Quelle: Universität Bonn 1. Dezember 2023.

1. Dezember 2023 – Das Weltall dehnt sich aus. Wie schnell es das tut, wird durch die sogenannte Hubble-Lemaitre-Konstante beschrieben. Doch gibt es einen Streit um die Frage, wie groß diese Konstante eigentlich ist: Unterschiedliche Messmethoden liefern widersprüchliche Werte. Diese sogenannte „Hubble-Spannung“ stellt die Kosmologen vor ein Rätsel. Forscher der Universitäten Bonn und St. Andrews schlagen dafür nun eine neue Lösung vor: Unter Verwendung einer alternativen Gravitationstheorie lässt sich die Diskrepanz in den Messwerten problemlos erklären – die Hubble-Spannung verschwindet. Die Studie ist nun in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) erschienen.

Die Ausdehnung des Universums sorgt dafür, dass sich die Galaxien voneinander entfernen. Die Geschwindigkeit, mit der sie das tun, ist proportional zu dem Abstand, den sie voneinander haben. Wenn etwa Galaxie A doppelt so weit von der Erde entfernt ist wie Galaxie B, wächst ihre Distanz von uns auch doppelt so schnell. Der US-Astronom Edwin Hubble war einer der ersten, der diesen Zusammenhang erkannte.

Um zu berechnen, wie schnell sich zwei Galaxien voneinander entfernen, muss man daher einerseits ihren Abstand kennen. Andererseits benötigt man dazu eine Konstante, mit der man diesen Abstand multiplizieren muss. Das ist die sogenannte Hubble-Lemaitre-Konstante, eine fundamentale Größe der Kosmologie. Um ihren Wert zu bestimmen, kann man zum Beispiel die sehr weit entfernten Gebiete des Universums betrachten. Wenn man das tut, kommt man auf eine Geschwindigkeit von knapp 244.000 Stundenkilometern pro Megaparsec Abstand (ein Megaparsec sind gut drei Millionen Lichtjahre).

244.000 Stundenkilometer pro Megaparsec – oder 264.000?
„Man kann sich aber auch Himmelskörper ansehen, die deutlich näher zu uns liegen – sogenannte Supernovae der Kategorie 1a, das ist eine bestimmte Art explodierender Sterne“, erklärt Prof. Dr. Pavel Kroupa vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn. Es ist möglich, den Abstand einer 1a-Supernova zur Erde sehr genau zu bestimmen. Zudem weiß man, dass leuchtende Objekte ihre Farbe ändern, wenn sie sich von uns wegbewegen – und zwar umso stärker, je schneller sie das tun. Es ist ähnlich wie bei einem Krankenwagen, dessen Martinshorn tiefer klingt, wenn er sich von uns entfernt.

Wenn man nun aus der Farbverschiebung der 1a-Supernovae ihre Geschwindigkeit berechnet und diese zu ihrer Distanz in Beziehung setzt, kommt man auf einen anderen Wert für die Hubble-Lemaitre Konstante – nämlich knapp 264.000 Stundenkilometer pro Megaparsec Abstand. „Das Universum scheint sich also in unserer Nähe – das heißt bis zu einer Entfernung von ungefähr drei Milliarden Lichtjahren – schneller auszudehnen als in seiner Gesamtheit“, sagt Kroupa. „Und das dürfte eigentlich nicht sein.“

Allerdings gibt es seit kurzem eine Beobachtung, die das erklären könnte. Demnach befindet sich die Erde in einer Region des Weltalls, in der es relativ wenig Materie gibt – vergleichbar etwa mit einer Luftblase in einem Kuchen. Um die Blase herum ist die Materiedichte höher. Von dieser umgebenden Materie gehen Gravitationskräfte aus, die die Galaxien in der Blase zum Rand des Hohlraums ziehen. „Daher entfernen sie sich schneller von uns, als eigentlich zu erwarten wäre“, erklärt Dr. Indranil Banik von der St. Andrews Universität. Die Abweichungen wären also schlicht durch eine lokale „Unterdichte“ zu erklären.

