Forschung

Gravitationslinsen liefern hohen Wert für die Hubble-Konstante

13.09.2019 - Hunderte von Supernovae mithilfe von zwei Mehrfachquasaren neu kalibriert.

Die heutige Expansionsrate des Universums wird durch die Hubble-Konstante beschrieben. Doch verschiedene Methoden liefern inkonsistente Ergebnisse dafür, wie schnell sich der Kosmos ausdehnt. Ein internationales Team unter der Leitung des MPI für Astrophysik hat jetzt zwei Gravitations­linsen als neue Werkzeuge eingesetzt, um die Abstände zu Hunderten von beobachteten Supernovae zu kalibrieren – und damit einen relativ hohen Wert für die Hubble-Konstante gemessen. Allerdings ist die Unsicherheit des Verfahrens noch relativ groß.

Das Licht weit entfernter Objekte – beispielsweise von Quasaren – wird von großen Massen im Vordergrund wie Galaxien abgelenkt. Kosmologen verwenden diesen Gravitations­linsen-Effekt zunehmend, um Entfernungen zu messen. Sie nutzten dabei die Tatsache, dass ein Beobachter bei einem Mehrfach­bildsystem die Photonen der verschiedenen Bilder aufgrund der unterschied­lichen optischen Wege zu unterschied­lichen Zeiten sieht. Diese Messung ergibt eine physikalische Größe der Linse, und der Vergleich mit der beobachteten Größe am Himmel ergibt eine geometrische Entfernungs­schätzung, die als „Winkel­abstands­messung“ bezeichnet wird. Solche Entfernungs­messungen  sind die Grundlage für die Bestimmung der Hubble-Konstante.

„Es gibt mehrere Möglichkeiten, Entfernungen im Universum zu messen, basierend auf unserem Wissen über das jeweilige Objekt“, erklärt Sherry Suyu vom MPI für Astronomie. „Eine bekannte Technik ist die Bestimmung der Entfernung aufgrund der Leuchtkraft von Supernova-Explosionen, allerdings brauchen diese eine externe Kalibrierung der absoluten Entfernungs­skala. Mit unserer Analyse von Gravitations­linsen­systemen können wir einen völlig neuen, unabhängigen Anker für diese Methode liefern.“

Das Team verwendete die beiden Gravitations­linsen­systeme B1608+656 und RXJ1131. In jedem dieser Systeme gibt es vier Bilder einer Hintergrund­galaxie, wobei eine oder zwei Vordergrundgalaxien als Linsen dienen. Diese relativ einfache Konfiguration ermöglichte es den Wissenschaftlern, ein genaues Linsenmodell zu erstellen und so die Winkelabstände mit einer Genauigkeit von 12 bis 20 Prozent pro System zu messen. Diese Abstände wurden dann als Anker für 740 Supernovae in einem öffentlichen Katalog, dem Datensatz der Joint Light-curve Analysis, verwendet.

„Aufgrund ihres Aufbaus ist unsere Methode unempfindlich gegenüber den Details des angenommenen kosmologischen Modells“, sagt Inh Jee vom MPI für Astronomie, die die statistische Analyse durchgeführt und die Supernova-Daten mit den Linsen­abständen kombiniert hat. „Wir erhalten ein ziemlich hohes Ergebnis für die Hubble-Konstante, aber auch wenn unsere Messung noch eine größere Unsicherheit hat als andere direkte Methoden, wird dies von der statistischen Unsicherheit dominiert, da wir nur zwei Linsen­systeme verwenden.“

Der Wert für die Hubble-Konstante basierend auf dieser neuen Analyse liegt bei 82 ± 8 km/s/Mpc. Das steht im Einklang mit Werten, die mit der Entfernungs­leiter-Methode und Supernova-Daten bestimmt wurden, sowie mit Werten auf Basis anderer Gravitations­linsen-Systeme, welche direkt aus der Zeit­verzögerungs­entfernung weiterer Gravitations­linsen-Systeme bestimmt wurden.

„Diese neue Messung bestätigt, dass es einen systematischen Unterschied zwischen den direkt aus dem Abstand zu lokalen oder mittelweiten Quellen gewonnenen und den indirekt aus der kosmischen Mikro­wellen­hinter­grund­strahlung abgeleiteten Werten für die Hubble-Konstante zu geben scheint“, erklärt Projekt­leiter Eiichiro Komatsu vom MPI für Astronomie. „Wenn weitere Messungen dies bestätigen, würde diese Diskrepanz eine Revision des Standard­modells der Kosmologie erfordern.“

MPA / RK

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