Neue Analyse von Webb-Daten misst das Expansionsverhältnis des Universums und zeigt, dass es möglicherweise keine "Hubble-Spannung" gibt

14. August 2024

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von Louise Lerner, University of Chicago

Wir wissen viele Dinge über unser Universum, aber Astronomen diskutieren immer noch darüber, wie schnell es sich tatsächlich ausdehnt. Tatsächlich haben in den letzten zwei Jahrzehnten zwei Hauptmethoden zur Messung dieser Zahl - bekannt als die 'Hubble-Konstante' - unterschiedliche Antworten ergeben, was einige dazu veranlasst hat zu überlegen, ob etwas in unserem Modell fehlt, das erklärt, wie das Universum funktioniert.

Aber neue Messungen des leistungsstarken James Webb-Weltraumteleskops deuten darauf hin, dass es möglicherweise doch keinen Konflikt gibt, auch bekannt als 'Hubble-Spannung'.

In einem Artikel, der beim Astrophysical Journal eingereicht wurde und der derzeit auf dem arXiv-Preprint-Server verfügbar ist, analysierte die Kosmologin der University of Chicago, Wendy Freedman, und ihre Kollegen neue Daten, die vom leistungsstarken James Webb-Weltraumteleskop der NASA aufgenommen wurden. Sie maßen den Abstand zu 10 nahegelegenen Galaxien und ermittelten einen neuen Wert für die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum zum gegenwärtigen Zeitpunkt ausdehnt.

Ihre Messung von 70 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec überlappt die andere Hauptmethode für die Hubble-Konstante.

'Basierend auf diesen neuen JWST-Daten und unter Verwendung von drei unabhängigen Methoden finden wir keine starken Beweise für eine Hubble-Spannung', sagte Freedman, namhafte Astronomin und John und Marion Sullivan-Universitätsprofessorin für Astronomie und Astrophysik an der University of Chicago. 'Im Gegenteil, es sieht so aus, als ob unser standardmäßiges kosmologisches Modell zur Erklärung der Entwicklung des Universums bestätigt wird.'

Wir wissen seit 1929, als der UChicago-Alumnus Edwin Hubble (SB 1910, Ph.D. 1917) Messungen an Sternen durchführte, die darauf hinwiesen, dass sich die am weitesten entfernten Galaxien schneller von der Erde entfernen als nahegelegene Galaxien, dass das Universum im Laufe der Zeit expandiert. Es war jedoch überraschend schwierig, die genaue Zahl für die Geschwindigkeit zu ermitteln, mit der sich das Universum zum gegenwärtigen Zeitpunkt ausdehnt.

Diese Zahl, bekannt als die Hubble-Konstante, ist von entscheidender Bedeutung, um die Hintergrundgeschichte des Universums zu verstehen. Sie ist ein Schlüsselelement unseres Modells, wie sich das Universum im Lauf der Zeit entwickelt.

'Die Bestätigung der Realität der Hubble-Konstanten-Spannung hätte erhebliche Auswirkungen auf sowohl die Grundlagenphysik als auch die moderne Kosmologie', erklärte Freedman.

Aufgrund der Wichtigkeit und auch der Schwierigkeit bei der Herstellung dieser Messungen werden sie von Wissenschaftlern mit verschiedenen Methoden getestet, um sicherzustellen, dass sie so genau wie möglich sind.

Ein Hauptansatz besteht darin, das Restlicht aus der Zeit nach dem Urknall zu untersuchen, bekannt als die kosmische Hintergrundstrahlung. Die derzeit beste Schätzung der Hubble-Konstante mit dieser Methode, die sehr präzise ist, beträgt 67,4 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec.

Die zweite Hauptmethode, auf die sich Freedman spezialisiert hat, besteht darin, die Ausdehnung von Galaxien in unserer lokalen kosmischen Nachbarschaft direkt zu messen, indem Sterne verwendet werden, deren Helligkeiten bekannt sind. Genau wie Autolichter schwächer werden, wenn sie weit entfernt sind, erscheinen Sterne bei zunehmender Entfernung immer schwächer. Das Messen der Entfernungen und der Geschwindigkeit, mit der sich die Galaxien von uns entfernen, gibt uns dann Aufschluss darüber, wie schnell sich das Universum ausdehnt.

In der Vergangenheit gab es mit Hilfe dieser Methode Messungen, die eine höhere Zahl für die Hubble-Konstante zurückgaben - näher an 74 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec.

Dieser Unterschied ist groß genug, dass einige Wissenschaftler spekulieren, dass etwas Bedeutendes in unserem Standardmodell der Evolution des Universums fehlen könnte. Zum Beispiel betrachten eine Methode die frühesten Tage des Universums und die andere das aktuelle Zeitalter. Möglicherweise hat sich im Laufe der Zeit etwas Wesentliches im Universum geändert. Dieser offensichtliche Gegensatz ist als 'Hubble-Spannung' bekannt.

Das James Webb-Weltraumteleskop oder JWST bietet der Menschheit ein leistungsstarkes neues Werkzeug, um tief ins All zu blicken. Der Nachfolger des Hubble-Teleskops, der im Jahr 2021 gestartet wurde, hat beeindruckend scharfe Bilder aufgenommen, neue Aspekte ferner Welten enthüllt und beispiellose Daten gesammelt, die neue Einblicke in das Universum eröffnen.

Freedman und ihre Kollegen nutzten das Teleskop, um Messungen an zehn nahegelegenen Galaxien durchzuführen, die eine Grundlage für die Messung der Expansionsrate des Universums bieten.

Zur Überprüfung ihrer Ergebnisse verwendeten sie drei unabhängige Methoden. Die erste Methode verwendet eine Art Stern, bekannt als Cepheidenvariable, die sich im Laufe der Zeit vorhersagbar in ihrer Helligkeit verändert. Die zweite Methode wird als 'Spitze des roten Riesenastes' bezeichnet und nutzt die Tatsache, dass massearme Sterne eine feste Obergrenze für ihre Helligkeit erreichen.

Die dritte und neueste Methode verwendet einen Typ von Sternen, die als Kohlenstoffsterne bezeichnet werden und einheitliche Farben und Helligkeiten im nahen Infrarotspektrum des Lichts haben. Die neue Analyse ist die erste, die alle drei Methoden gleichzeitig innerhalb derselben Galaxien verwendet.

In jedem Fall lagen die Werte innerhalb der Fehlertoleranz des vom kosmischen Mikrowellenhintergrundverfahren angegebenen Werts von 67,4 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsekunde.

'Gute Übereinstimmung von drei vollkommen unterschiedlichen Sternentypen ist für uns ein starkes Indiz dafür, dass wir auf dem richtigen Weg sind,' sagte Freedman.

'Zukünftige Beobachtungen mit dem JWST werden entscheidend sein, um die Hubble-Spannung zu bestätigen oder zu widerlegen und die Auswirkungen auf die Kosmologie zu bewerten,' sagte der Studienmitautor Barry Madore vom Carnegie Institut für Wissenschaft und Gastdozent an der University of Chicago.

Weitere Informationen: Wendy L. Freedman et al, Statusbericht zum Chicago-Carnegie Hubble-Programm (CCHP): Drei unabhängige astrophysikalische Bestimmungen der Hubble-Konstante unter Verwendung des James Webb Space Telescope, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2408.06153

Journalinformationen: Astrophysical Journal, arXiv

Bereitgestellt von: University of Chicago