Tatsächlich hat eine andere Forschungsgruppe kürzlich die durchschnittliche Geschwindigkeit sehr vieler Galaxien gemessen, die 600 Millionen Lichtjahre von uns entfernt sind. „Dabei wurde festgestellt, dass sich diese Galaxien viermal so schnell von uns wegbewegen, wie es das Standardmodell der Kosmologie erlaubt“, erklärt Sergij Mazurenko aus Kroupas Arbeitsgruppe, der an der aktuellen Studie beteiligt war.

Blase im Teig des Universums
Denn das Standardmodell sieht derartige Unterdichten oder „Blasen“ nicht vor – sie dürften eigentlich nicht existieren. Stattdessen sollte die Materie im All gleichmäßig verteilt sein. Falls dem so wäre, ließe sich aber nur schwer erklären, welche Kräfte die Galaxien zu ihrer hohen Geschwindigkeit treiben.

„Das Standardmodell fußt auf einer von Albert Einstein aufgestellten Theorie zur Natur der Gravitation“, sagt Kroupa. „Eventuell verhalten sich die Gravitationskräfte aber anders als von Einstein erwartet.“ Die Arbeitsgruppen der Universitäten Bonn und St. Andrews haben in einer Computersimulation eine abgewandelte Gravitationstheorie verwandt. Diese „Modifizierte Newton’sche Dynamik“ (Abkürzung: MOND) wurde vor vier Jahrzehnten vom israelischen Physiker Prof. Dr. Mordehai Milgrom vorgeschlagen. Sie gilt bis heute als Außenseiter-Theorie. „In unseren Berechnungen sagt MOND die Existenz derartiger Blasen jedoch exakt voraus“, sagt Kroupa.

Nähme man an, dass sich die Gravitation tatsächlich nach den Milgrom’schen Vorstellungen verhält, würde die Hubble-Spannung verschwinden: Es gäbe tatsächlich nur eine Konstante für die Ausdehnung des Universums, und die beobachteten Abweichungen wären auf Ungleichmäßigkeiten in der Materieverteilung zurückzuführen.

Förderung
An der Studie waren neben der Universität Bonn die Universität Saint Andrews (Schottland) sowie die Karls-Universität in Prag (Tschechische Republik) beteiligt. Die Arbeiten wurden durch das Britische Science and Technology Facilities Council gefördert.

Publikation
Sergij Mazurenko, Indranil Banik, Pavel Kroupa and Moritz Haslbauer: Simultaneous solution to the Hubble tension and observed bulk flow within 250 ℎ−1 Mpc; Monthly Notices of the Royal Astronomical Society;
https://arxiv.org/abs/2311.17988, DOI: dx.doi.org/10.1093/mnras/stad3357, https://academic.oup.com/mnras/article/527/3/4388/7337338, pdf: https://academic.oup.com/mnras/article-pdf/527/3/4388/53894662/stad3357.pdf.

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• Expansion des Universums

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Quelle: Universität Wien.

Die zeitliche Entwicklung des Universums, vom Urknall bis in die Gegenwart, wird durch die Einsteinschen Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben. Allerdings besteht nach wie vor eine Reihe offener Fragen zur kosmologischen Dynamik, deren Ursprung in vermeintlichen Diskrepanzen zwischen Theorie und Beobachtung liegt. Eine dieser offenen Fragen lautet: Warum ist das Universum im heutigen Zustand auf großen Skalen derart homogen?

Vom Urknall bis heute
Es wird davon ausgegangen, dass sich das Universum kurz nach dem Urknall in einem extremen Zustand befand, der insbesondere durch starke Schwankungen in der Raumzeitkrümmung gekennzeichnet war. Während des langen Prozesses der Ausdehnung hat sich das Universum dann hin zu seinem heutigen Zustand entwickelt, der auf großen Skalen homogen und isotrop ist — vereinfacht: der Kosmos sieht überall gleich aus. Dies schließt man unter anderem aus der Messung der sogenannten Hintergrundstrahlung, die uns in jeder Beobachtungsrichtung hochgradig gleichförmig erscheint. Diese Homogenität überrascht insofern, als dass selbst zwei Bereiche des Universums, die kausal voneinander entkoppelt waren – also keine Informationen austauschen konnten, dennoch identische Werte der Hintergrundstrahlung aufweisen.

