Forschung

Kosmische Linsen messen Expansion des Universums

10.01.2020 - Neuer Wert für die Hubble-Konstante bestätigt Diskrepanz in der Expansionsrate des Universums.

Mitglieder des H0LiCOW-Teams unter der Leitung von Sherry Suyu am MPI für Astrophysik und der TU München nutzten eine Reihe von Teleskopen und eine von bisherigen Methoden völlig unabhängige Technik, um die Ausdehnungs­rate des Universums zu messen, die Hubble-Konstante. Das Ergebnis bestätigt eine bislang nicht erklärbare Diskrepanz zwischen Messungen der Expansions­rate aufgrund von Beobach­tungen des lokalen Universums einer­seits und aus der Hinter­grund­strahlung im frühen Universum anderer­seits. Die neue Studie macht es damit wahr­schein­lich, dass neue Theorien notwendig sein könnten, um diese Diskrepanz zu erklären.

Die Kenntnis des genauen Wertes der Ausdehnungs­geschwin­dig­keit des Universums ist wichtig für die Bestimmung von Alter, Größe und Schicksal des Kosmos. Dieses Rätsel zu entschlüsseln, ist derzeit eine der größten Heraus­forde­rungen der Astrophysik. Der jetzt veröffent­lichte, neueste Wert für die Hubble-Konstante stellt die bisher präziseste Messung mit Hilfe des Gravitations­linsen­effekts dar, bei dem eine Vorder­grund­galaxie durch ihre Schwer­kraft wie eine riesige Vergrößerungs­linse wirkt und das Licht von Hinter­grund­objekten verstärkt und verzerrt.

Das Team von Astronomen, das die neue Messung der Hubble-Konstante durch­ge­führt hat, nennt sich H0LiCOW: H0 Lenses in COSMOGRAIL's Wellspring. H0 steht für die Hubble-Konstante und COSMOGRAIL ist die Abkürzung für Cosmo­logical Monitoring of Gravita­tional Lenses, ein großes inter­natio­nales Projekt, dessen Ziel die regel­mäßige Beobach­tung von Gravita­tions­linsen ist. „Wellspring“ bezieht sich auf das reich­liche Angebot an Quasar-Linsen-Systemen. Für seine jüngsten Messungen nutzte das Team neue Daten des Welt­raum­teleskops Hubble, sowie des 2,2m-Teleskops der ESO/MPG und dem VLT der ESO in Chile, Weit­feld­auf­nahmen des Dark Energy Survey und hoch­auf­lösende Aufnahmen mit der adaptiven Optik des Keck-Observatoriums.

Die H0LiCOW-Ergebnisse und andere neuere Messungen deuten auf eine schnellere Expansion im lokalen Universum hin, als aufgrund der Beobach­tungen des ESA-Planck-Satelliten erwartet wurde, die unseren Kosmos vor mehr als 13 Milliarden Jahren zeigen. Die Kluft zwischen den beiden Werten hat wichtige Aus­wirkungen auf das Verständnis der physika­lischen Parameter, die unserem Universum zugrunde liegen. Neue physika­lische Erkennt­nisse sind möglicher­weise erforder­lich, um die Diskrepanz zu erklären.

„Wenn diese Ergebnisse nicht übereinstimmen, könnte das ein Hinweis darauf sein, dass wir noch nicht voll­ständig verstehen, wie sich Materie und Energie im Laufe der Zeit entwickelt haben, besonders in frühen Zeiten“, sagt H0LiCOW-Team­leiterin Suyu. Die Forscher errechneten einen Wert für die Hubble-Konstante von 73 Kilometern pro Sekunde pro Mega­parsec mit 2,4 Prozent Unsicher­heit. Die Messung des Teams liegt nahe an dem Wert von 74, den das SH0ES-Team berechnet hat. Das SH0ES-Ergebnis basiert auf der Messung der Entfernungen zu erdnahen und erdfernen Galaxien, wobei zuerst Cepheiden und bei größeren Distanzen Supernovae als Messlatten zu den Galaxien verwendet werden. Die neue H0LiCOW-Studie kommt nun unabhängig von dieser traditio­nellen „kosmischen Entfernungs­leiter“-Technik zum nahezu gleichen Ergebnis. Die SH0ES- und H0LiCOW-Werte unter­scheiden sich beide deutlich vom Ergebnis des Planck-Teams von 67, was die Spannung zwischen den Messungen der Hubble-Konstanten im heutigen Universum und dem auf Beobach­tungen des frühen Universums basierenden Vorher­sage­wert verstärkt.

„Während unsere ersten Ergebnisse bereits auf solch einen hohen Wert der Hubble-Konstante hin­deuteten, können wir nun sicher sein, dass es tatsäch­lich einen systema­tischen Unter­schied zwischen den Werten in der Früh- und Spätphase des Universums gibt“, erklärt Suyu. Der H0LiCOW-Wert ist mit einer Signi­fi­kanz von mehr als drei Sigma höher als der Planck-Wert und in Kombi­nation mit der SH0ES-Messung ist die Signi­fikanz noch größer. Das Team wird in Zusammen­arbeit mit weiteren Forschern auch in Zukunft nach neuen Gravita­tions­linsen-Quasaren suchen und diese systematisch beobachten. Das Ziel des Teams ist es, dreißig weitere Linsen­systeme zu beobachten, um die Unsicher­heit in der Messung der Hubble-Konstante auf ein Prozent zu reduzieren.

MPA / RK

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