Astronomen sind in ihrem Verständnis des Universums in eine fundamentale Sackgasse geraten: Sie können sich nicht einigen, wie schnell es auseinanderfliegt. Und wenn sie keine vernünftige Erklärung für ihre unterschiedlichen Schätzungen finden, könnten sie gezwungen sein, ihre Vorstellungen von Zeit und Raum komplett zu überdenken. Viele glauben, dass nur eine neue Physik das kosmische Rätsel, das sie aufgedeckt haben, erklären kann.
„Vor fünf Jahren hat sich niemand in der Kosmologie wirklich Gedanken über die Frage gemacht, wie schnell das Universum expandiert. Wir nahmen es als selbstverständlich hin“, sagt der Astrophysiker Daniel Mortlock vom Imperial College London. „Jetzt müssen wir uns den Kopf zerbrechen – und viel forschen.“
Diese Ansicht wird von dem US-Astrophysiker und Nobelpreisträger Adam Riess von der Johns Hopkins University unterstützt. „Ich denke, dieses Thema ist zu einer großen Sache geworden. Wir wurden immer besser darin, das Universum zu verstehen, und je genauer wir hinsahen, desto mehr fanden wir heraus, dass es all diese mysteriösen Komponenten gibt.“
Zu diesen Überraschungen gehörte im Laufe der Jahrzehnte die Entdeckung der dunklen Materie – von der man annimmt, dass sie aus noch unentdeckten Teilchen besteht -, deren zusätzliche Anziehungskraft erklärt, warum Galaxien nicht auseinanderfliegen. Außerdem haben die Astronomen die Existenz der dunklen Energie entdeckt, die die Ausdehnung des Kosmos beschleunigt.
„Diese beiden Entdeckungen waren schon bemerkenswert genug“, fügt Riess hinzu, der seinen Nobelpreis für seine Beteiligung an der Entdeckung der dunklen Energie erhielt. „Aber jetzt stehen wir vor der Tatsache, dass es ein drittes Phänomen geben könnte, das wir übersehen hatten – obwohl wir noch keine Ahnung haben, was es sein könnte.“
Wissenschaftler erkannten erstmals in den 1920er Jahren, dass sich das Universum ausdehnt, als der US-Astronom Edwin Hubble feststellte, dass sich zwei Galaxien umso schneller auseinander bewegen, je größer der Abstand zwischen ihnen ist. Es bleibt eine der wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen aller Zeiten.
Eine Möglichkeit, sich dieses Phänomen vorzustellen, ist ein Früchtebrot, das in einem Ofen gebacken wird. Während der Teig aufgeht und sich ausdehnt, entfernen sich die Rosinen und Sultaninen im Inneren des Laibes immer weiter voneinander. Das Universum ist wie dieser Früchtebrotlaib. Es dehnt sich aus und bewirkt, dass die Galaxien – die Rosinen und Sultaninen, die darin eingebettet sind – sich voneinander entfernen.
Aber wenn das Universum immer größer wird, bleibt eine Schlüsselfrage: Was ist die genaue Geschwindigkeit dieser Expansion? Wie schnell fliegt der Kosmos auseinander? Oder genauer: Wie hoch ist der exakte Wert der Hubble-Konstante, wie die Expansionsgeschwindigkeit des Universums später genannt wurde? Es ist ein sehr wichtiger und begehrter Wert, denn er wird uns viel über den Ursprung, das Alter, die Entwicklung und letztlich das Schicksal des Kosmos verraten. Daher die Anstrengungen, die Astronomen im letzten Jahrhundert unternommen haben, um eine genaue Antwort zu finden.
Diese Beobachtungen basierten jedoch auf zwei sehr unterschiedlichen Ansätzen. Der eine konzentriert sich auf das Verhalten von Galaxien in der Nähe unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, und besteht darin, dass die Wissenschaftler – mit zunehmender Präzision – herausfinden, wie schnell sie sich voneinander wegbewegen. „Das ist der lokale Ansatz“, sagt Riess, dessen eigene Arbeit sich darauf konzentriert hat, die Messung der Entfernungen zwischen Galaxien in unserer Region des Universums zu perfektionieren. (Siehe „Hubbles Konstante und Henrietta Leavitt“, unten.)
Die andere Methode zur Bestimmung der Hubble-Konstante besteht darin, dass Astronomen das wellenförmige Lichtmuster, den sogenannten kosmischen Mikrowellenhintergrund, betrachten, der sich kurz nach der Urknall-Geburt des Kosmos vor 13,8 Mrd. Jahren gebildet hat. Dieser Hintergrund wurde von US-amerikanischen und europäischen Satelliten mit zunehmender Präzision vermessen – zuletzt von der Planck-Sternwarte der Europäischen Weltraumorganisation – und diese Beobachtungen haben es den Wissenschaftlern ermöglicht, ein Modell zu erstellen, das die dunkle Energie und die dunkle Materie berücksichtigt und das zeigt, wie das Wachstum des frühen Universums wahrscheinlich zu einer Expansion geführt hätte, die Astronomen heute messen können.
