die Gravitationswirkung dieses Materials mit höherer Dichte würde den Raum innerhalb der Blase anziehen und dazu führen, dass sich der lokale Raum schneller auszudehnen scheint als das frühe Universum.
Selbst wenn alle oben genannten Faktoren tatsächlich zu dem Problem beitragen würden, würde dies jedoch kaum zu dieser Diskrepanz von 9,4 Prozent führen.
„Die Leute waren ziemlich erfinderisch und haben Möglichkeiten gefunden, wie die Methoden schief gehen könnten.“ Und bisher hat niemand überzeugend argumentiert, dass ein bestimmter Fehler die Unterschiede, die wir sehen, erklären könnte“, Kosmologe Matthew Colless , von der Australian National University, sagte gegenüber Energyeffic.
„Es ist möglich, dass eine ganze Reihe verschiedener kleiner Fehler alle auf die gleiche Weise aufgereiht sind; aber diese Fehlerquellen stehen in keinem Zusammenhang zueinander. „Es wäre sehr überraschend und äußerst unglücklich, wenn sich alle möglichen Fehler, die wir gemacht haben, in eine Richtung häuften und uns in eine Richtung führten.“
Vielleicht liegt die Schuld bei der Physik?
In so ziemlich jeder anderen Hinsicht funktionieren unsere kosmologischen Modelle bemerkenswert gut. Wenn Sie also versuchen, eine der Grundkomponenten der Hubble-Konstante zu ändern, kann es passieren, dass etwas anderes kaputt geht.
„Sie können das Standardlineal ändern“, sagte Colless, „aber dann brechen Sie eine andere Beobachtung, die gemacht wurde – die Menge an Materie im Universum, die Masse von.“ Neutrinos - Solche Dinge werden durch das aktuelle Modell gut gemessen und erklärt, aber gebrochen durch die Änderungen, die Sie vornehmen müssen, um das Standardlineal zu „reparieren“.
Was dazu führt: Was zum Teufel übersehen wir? Ist es ein Problem mit der Grundlagenphysik?
„Ich gehe ziemlich sicher davon aus, dass es sich wahrscheinlich um einen Fehler handelt“, bemerkte Davis. „Aber es ist wirklich schwierig zu erklären, woher dieser Fehler in den aktuellen Messungen kommen könnte.“ Ich bin also fast 50-50. Es ist eine faszinierende Diskrepanz. Und es ist wirklich interessant herauszufinden, warum.‘
Wenn unsere Optionen „Menschen haben etwas vermasselt“ und „Tatsächlich ist die Physik falsch“ lauten, liegt die Schuld typischerweise bei Ersterem.
Eigentlich ist das eine Untertreibung. „Neue Physik“ ist eine äußerst seltene Antwort. Aber die Hubble-Spannung ist ein heikles Problem, das sich jedem Lösungsversuch widersetzt, den Kosmologen finden können.
Das macht es unglaublich spannend.
Die meisten dieser Flecken sind Galaxien. ( NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) und das HUDF-Team )
Es ist möglich, dass da etwas ist generelle Relativität hat nicht berücksichtigt. Das wäre wild: Einsteins Theorie hat den Test nach dem anderen überstanden kosmischer Test . Aber wir können die Möglichkeit nicht ausschließen.
Natürlich gibt es auch andere Möglichkeiten, wie zum Beispiel die große Unbekannte der dunklen Energie. Wir wissen nicht, was dunkle Energie ist, aber es scheint eine grundlegende, verantwortliche Kraft zu sein für den Unterdruck Das beschleunigt die Expansion unseres Universums. Vielleicht.
„Unsere einzige vage Vorstellung ist, dass es sich um Einsteins kosmologische Konstante handelt, die Energie des Vakuums“, sagte Colless. „Aber wir wissen nicht genau, wie das funktioniert, weil wir keine überzeugende Möglichkeit haben, den Wert der kosmologischen Konstante vorherzusagen.“
Alternativ könnte es sich um eine Lücke in unserem Verständnis der Schwerkraft handeln, obwohl „neue Physik, die eine so grundlegende Theorie wie die allgemeine Relativitätstheorie beeinflusst, äußerst selten ist“, betonte Colless.
„Wenn es neue Physik gäbe und sich herausstellen würde, dass sie eine Modifikation der Allgemeinen Relativitätstheorie erfordern würde, wäre das definitiv ein Durchbruch in der Physik auf Nobelpreisniveau.“
Der einzige Weg vorwärts
Ob es sich nun um einen Kalibrierungsfehler, einen großen Fehler in unserem derzeitigen Verständnis der Physik oder etwas ganz anderes handelt, wenn wir die Hubble-Konstante in Ordnung bringen wollen, gibt es nur einen Weg vorwärts – mehr Wissenschaft zu betreiben.