Alternative Theorien
Um diesen vermeintlichen Widerspruch aufzulösen wurde die sogenannte Inflationstheorie erfunden, die eine Phase der extrem schnellen Expansion unmittelbar nach dem Urknall postuliert, welche wiederum die Homogenität in der Hintergrundstrahlung erklären kann. Wie diese Phase im Rahmen der Einsteinschen Theorie erklärt werden kann, bedarf allerdings einer Reihe von Modifikationen der Theorie, die künstlich erscheinen und nicht direkt verifizierbar sind.

Neue Erkenntnisse: Homogenisierung durch Gravitation
Es war bisher offen, ob die Homogenisierung des Universums nicht doch bereits vollständig durch Einsteins Gleichungen erklärt werden kann. Grund hierfür ist die Komplexität der Gleichungen und die damit verbundene Schwierigkeit Ihre Lösungen — Modelle für das Universum — zu analysieren und deren Verhalten vorherzusagen. Im konkreten Problem gilt es die Zeitentwicklung der ursprünglich starken Abweichungen vom homogenen Zustand als kosmologische Gravitationswellen mathematisch zu analysieren und zu zeigen, dass diese im Laufe der Expansion abklingen und so das Universum seine homogene Struktur erhält.

Derartige Analysen basieren auf modernen mathematischen Methoden im Bereich der Geometrischen Analysis. Bisher konnten diese Methoden derartige Resultate nur für geringe Abweichungen von der homogenen Raumzeitgeometrie erzielen. David Fajman von der Universität Wien ist es nun erstmals gelungen diese Methoden auf den Fall von beliebig großen Abweichungen zu übertragen.

Die im Fachjournal PRL publizierten Resultate zeigen, dass Homogenisierung in der untersuchten Klasse von Modellen bereits vollständig durch Einsteins Theorie erklärt wird, und es keiner zusätzlichen Modifikationen bedarf. Sollte sich diese Erkenntnis auf allgemeinere Modelle übertragen lassen, so bedeutet dies, dass es nicht notwendigerweise einen Mechanismus wie den der Inflation braucht um den Zustand unseres heutigen Universums zu erklären, sondern dass Einsteins Theorie letztendlich wieder einmal triumphieren könnte.

Publikation in „Physical Review Letters“:
„Future Attractors in 2+1 Dimensional Λ Gravity„, David Fajman, Physical Review Letters, vol.125, 2020
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.121102

Verwandte Meldungen bei Raumfahrer.net:

• RUB: Universum homogener als gedacht (31. Juli 2020)
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• Expansion des Universums

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Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE).

„Wir kennen sowohl die frühe Geschichte des Universums als auch seine jüngste Ausdehnungsgeschichte ziemlich gut, aber in den mittleren 11 Milliarden Jahren klafft eine lästige Lücke“, sagt der Kosmologe Kyle Dawson von der University of Utah, der Leiter des Teams das die heutigen Ergebnisse bekannt gab. „Fünf Jahre lang haben wir daran gearbeitet, diese Lücke zu füllen, und wir nutzen diese Informationen, um einige der substanziellsten Fortschritte in der Kosmologie des letzten Jahrzehnts zu erzielen.“

Die neuen Ergebnisse stammen aus dem erweiterten Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS), einer internationalen Zusammenarbeit von mehr als 100 Astrophysikern, einschließlich Forschern am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE), der Teil von SDSS ist. Das Herzstück der neuen Ergebnisse sind detaillierte Messungen von mehr als zwei Millionen Galaxien und Quasaren, die 11 Milliarden Jahre kosmischer Zeit abdecken.

Innerhalb des eBOSS-Teams konzentrierten sich einzelne Gruppen auf verschiedene Aspekte der Analyse, wobei jede dieser Proben eine sorgfältige Analyse erfordert, um Verunreinigungen zu entfernen und die Muster des Universums aufzudecken. Um den Teil der Karte zu erstellen, der sechs Milliarden Jahre zurückreicht, verwendete das Team große, rote Galaxien. Weiter draußen benutzten sie jüngere, blaue Galaxien. Um das Universum vor elf Milliarden Jahren und mehr zu kartographieren, benutzten sie schließlich Quasare, d.h. helle Galaxien, in denen Material aufleuchtet, das auf ein zentrales supermassereiches schwarzes Loch fällt.

