Dies war in den frühen neunziger Jahren. Das Carnegie Observatory in Pasadena, Kalifornien, ist für die Weihnachtsferien leer. Wendy Friedman, allein in der Bibliothek, arbeitete an einem großen und heiklen Problem: der Expansionsrate des Universums. Carnegie war ein fruchtbarer Boden für diese Art von Arbeit. Hier sah Edwin Hubble 1929 zum ersten Mal entfernte Galaxien, die von der Milchstraße wegflogen und im äußeren Strom des expandierenden Weltraums hüpften. Die Geschwindigkeit dieses Flusses wurde als Hubble-Konstante bekannt.
Friedmans ruhige Arbeit wurde bald unterbrochen, als sein Kollege Allan Sandage, Hubbles wissenschaftlicher Nachfolger, in die Bibliothek stürmte und die Hubble-Konstante jahrzehntelang regierte und verfeinerte, um das langsame Expansionstempo konsequent zu verteidigen. Friedman war einer der letzten, der höhere Raten befürwortete, und Sandage sah ihre ketzerische Erforschung.
"Er war so wütend", erinnert sich Friedman, jetzt an der Universität von Chicago, Illinois, "dass ich in diesem Moment merkte, dass wir allein im ganzen Gebäude waren." Ich trat einen Schritt zurück und dachte, dass wir nicht auf dem freundlichsten Gebiet der Wissenschaft arbeiten."
Diese Konfrontation hat nachgelassen, aber nicht vollständig. Sandage starb 2010 und bis dahin hatten sich die meisten Astronomen der Schmalband-Hubble-Konstante angenähert. Die neuesten Daten, die Sandage selbst gewünscht hätte, deuten jedoch darauf hin, dass die Hubble-Konstante 8% niedriger ist als die führende Zahl. Seit fast einem Jahrhundert berechnen Astronomen dies, indem sie Entfernungen im nächstgelegenen Teil des Universums sorgfältig messen und sich immer weiter bewegen. Aber kürzlich haben Astrophysiker eine Konstante außerhalb gemessen, basierend auf Karten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB), dem fleckigen Nachleuchten des Urknalls, der zum Hintergrund für das sichtbare Universum geworden ist. Vermutungen darüber anstellen, wie das Drücken und Ziehen von Energie und Materie im Universum die Geschwindigkeit der kosmischen Expansion seit der Bildung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds verändert hat. Astrophysiker können ihre Diagramme nehmen und die Hubble-Konstante an das aktuelle lokale Universum anpassen. Die Zahlen müssen übereinstimmen. Aber sie passen nicht zusammen.
Vielleicht stimmt etwas mit einem der Ansätze nicht. Beide Seiten suchen nach Fehlern in ihren eigenen und in den Methoden anderer, und hochrangige Persönlichkeiten wie Friedman beeilen sich, ihre eigenen Vorschläge vorzulegen. "Wir wissen nicht, wohin das führen wird", sagt Friedman.
Wenn jedoch keine Einigung erzielt wird, wird dies zu einem Riss am Firmament der modernen Kosmologie. Dies könnte bedeuten, dass bestehenden Theorien eine Zutat fehlt, die zwischen der Gegenwart und der alten Vergangenheit interveniert und in die Kette der Wechselwirkungen zwischen dem CMB und der gegenwärtigen Hubble-Konstante eingewoben ist. Wenn ja, wird sich die Geschichte wiederholen. In den 1990er Jahren leitete Adam Riess, derzeit Astrophysiker an der Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland, eines der Teams, das die Dunkle Energie entdeckte, eine abstoßende Kraft, die die Expansion des Universums beschleunigt. Dies ist einer der Faktoren, die CMB-Berechnungen berücksichtigen müssen.
Jetzt sucht Riesz 'Team nach der Hubble-Konstante im nahen Raum und darüber hinaus. Ihr Zweck ist nicht nur, die Zahl zu klären, sondern auch zu erfassen, ob sie sich im Laufe der Zeit so ändert, dass selbst dunkle Energie sie nicht erklären kann. Bisher hat er wenig Verständnis dafür, was der fehlende Faktor sein könnte. Und er ist sehr interessiert daran, was passiert.