Und bis vor kurzem ergaben diese beiden unterschiedlichen Ansätze Schätzungen, die miteinander übereinstimmten, obwohl mit beiden Messungen erhebliche Unsicherheiten verbunden waren. „Jeder ging davon aus, dass der Unterschied zwischen den beiden Schätzungen nur dem Zufall geschuldet war und dass sich die beiden Werte annähern würden, wenn mehr und mehr Messungen gemacht würden“, sagt Mortlock. Mit anderen Worten, wenn die beiden Werte mit immer größerer Präzision getestet würden, würden ihre Unterschiede verschwinden.
Zum Leidwesen der Astronomen, die eine einfache Lösung für das Problem suchten, ist dies nicht geschehen. „Tatsächlich ist das Gegenteil eingetreten“, sagt Mortlock, der ebenfalls an der Universität Stockholm tätig ist. „Die Diskrepanz ist stärker geworden. Die Schätzung der Hubble-Konstante, die den niedrigeren Wert hatte, ist über die Jahre ein bisschen niedriger geworden und die, die ein bisschen höher war, ist noch größer geworden.“
Heute erhalten diejenigen, die Planck- und kosmische Hintergrunddaten verwenden, um einen Wert für die Hubble-Konstante zu erhalten, eine Zahl von 67,4 plus oder minus 0,5. Im Gegensatz dazu ergibt der lokale Ansatz einen Wert von 73,5 plus/minus 1,4. Diese Werte repräsentieren die beiden unterschiedlichen Werte, die wir für die Expansion des Universums haben. (Siehe „Eine Frage der Metrik“, unten.)
Die Unähnlichkeit mag nicht groß klingen, aber sie ist signifikant. Sie sagen, es gibt jetzt weniger als eine Chance von eins zu 100.000, dass dieser Unterschied durch Zufall erklärt werden kann. „Das sind nicht nur zwei Experimente, die nicht übereinstimmen“, sagt Riess. „Wir messen etwas grundlegend anderes. Das eine ist eine Messung, wie schnell das Universum heute expandiert, wie wir es sehen. Das andere ist eine Vorhersage, basierend auf der Physik des frühen Universums und auf Messungen, wie schnell es sich ausdehnen sollte. Und diese Messungen wurden nun unabhängig voneinander von anderen Gruppen bestätigt, so dass die Diskrepanz nicht von einem Werkzeug oder einem Team abhängt.
„Und wenn diese Werte nicht übereinstimmen, bedeutet das, dass es eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit gibt, dass wir einen Faktor im kosmologischen Modell übersehen, der die beiden Epochen verbindet.“ Kurz gesagt, etwas scheint in unserem Verständnis des Universums zu fehlen, und die Hubble-Konstante ist zum Mittelpunkt eines heiß umkämpften Kampfes geworden, um die Natur dieses unsichtbaren Einflusses zu entdecken.
Zunächst einmal hat die Differenz zwischen zwei Werten Auswirkungen auf das Alter des Universums, wobei in einem Fall mehr als eine Milliarde Jahre seiner Existenz abgeschnitten werden. „Eine Änderung der Hubble-Konstante von 67,4 auf 73,5 würde bedeuten, dass das Universum schneller auseinander geflogen sein muss als bisher angenommen und somit jünger sein muss als das derzeit akzeptierte Alter von 13,8 Milliarden Jahren“, sagt Mortlock. „Tatsächlich würde es auf 12,7 Mrd. Jahre sinken.“
Und das bringt Probleme mit sich. Es gibt einige sehr alte Sterne im Universum, die ein geschätztes Alter von etwa 12 Mrd. Jahren haben, und das macht eine neu bewertete kosmische Chronologie ein wenig schwer verdaulich. Sterne brauchen schließlich eine lange Zeit, um sich zu bilden.
