Eine Supernova-Explosion und Raum-Zeit-Schwankungen, die durch die Fusion zweier Neutronensterne erzeugt wurden, haben Wissenschaftlern geholfen, die Expansionsrate des Universums genau zu messen. Zukünftige Messungen dieser Art werden dazu beitragen, das Hauptparadoxon der Kosmologie zu lösen, sagen Wissenschaftler in der Zeitschrift Nature Astronomy.
Bereits 1929 hat der berühmte Astronom Edwin Hubble bewiesen, dass unser Universum nicht stillsteht, sondern sich allmählich ausdehnt. Ende des letzten Jahrhunderts entdeckten Astrophysiker unter Beobachtung von Supernovae vom Typ I, dass sie sich nicht mit konstanter Geschwindigkeit, sondern mit Beschleunigung ausdehnen. Der Grund dafür wird heute als "dunkle Energie" angesehen - eine mysteriöse Substanz, die die Raum-Zeit-Ausdehnung immer schneller macht.
Im Juni 2016 berechneten der Nobelpreisträger Adam Riess und seine Kollegen, die dieses Phänomen entdeckten, die genaue Expansionsrate des heutigen Universums mithilfe variabler Cepheid-Sterne in der Milchstraße und benachbarten Galaxien, deren Entfernung mit höchster Präzision berechnet werden kann.
Diese Verfeinerung ergab ein äußerst unerwartetes Ergebnis - es stellte sich heraus, dass zwei Galaxien, die durch eine Entfernung von etwa 3 Millionen Lichtjahren voneinander getrennt sind, mit einer Geschwindigkeit von etwa 73 Kilometern pro Sekunde streuen. In diesem Jahr veröffentlichten sie aktualisierte Ergebnisse von Beobachtungen, bei denen dieser Wert sogar noch höher wurde - 74 Kilometer pro Sekunde.
Die neuen Messungen von Riesz und seinen Kollegen waren fast 10% höher als die Daten, die mit den WMAP- und Planck-Umlaufteleskopen erhalten wurden - 69 Kilometer pro Sekunde. Sie können nicht mit unseren aktuellen Vorstellungen über die Natur der Dunklen Energie und den Mechanismus der Geburt des Universums erklärt werden.
Diese Diskrepanzen haben Kosmologen dazu veranlasst, über zwei Möglichkeiten nachzudenken, um diese Anomalie zu erklären. Einerseits ist es durchaus möglich, dass die Messungen von Planck oder Riesz und seinen Kollegen fehlerhaft oder unvollständig sind. Andererseits ist es durchaus zulässig, dass eine dritte "dunkle" Substanz, die sich von dunkler Materie und Energie unterscheidet, im frühen Universum existieren könnte und dass letztere instabil sein und allmählich zerfallen könnte.
Kenta Hotokezaka von der Princeton University (USA) und seine Kollegen haben dieses Problem noch akuter und kontroverser gemacht, indem sie die ersten relativ genauen Messungen der Expansionsrate des Universums mit dem LIGO-Gravitationsobservatorium und einer Reihe "herkömmlicher" optischer Teleskope durchgeführt haben.
Die ersten Messungen dieser Art, wie der Astrophysiker feststellt, wurden Ende 2017 von Wissenschaftlern durchgeführt, als LIGO einen durch die Fusion zweier Neutronensterne erzeugten Ausbruch aufzeichnete und Hunderte von bodengestützten Teleskopen und Weltraumteleskopen ihre Quelle in der Galaxie NGC 4993 im Sternbild Hydra lokalisieren konnten.
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Die ersten LIGO-Messungen lagen nahe an den Daten des Riesz-Teams, die viele Wissenschaftler als weiteren Beweis dafür betrachteten, dass sich die Expansionsrate des Universums deutlich ändern könnte. Hotokezaka und seine Kollegen haben herausgefunden, dass dies nicht unbedingt der Fall ist, indem sie nicht nur Gravitationswellen verfolgen, sondern auch den Lichtblitz und die Freisetzung von Materie, die durch diese Katastrophe erzeugt werden.
Bei diesen Beobachtungen wurde den Wissenschaftlern dadurch geholfen, dass dieser Strom von Glühplasma, ein Strahl in der Sprache der Physiker, nicht direkt auf die Erde gerichtet war, sondern etwas von ihr entfernt. Dank dessen scheint es den Beobachtern auf unserem Planeten, dass es sich ungefähr viermal schneller als die Lichtgeschwindigkeit bewegt und die Relativitätstheorie "verletzt", wie ein Sonnenstrahl oder ein Schatten.
Diese Eigenschaft der Emissionen in Verbindung mit Messungen der "Dicke" des Strahls an seinem Startpunkt ermöglicht es, sehr genau zu bestimmen, in welche Richtung er in Bezug auf die Erde gerichtet war, und seine Geschwindigkeit zu messen. All diese Daten ermöglichen es uns wiederum, den Abstand zur Quelle der Gravitationswellen anzugeben und genauer zu berechnen, wie stark sie sich während der Reise von der Galaxie NGC 4993 zur Erde "gedehnt" haben.
Solche Verfeinerungen brachten, wie Hotokezaka bemerkt, eine große Überraschung mit sich - der Wert der Hubble-Konstante kam nicht den Messungen von Riesz und seinen Kollegen näher, sondern den Ergebnissen von Planck und anderen Teleskopen, die das Mikrowellenecho des Urknalls beobachteten.
Einerseits kann dies wirklich bedeuten, dass sich der Nobelpreisträger und seine Kollegen irren, andererseits ist die Genauigkeit von "Gravitations" -Messungen immer noch merklich geringer - sie liegt bei etwa 7% als die dieser und anderer Teilnehmer dieses universellen Streits (weniger als 2%). Die aktuellen Ergebnisse, betont der Wissenschaftler, entsprechen beiden Theorien, aber die Situation wird sich in naher Zukunft ändern.
Nach den aktuellen Schätzungen der wissenschaftlichen Teams von LIGO und seines italienischen "Cousins" ViRGO sollten beide Gravitationsobservatorien etwa zehn solcher Ereignisse pro Jahr finden. Dementsprechend können wir in den nächsten 2-3 Jahren hoffen, dass Beobachtungen von Fusionen von Neutronensternen uns helfen werden, eindeutig herauszufinden, ob es eine "neue Physik" in der Expansion des Universums gibt oder nicht, schließen die Autoren des Artikels.