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Im Jahr 1927 ging Hubble über die Milchstraße hinaus, bewaffnet mit dem damals größten Teleskop der Welt, dem 2,5-Meter-Hooker-Teleskop, das sich auf dem Mount Wilson oberhalb von Pasadena befindet. Er fotografierte die schwachen Spiralpunkte, die wir heute als Galaxien kennen, und maß die Rötung ihres Lichts, wenn sich der Doppler in Richtung langer Lichtwellen verschiebt. Hubble verglich die Rotverschiebung von Galaxien mit ihrer Helligkeit und kam zu einem interessanten Ergebnis: Je schwächer und vermutlich je weiter eine Galaxie entfernt war, desto schneller ging sie zurück. Folglich dehnt sich das Universum aus. Dies bedeutet, dass das Universum ein endliches Alter hat, das mit dem Urknall begann.
Kosmischer Widerspruch
Die Debatte über die Hubble-Konstante und die Expansionsrate des Universums begann mit neuer Kraft zu spielen. Astronomen kamen zu einem bestimmten Zeitpunkt über die klassische Entfernungsleiter oder astronomische Beobachtungen des lokalen Universums an. Diese Werte stehen jedoch im Widerspruch zu kosmologischen Schätzungen, die aus Karten des frühen Universums stammen und an die Gegenwart gebunden sind. Aus dieser Kontroverse folgt, dass das Wachstum des Universums die fehlende Zutat befeuern kann.
Um die Expansionsrate - und die entsprechende Konstante - zu bestimmen, benötigte Hubble reale Entfernungen zu Galaxien, nicht nur relative Entfernungen basierend auf ihrer scheinbaren Helligkeit. Deshalb begann er den mühsamen Prozess des Baus einer entfernten Treppe - von der Milchstraße zu benachbarten Galaxien und darüber hinaus bis zu den Grenzen des wachsenden Raums. Jede Sprosse der Leiter muss mit "Standardkerzen" kalibriert werden: Objekte, die sich so bewegen, pulsieren, blinken oder drehen, dass Sie genau erkennen können, wie weit sie entfernt sind.
Das erste Stadium schien zuverlässig genug zu sein: variable Sterne, sogenannte Cepheiden, deren Helligkeit über mehrere Tage oder Wochen zunimmt und abnimmt. Die Länge dieses Zyklus gibt die innere Helligkeit des Sterns an. Durch den Vergleich der beobachteten Helligkeit der Cepheid mit der Helligkeit ihrer Schwingungen konnte Hubble die Entfernung zu ihr berechnen. Das Mount Wilson Telescope konnte mehrere Cepheiden in nahe gelegenen Galaxien erkennen. Für entfernte Galaxien nahm er an, dass die hellen Sterne in ihnen die gleiche innere Helligkeit haben würden. Selbst in den entferntesten Galaxien, so Hubble, wird es Standardkerzen mit gleichmäßiger Leuchtkraft geben.
Offensichtlich waren diese Annahmen nicht die besten. Die erste von Hubble veröffentlichte Konstante war 500 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec - das heißt, für alle 3,25 Millionen Lichtjahre, die er in den Weltraum spähte, drückte das expandierende Universum Galaxien 500 Kilometer pro Sekunde schneller. Diese Zahl war falsch und implizierte, dass das Universum nur 2 Milliarden Jahre alt war, das heißt fast siebenmal weniger als heute angenommen wird. Das war aber nur der Anfang.
1949 wurde der Bau des 5,1-Meter-Teleskops in Palomar in Südkalifornien pünktlich zu Hubbles Herzinfarkt abgeschlossen. Er übergab den Mantel Sandage, einem Trumpfbeobachter, der in den folgenden Jahrzehnten in nächtlichen Sitzungen Fotoplatten entwickelte, mit dem riesigen Teleskopapparat arbeitete, vor Kälte zitterte und Pausen brauchte.