Das sei aber nicht das eigentliche Problem, sagt Mortlock. „Das Grundproblem ist, dass zwei unterschiedliche Zahlen für die Hubble-Konstante, die aus verschiedenen Perspektiven gemessen wurden, einfach das kosmologische Modell, das wir vom Universum gemacht haben, ungültig machen würden. Wir wären also nicht in der Lage zu sagen, wie alt das Universum ist, bis wir unsere Physik in Ordnung gebracht haben.“
Aufgrund der unabhängigen Bestätigungen ist Riess zuversichtlicher geworden, dass es sich um eine fundamentale Diskrepanz handeln muss, die nicht auf methodische Mängel oder Fehler in den Beobachtungen zurückzuführen ist, sondern auf eine Eigenschaft unseres Universums, von der die Wissenschaftler bisher keine Ahnung hatten. „Ich glaube, dass da etwas Interessantes vor sich geht“, sagt er. „Und ich halte Messfehler nicht für interessant.“
Aber wenn Messfehler nicht mehr als Ursache für die unterschiedlichen Werte der Hubble-Konstante in Frage kommen, welche neuen Konzepte könnten diese Diskrepanz erklären? Astronomen haben bereits eine Reihe von Vorschlägen gemacht.
Eine Idee schlägt vor, dass das Universum eine neue Klasse von subatomaren Teilchen enthält, die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Diese Gebilde werden als dunkle Strahlung bezeichnet und könnten auch bereits bekannte Teilchen wie Neutrinos umfassen. Diese würden die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums beeinflussen.
Eine andere Idee ist, dass es kurz nach dem Urknall eine spezielle, intensive Episode dunkler Energie gab, die das Universum schneller ausdehnte, als Astronomen bisher angenommen hatten.
Und schließlich gibt es die Möglichkeit, dass die Teilchen, aus denen die dunkle Materie besteht, stärker mit normaler Materie wechselwirken als bisher angenommen. Auch das hätte Auswirkungen auf die Hubble-Konstante.
Nicht alle Wissenschaftler sind begeistert von der Aussicht, dass einer dieser Vorschläge die Antwort auf ihr Mess-Dilemma ist, und hoffen immer noch, dass sich die beiden Werte, die sie für die Hubble-Konstante erhalten, am Ende miteinander vereinbaren lassen. Dieser Punkt wird von Mortlock betont. „Wir haben bereits herausgefunden, dass unser Universum von dunkler Materie und von dunkler Energie dominiert wird, deren Auswirkungen wir beobachten können, deren grundlegende Natur aber ein Rätsel ist. Das sind zwei riesige Fragezeichen, die bereits über unserem Verständnis des Kosmos hängen. Persönlich sehe ich keine Notwendigkeit für ein drittes.“
Riess seinerseits sieht das Ganze etwas optimistischer. „Wir sind nicht aus dunkler Materie oder dunkler Energie gemacht, aber wir haben ihre Existenz aufgedeckt, obwohl sie intuitiv nicht zu unserer Erfahrung des Lebens auf der Erde gehören. Das deutet darauf hin, dass wir in die richtige Richtung gehen, um das Universum zu verstehen – obwohl es sein kann, dass wir noch mindestens einen weiteren Schritt machen müssen.“
Hubble’s Konstante und Henrietta Leavitt
Sterne, die als Cepheid-Variable bekannt sind, haben eine entscheidende Rolle für unser Verständnis der Expansion des Universums gespielt. Diese Sterne, die relativ häufig vorkommen, variieren in ihrer Helligkeit über Zeiträume von Tagen oder Wochen. Im Jahr 1908 entdeckte Henrietta Leavitt, dass es eine Beziehung zwischen der Helligkeit eines Cepheidenveränderlichen und der Zeit gibt, die er braucht, um einen vollen Zyklus der Veränderung seiner Helligkeit zu durchlaufen.
Das Ergebnis: Durch die Messung der Periode eines Cepheidenveränderlichen wurde es möglich, seine wahre Helligkeit zu berechnen. Durch den Vergleich mit seiner scheinbaren Helligkeit konnten die Astronomen dann die Entfernung des Sterns berechnen – und die Galaxie, in der er sich befindet. Hubble nutzte dieses Verständnis in seiner Arbeit, um kosmologische Entfernungen zu kalibrieren, und Cepheiden liefern auch heute noch eine wichtige Kalibrierung für astronomische Entfernungen für die lokale Methode zur Berechnung der Hubble-Konstante.
Eine Frage der Metrik
Eine Hubble-Konstante von 70 würde bedeuten, dass sich das Universum mit einer Geschwindigkeit von 70 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec ausdehnt. Um zu verstehen, was das bedeutet, muss man sich zunächst klarmachen, dass ein Parsec ein Maß für die astronomische Entfernung ist und dass ein Megaparsec einer Million Parsec entspricht. Ein Parsec wiederum entspricht 3,3 Lichtjahren, also ist ein Megaparsec das Äquivalent von 3,3m Lichtjahren. Für jede 3,3 Mio. Lichtjahre, die eine Galaxie von uns entfernt ist, bewegt sie sich also aufgrund der Expansion des Universums um 70 Kilometer pro Sekunde schneller von uns weg.
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