Stimmt unser Bild vom Universum nicht?

Unser Universum dehnt sich aus. Je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich aufgrund der kosmischen Expansion. Diese Erkenntnis gehört zu den Grundlagen der modernen Astrophysik und geht auf Edwin Hubble zurück.
Doch ausgerechnet bei der grundlegenden Frage, wie schnell sich das Universum ausdehnt, ergibt sich ein überraschender Widerspruch!
Je nachdem, welche Messmethode Astronomen anwenden, erhalten sie zwei verschiedene Antworten. Diese Abweichung wird als Hubble-Spannung bezeichnet. Und möglicherweise verbirgt sich dahinter viel mehr als ein einfacher Messfehler …

Wie schnell expandiert das Universum?

Die Expansionsrate des Universums wird mit der Hubble-Konstante angegeben. Sie beträgt ungefähr 70 km/s/Mpc. Das bedeutet: Mit jedem zusätzlichen Megaparsec Entfernung nimmt die durch die Expansion hervorgerufene Fluchtgeschwindigkeit um 70 Kilometer pro Sekunde zu.
Die Hubble-Konstante ist eine fundamentale kosmologische Größe und sollte auf großen Skalen überall im Universum denselben Wert besitzen. Auch Physiker auf anderen Planeten – wie in meinem Science-Fiction-Roman Untergang der Welten – sollten daher dasselbe Ergebnis erhalten.
Eigentlich sollte sich die Hubble-Konstante genau bestimmen lassen. Doch genau hier beginnen die Schwierigkeiten.

Ein Blick in die Vergangenheit

Eine Möglichkeit, die Hubble-Konstante zu bestimmen, besteht darin, weit in die Vergangenheit zu blicken. Die kosmische Hintergrundstrahlung entstand rund 380.000 Jahre nach dem Urknall und liefert Informationen über das frühe Universum.
Besonders präzise wurde die kosmische Hintergrundstrahlung mit dem europäischen Weltraumteleskop Planck vermessen. Kleinste Temperaturschwankungen dieser Strahlung liefern wertvolle Erkenntnisse über das frühe Universum. Setzt man diese Daten in das kosmologische Standardmodell – das ΛCDM-Modell – ein, dann kann die Hubble-Konstante berechnet werden.

Die Planck-Kollaboration kam auf den Wert: 67,40,5 km/s/Mpc

Dieser Wert ist keine direkte Messung der heutigen Expansion, sondern ergibt sich aus der Beobachtung des frühen Universums unter der Annahme, dass das ΛCDM-Modell seine Entwicklung korrekt beschreibt.

Das nahe Universum liefert eine andere Antwort

Um die Expansion des nahen Universums zu bestimmen, verwenden Astronomen die kosmische Entfernungsleiter. Eine wichtige Rolle spielen dabei die Cepheiden. Das sind pulsierende Sterne, deren Leuchtkraft sich genau bestimmen lässt. Damit können Entfernungen zu nahen Galaxien ermittelt werden. In einigen dieser Galaxien wurden außerdem Typ-Ia-Supernovae beobachtet. Dadurch lassen sich diese Supernovae kalibrieren – sie können damit zur Entfernungsmessung von wesentlich weiter entfernten Galaxien verwendet werden.

Das SH0ES-Team bestimmte dagegen einen Wert von: 73,041,04 km/s/Mpc

Die Hubble-Spannung: Zwei Methoden – zwei Antworten

Damit treffen zwei völlig unterschiedliche Blicke auf das Universum aufeinander: Planck blickt fast bis zu dessen Anfang zurück und berechnet mithilfe des ΛCDM-Modells die heutige Expansionsrate. SH0ES bestimmt sie dagegen anhand des nahen Universums.
Die beiden Ergebnisse unterscheiden sich um rund acht Prozent. Das klingt zunächst nicht besonders dramatisch. Doch angesichts der Genauigkeit der Messungen ist die Abweichung groß genug, um Kosmologen seit Jahren zu beschäftigen.

Nur ein Messfehler?

Eine naheliegende Erklärung wäre ein unbekannter Messfehler. In weit entfernten Galaxien erscheinen Sterne dicht zusammengedrängt. Benachbarte Sterne könnten daher die gemessene Helligkeit der Cepheiden beeinflussen und damit die berechneten Entfernungen verfälschen.
Hier kam das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) ins Spiel. Dank seiner hohen Auflösung kann es Cepheiden deutlich besser von benachbarten Sternen unterscheiden. Doch diese Messungen brachten nicht die erhoffte Lösung – sie bestätigen im Wesentlichen die bisherigen Ergebnisse. Damit blieb die Hubble-Spannung bestehen. Eine mögliche Fehlerquelle – die Überlagerung der Cepheiden durch benachbarte Sterne – wurde dennoch deutlich unwahrscheinlicher.
Ganz eindeutig ist die Situation dennoch nicht: Andere Untersuchungen mit JWST und alternativen Entfernungsindikatoren kommen auf etwas niedrigere Werte für die Hubble-Konstante. Ob die Hubble-Spannung tatsächlich neue Physik erfordert, bleibt daher offen.

Hinweis auf neue Physik?

Falls sich die Hubble-Spannung nicht durch einen systematischen Messfehler erklären lässt, könnte die Ursache weitaus tiefer liegen: Unser kosmologisches Standardmodell könnte unvollständig sein.
Eine mögliche Erklärung bietet die sogenannte Early Dark Energy. Diese zusätzliche Form Dunkler Energie könnte vorübergehend im frühen Universum eine wichtige Rolle gespielt haben. Dadurch hätte sich das Universum etwas anders entwickelt als im kosmologischen Standardmodell angenommen.
Auch zusätzliche Elementarteilchen, unbekannte Eigenschaften der Neutrinos oder Veränderungen unserer Gravitationstheorien werden diskutiert.

Die Hubble-Spannung bleibt ein kosmisches Rätsel

Genau deshalb ist die Hubble-Spannung so faszinierend. Zwei Seiten der kosmischen Geschichte scheinen unterschiedliche Antworten auf dieselbe Frage zu geben.
Vielleicht steckt nicht mehr dahinter als ein noch unbekannter Messfehler. Es könnte aber auch sein, dass diese Abweichung ein erster Hinweis auf eine Physik ist, die wir noch nicht kennen.
Wie auch immer die Lösung aussehen wird: Die Hubble-Spannung ist nicht nur eine Herausforderung, sondern auch eine Chance, etwas Neues zu lernen. Entweder müssen wir unsere Messmethoden verbessern – oder unser Verständnis der grundlegenden physikalischen Zusammenhänge erweitern. In beiden Fällen wird die Forschung einen wichtigen Schritt weiterkommen!