Mit Palomars höherer Auflösung und hoher Lichtsammelkraft war Sandage in der Lage, Cepheiden aus weiter entfernten Galaxien zu fischen. Er erkannte auch, dass Hubbles helle Sterne im Wesentlichen ganze Sternhaufen waren. Sie waren von Natur aus heller und daher viel weiter entfernt als Hubble dachte, was unter anderem eine viel niedrigere Hubble-Konstante implizierte. In den 1980er Jahren ließ sich Sandage mit 50 nieder, was er heftig verteidigte. Einer seiner berühmtesten Gegner, der französische Astronom Gerard de Vaucouleurs, schlug einen Wert von 50 vor. Einer der wichtigsten Parameter der Kosmologie verdoppelte sich buchstäblich.
In den späten 1990er Jahren stellte sich Friedman, nachdem sie Sandages verbalen Missbrauch überlebt hatte, die Aufgabe, dieses Rätsel mit einem neuen Werkzeug zu lösen, als ob es absichtlich für ihre Arbeit entwickelt worden wäre: dem Hubble-Weltraumteleskop. Sein klarer Blick über die Atmosphäre ermöglichte es Friedmans Team, einzelne Cepheiden zehnmal weiter zu identifizieren als Sandage mit Palomar. Manchmal gab es in diesen Galaxien sowohl Cepheiden als auch hellere Leuchtfeuer - Supernovae vom Typ Ia. Diese explodierenden weißen Zwergsterne sind im Weltraum sichtbar und brechen bei konstanter und maximaler Helligkeit aus. Auf die Cepheiden kalibriert, können Supernovae allein verwendet werden, um die entferntesten Bereiche des Weltraums zu untersuchen. Im Jahr 2001 reduzierte Friedmans Team die Hubble-Konstante auf 72 plus oder minus 8 und beendete damit die Fehde zwischen Sandage und de Vaucouleurs. "Ich war erschöpft", sagt sie. "Ich dachte,Gehen Sie niemals wieder an die Hubble-Konstante."
Edwin Hubble
Aber dann erschien ein Physiker, der einen unabhängigen Weg fand, die Hubble-Konstante unter Verwendung des entferntesten und rotverschobenen - des Mikrowellenhintergrunds - zu berechnen. Im Jahr 2003 veröffentlichte die WMAP-Sonde ihre erste Karte, die die Spektren der Temperaturschwankungen im CMB zeigte. Diese Karte enthielt keine Standardkerze, sondern ein Standardkriterium: ein Muster aus heißen und kalten Stellen in der Ursuppe, die durch Schallwellen erzeugt wurden, die sich im gesamten neugeborenen Universum ausbreiteten.
Durch einige Annahmen über die Inhaltsstoffe dieser Suppe - in Form von bekannten Partikeln, Atomen und Photonen, einigen zusätzlichen unsichtbaren Substanzen wie dunkler Materie und dunkler Energie - konnte das WMAP-Team die physikalische Größe dieser ursprünglichen Schallwellen berechnen. Es kann mit der scheinbaren Größe von Schallwellen verglichen werden, die in CMB-Spots aufgezeichnet wurden. Dieser Vergleich ergab den Abstand zum Mikrowellenhintergrund und den Wert der Expansionsrate des Universums zu diesem ersten Zeitpunkt. Durch Annahmen darüber, wie gewöhnliche Teilchen, dunkle Energie und dunkle Materie die Expansion seitdem verändert haben, konnte das WMAP-Team die Konstante an die aktuelle Anstiegsrate anpassen. Sie haben ursprünglich einen Wert von 72 abgeleitet, wie Friedman herausgefunden hat.
Seitdem haben astronomische Messungen der Hubble-Konstante höhere Werte gezeigt, obwohl der Fehler abgenommen hat. In jüngsten Veröffentlichungen hat Riess eine 2009 am Hubble-Teleskop installierte Infrarotkamera eingesetzt, mit der sowohl die Entfernung zu den Cepheiden der Milchstraße bestimmt als auch ihre entferntesten, rötlicheren Verwandten von den blaueren Sternen hervorgehoben werden können, die normalerweise die Cepheiden umgeben. Das letzte Ergebnis des Riess-Teams war 73,24.
In der Zwischenzeit wurde die Planck-Mission (ESA), die den CMB in hoher Auflösung und mit erhöhter Temperaturgenauigkeit zeigte, bei 67,8 gestoppt. Nach den Gesetzen der Statistik sind diese beiden Größen durch eine Lücke von 3,4 Sigma getrennt - nicht durch 5 Sigma, was in der Teilchenphysik von einem signifikanten Ergebnis spricht, aber fast. "Es ist schwer, dies durch statistische Fehler zu erklären", sagt Chuck Bennett, Astrophysiker an der Johns Hopkins University, der das WMAP-Team leitete.