„Quasare stellen eine einzigartige Probe dar, die es uns ermöglicht, die Rotverschiebungslücke zwischen Galaxien und dem Lyman-alpha-Wald bei den höchsten Rotverschiebungen zu überbrücken“, sagt Jiamin Hou, Nachwuchsforscherim am MPE, die die Quasar-Analysen im Rahmen von eBOSS leitete. „Mit Galaxien können wir auf die letzten Milliarden Jahre der kosmischen Geschichte zurückblicken, die Quasare führen uns etwa 10 Milliarden Jahre zurück, und schließlich erlauben uns die Lyman-alpha-Galaxien einen Blick zurück in die Zeit, als das Universum weniger als 2 Milliarden Jahre alt war. Studien über den kosmischen Mikrowellenhintergrund reichen dann noch weiter zurück, bis zum frühen Universum, nur 380 000 Jahre nach dem Urknall.

Die endgültige Karte, die von SDSS nun veröffentlicht wurde, zeigt die Filamente und Hohlräume, die Strukturen im Universum definieren. Ein Merkmal dieser Verteilung, die so genannten „baryonischen akustischen Schwingungen“, ist ein sehr subtiles Signal aus den frühen Epochen des Universums, als Schallwellen nach einer Reise von etwa 500 Millionen Lichtjahren „eingefroren“ wurden und der Materieverteilung ein Signal einprägten. Dieser Abdruck ist heute in der Verteilung von Galaxien sichtbar, wo es etwas wahrscheinlicher ist, Galaxienpaare zu finden, die durch diesen Maßstab getrennt sind, als in kleineren oder größeren Abständen. Messungen der scheinbaren Größe dieses Maßstabs ermöglichen es den Wissenschaftlern, kosmische Entfernungen mit hoher Präzision zu berechnen.

Darüber hinaus weisen Galaxien auch eigene Bewegungen auf, die ihre Verteilung in Bezug auf die Sichtlinienrichtung anisotrop erscheinen lassen, ein Effekt, der als „Rotverschiebungsraum-Verzerrung“ bekannt ist. Dieses charakteristische anisotrope Muster ermöglichte es dem eBOSS-Team, die Geschwindigkeit zu messen, mit der kosmische Strukturen aufgrund von gravitativen Wechselwirkungen wachsen. „Mit Hilfe von Quasaren können wir die Entfernungsmessung auf etwa 3 Prozent und die Messung der Wachstumsrate des Universums auf 10 Prozent einschränken“, sagt Hou.

„In unserer Gruppe leisten wir seit fast einem Jahrzehnt einen kontinuierlichen Beitrag zu den Kosmologieprogrammen von SDSS“, sagt der Kosmologe Ariel Sánchez, ein leitender Forscher am MPE. „Zusammengenommen erlauben uns diese Studien, die Ausdehnung und das Wachstum der Strukturgeschichten unseres Universums über einen Bereich kosmischer Zeit zu rekonstruieren, der etwa 90% seines Alters abdeckt.“ In Kombination mit zusätzlichen Informationen aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund und Supernovae ermöglicht dies den Wissenschaftlern, mehrere Schlüsselparameter unseres Universums mit einer Genauigkeit von mehr als einem Prozent zu bestimmen.

Die kosmische Geschichte aus diesen Daten zeigt, dass die Ausdehnung des Universums vor etwa sechs Milliarden Jahren anfing sich zu beschleunigen, und seitdem immer schneller und schneller geworden ist. Diese beschleunigte Expansion scheint auf eine mysteriöse unsichtbare Komponente des Universums namens „dunkle Energie“ zu deuten, die mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie übereinstimmt, aber mit unserem heutigen Verständnis der Teilchenphysik nur schwer vereinbar ist.

Insgesamt hat das eBOSS-Team heute die Ergebnisse von mehr als 20 wissenschaftlichen Arbeiten veröffentlicht. Diese Arbeiten beschreiben auf mehr als 500 Seiten die Analysen des Teams zu den neuesten eBOSS-Daten und markieren den Abschluss der wichtigsten Ziele des Projekts.

In den nächsten Jahren werden MPE-Wissenschaftler die SDSS-Daten zudem dafür verwenden, die großräumige Struktur des Universums noch genauer zu kartographieren und kosmologische Parameter einzuschränken, indem sie die Galaxienhaufen und AGN, die vom eROSITA-Röntgenteleskop gefunden werden, genauer unter die Lupe nehmen.

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