Erstens können Kosmologen mit den aktuellen Daten arbeiten, die wir bereits zu Standardkerzen und Standardlinealen haben, diese weiter verfeinern und die Fehlerbalken noch weiter reduzieren. Ergänzend dazu können wir auch neue Daten einholen.
Colless arbeitet beispielsweise an einem Projekt in Australien, bei dem er modernste Technologie einsetzt TYPAN-Instrument neu am Siding Spring Observatory installiert. Dieses Team wird Millionen von Galaxien im lokalen Universum untersuchen, um die akustische Oszillation der Baryonen so nah wie möglich an uns zu messen und etwaige durch die Entfernung verursachte Messprobleme zu berücksichtigen.
„Wir werden 2 Millionen sehr nahe Galaxien vermessen – auf der gesamten südlichen Hemisphäre und einem kleinen Teil der nördlichen Hemisphäre – so nahe wie möglich, nach diesem Signal der akustischen Baryonenschwingung suchen und diese Skala mit 1 Prozent messen.“ Präzision bei sehr niedrigem Rotverschiebung .'
Das ist das gleiche Raumvolumen, das die Distanzleitern abdecken. Wenn also der TAIPAN zu demselben Volumen führt, wird ein H zurückgegeben 0 Bei einer Geschwindigkeit von 67 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec könnte das Problem bei unseren Standardkerzen liegen.
Wenn die Ergebnisse hingegen näher bei 74 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec liegen, würde dies darauf hindeuten, dass die Standardkerzen robuster sind.
Auch aufstrebende Forschungsfelder sind eine Option; keine Standardkerzen oder Standardlineale, sondern Standardsirenen, basierend auf Gravitationswelle Astronomie – die Wellen in der Raumzeit, die sich durch massive Kollisionen zwischen ihnen ausbreiten Schwarze Löcher und Neutronensterne.
Animation der Kollision zweier Neutronensterne. ( Caltech/YouTube )
„Sie ähneln den Supernovae darin, dass wir wissen, wie hell sie eigentlich sind“, sagte Davis.
„Im Grunde ist es wie eine normale Kerze.“ Sie wird manchmal auch als Standardsirene bezeichnet, weil die Frequenz der Sirene so groß ist Gravitationswellen sagt Ihnen, wie hell es ist. Da wir aus der Allgemeinen Relativitätstheorie den Zusammenhang zwischen der Frequenz und der Helligkeit kennen, müssen wir keine Kalibrierung durchführen. „Wir haben nur eine Nummer, was es viel, viel sauberer macht als einige dieser anderen Methoden.“
Es ist immer noch schwierig, die Hubble-Konstante mit Gravitationswellen zu messen. Doch erste Berechnungen sind vielversprechend. Im Jahr 2017 Neutronenstern Die Kollision ermöglichte es den Astronomen, die Zahl auf ungefähr einzugrenzen 70 (km/s)/Mpc , mit Fehlerbalken, die auf beiden Seiten groß genug sind, um sowohl 67 als auch 74 und noch mehr abzudecken.
Aber für eine einzige Beobachtung, sagte Davis, sei eine solch präzise Messung erstaunlich.
„Wir haben mittlerweile Tausende von Supernovae gemessen“, sagte sie. „Wir haben Millionen von Galaxien vermessen, um die akustische Oszillation der Baryonen zu messen, wir haben den gesamten Himmel untersucht, um den kosmischen Mikrowellenhintergrund zu messen.“
„Und dieses einzelne Objekt, diese eine Messung einer Gravitationswelle, hatte einen Fehlerbalken von etwa 10 Prozent, was jahrzehntelange Arbeit an den anderen Sonden erforderte.“
Die Gravitationswellenastronomie steckt noch in den Kinderschuhen – es ist nur eine Frage der Zeit, bis wir genügend Neutronensternkollisionen entdecken, um diese Ergebnisse ausreichend zu verfeinern. Mit etwas Glück hilft das dabei, die Ursache der Hubble-Spannung herauszufinden.
So oder so wird es Geschichte schreiben. Neue Physik wäre natürlich erstaunlich – aber ein Fehler in der Entfernungsleiter würde die Astronomie erschüttern. Es könnte bedeuten, dass wir etwas über Supernovae vom Typ Ia oder die Entstehung von Sternen nicht verstehen.
Wie auch immer es ausgeht, die Lösung der Hubble-Spannung wird Auswirkungen haben, die sich auf die gesamte astronomische Wissenschaft auswirken.
„Deshalb sind Kosmologen so begeistert davon.“ Weil die kosmologische Theorie so gut funktioniert, sind wir so aufgeregt, wenn wir etwas finden, das sie nicht vorhersagen konnte. Denn wenn etwas kaputt geht, dann lernt man“, sagte Colless.
„In der Wissenschaft dreht sich alles um Versuch und Irrtum – und durch den Irrtum lernt man etwas Neues.“