Jede Seite zeigt mit dem Finger auf die andere. Georg Ephstatius, der leitende Kosmologe in Plancks Team an der Universität von Cambridge, sagt, Plancks Daten seien "absolut unerschütterlich". Eine neue Analyse der Ergebnisse von Planck im Jahr 2013 brachte ihn zum Nachdenken. Er lud die Riesz-Daten herunter und veröffentlichte seine eigene Analyse mit einer niedrigeren und weniger genauen Hubble-Konstante. Er glaubt, dass Astronomen nach einer "schmutzigen" Leiter tasteten.
Als Reaktion darauf behaupten Astronomen, eine tatsächliche Messung des modernen Universums durchzuführen, da die CMB-Messmethode auf vielen kosmologischen Annahmen beruht. Wenn sie nicht konvergieren, sagen sie, warum nicht die Kosmologie ändern? Stattdessen "kommt Georg Ephstatius heraus und sagt:" Ich werde alle Ihre Daten überdenken ", sagt Barry Mador von der University of Chicago, Friedmans Ehemann und Kollege seit den 1980er Jahren. Was zu tun ist? Der gordische Knoten muss geschnitten werden.
Wendy Friedman glaubte, dass ihre Studie von 2001 die Hubble-Konstante enthüllt hatte, aber die Kontroverse hat sich wieder entzündet.
Auf der Seite der Astronomen gibt es eine Methode namens Gravitationslinsen. Um eine massive Galaxie herum verzerrt die Schwerkraft selbst den Raum und bildet eine riesige Linse, die das Licht einer entfernten Lichtquelle wie ein Quasar verzerren kann. Wenn die Ausrichtung der Linse und des Quasars sicher ist, strömt das Licht auf mehreren Wegen zur Erde und erzeugt viele Bilder der Linsengalaxie. Wenn Sie Glück haben, ändert sich die Helligkeit des Quasars, dh es flackert. Jedes geklonte Bild flackert ebenfalls, jedoch nicht gleichzeitig, da die Lichtstrahlen von jedem Bild unterschiedliche Wege durch den verzerrten Raum nehmen. Die Verzögerung zwischen den Flimmern zeigt den Unterschied in den Pfadlängen an. Durch die Anpassung an die Größe der Galaxie können Astronomen mithilfe der Trigonometrie den absoluten Abstand zur Linsengalaxie berechnen. Nur drei Galaxien wurden auf diese Weise sorgfältig gemessen, und sechs weitere werden derzeit untersucht. Ende Januar veröffentlichten die Astrophysikerin Sherri Suyu vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Deutschland und ihre Kollegen ihre besten Berechnungen der Hubble-Konstante. „Unsere Dimension passt zum Leiterabstand“, sagt Suyu.
Inzwischen haben Kosmologen auch Trumpfkarten im Ärmel: baryonische akustische Schwingungen (BAO). Während das Universum reift, hinterließen dieselben Schallwellen, die auf dem CMB eingeprägt wurden, Materieklumpen, die zu galaktischen Clustern wuchsen. Die Position der Galaxien am Himmel sollte die ursprünglichen Verhältnisse der Schallwellen beibehalten, und wie zuvor bestimmt der Vergleich des scheinbaren Musters mit seiner berechneten tatsächlichen Größe die Entfernung. Wie bei der CMB-Methode kann bei der BAO-Methode eine kosmologische Annahme getroffen werden. In den letzten Jahren hat er die Werte des Hubble jedoch auf dem Niveau von Planck gehalten. Die vierte Iteration der Sloan Digital Sky Survey, einer globalen Himmelsvermessung, die die galaktische Karte abbildet, wird dazu beitragen, diese Messungen zu verfeinern.
Dies bedeutet nicht, dass die Teams, die um die Entfernungsleiter und die CMB kämpfen, einfach auf andere Wege warten, um den Streit beizulegen. Um das Fundament der Entfernungsleiter, die Entfernung zu den Cepheiden in der Milchstraße, zu festigen, versucht die Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation, die genauen Entfernungen zu einer Milliarde verschiedener Sterne in der Nähe, einschließlich Cepheiden, zu bestimmen. Gaia, das die Sonne außerhalb der Erde umkreist, verwendet das zuverlässigste Maß: Parallaxe oder die scheinbare Verschiebung von Sternen relativ zum Himmelshintergrund, wenn das Raumschiff entgegengesetzte Punkte in seiner Umlaufbahn erreicht. Wenn der vollständige Gaia-Datensatz im Jahr 2022 veröffentlicht wird, bietet er zusätzlichen Grund für das Vertrauen der Astronomen. Riess fand bereits Hinweise für seine höhere Hubble-Konstante, als er vorläufige Gaia-Ergebnisse verwendete.
Auch Kosmologen hoffen, ihre Messungen mit dem Atacama Cosmological Telescope in Chile und dem Südpol-Teleskop zu festigen, mit denen Plancks hochpräzise Ergebnisse getestet werden können. Und wenn sich die Ergebnisse nicht konvergieren lassen, werden Theoretiker versuchen, die Lücke zu schließen. „Es ist gut, wenn das Modell abstürzt. Die Modellvalidierung ist nicht interessant."
Zum Beispiel könnte man dem Standardmodell des Universums ein zusätzliches Teilchen hinzufügen. Das CMB bietet eine Schätzung des Gesamtenergiebudgets kurz nach dem Urknall, als es in Materie und energiereiche Strahlung aufgeteilt wurde. Wie aus Einsteins berühmter Äquivalenzformel E = mc2 hervorgeht, wirkte Energie wie Materie und verlangsamte die Expansion des Raums mit seiner Schwerkraft. Aber Materie ist eine effektivere Bremse. Mit der Zeit kühlte die Strahlung - Photonen von Licht und anderen Lichtteilchen wie Neutrinos - ab und verlor Energie, wodurch der Gravitationseffekt nachließ.
Derzeit sind drei Arten von Neutrinos bekannt. Wenn es ein viertes gäbe, wie von einigen Theoretikern vorgeschlagen, wäre im ursprünglichen Energiebudget des Universums etwas mehr Strahlung vorhanden, und dieser Teil würde sich schneller auflösen. Dies würde wiederum bedeuten, dass sich das frühe Universum schneller ausdehnte, als die Inhaltsstoffliste der modernen Kosmologie vorhersagt. In Zukunft könnte dieser Zusatz zwei unterschiedliche Ergebnisse in Einklang bringen. Neutrino-Detektoren haben jedoch noch keine Hinweise auf Typ-4-Neutrinos ergeben, und Plancks andere Messungen begrenzten die Gesamtmenge an überschüssiger Strahlung.
Eine weitere Option ist die sogenannte Phantomdunkelnergie. Wahre kosmologische Modelle bedeuten konstante Kraft durch dunkle Energie. Wenn die dunkle Energie mit der Zeit stärker wird, würde dies erklären, warum sich der Kosmos heute schneller ausdehnt, als man denken würde, wenn man das frühe Universum betrachtet. Die variable Dunkle Energie scheint jedoch völlig überflüssig zu sein. Kosmologen und Astrophysiker neigen dazu zu glauben, dass die Probleme eher in bestehenden Methoden als in der neuen Physik liegen.
Friedman glaubt, dass die einzige Lösung - Feuer mit Feuer zu bekämpfen - in neuen Beobachtungen des Universums liegt. Zusammen mit Mador bereiten sie eine separate Messung vor, die nicht nur für Cepheiden, sondern auch für andere Arten variabler Sterne und leuchtend roter Riesen kalibriert ist. Die nächsten Beispiele können mit einem 30 Zentimeter breiten automatischen Teleskop untersucht werden, und entfernte Beispiele helfen bei der Erkundung der Hubble- und Spitzer-Weltraumteleskope. Sobald sie mit der dunklen und gewalttätigen Sandage fertig geworden ist, ist sie bereit, die gewagte Herausforderung des Planck- und Riesz-Teams zu beantworten.
„Sie sagten, wir hätten uns geirrt. Mal sehen “, scherzt sie.
ILYA KHEL
