Die Expansion des Universums war nicht immer gleich schnell
Das Universum dehnt sich aus, das heißt, alle Objekte, die nicht von der Schwerkraft gehalten werden, entfernen sich voneinander. Die Geschwindigkeit der Expansion des Universums ist jedoch umstritten. Dies ist eine der großen Fragen der Kosmologie. In dem allgemein akzeptierten Modell war die Expansionsgeschwindigkeit des Universums über die Zeit variabel.
Zu Beginn seiner Existenz hätte das Universum eine Phase extremer Inflation durchlaufen, die es ihm ermöglicht hätte, sehr schnell zu wachsen. Dann verlangsamte es sich langsamer aufgrund der Gravitationswirkung der dunklen Materie. Diese Phase hätte einige hunderttausend Jahre gedauert. Seitdem würde sich die Expansion des Universums wieder beschleunigen, diesmal unter dem Einfluss der dunklen Energie.
Die Hubble-Konstante, ein Standard zur Messung der Expansionsgeschwindigkeit des Universums
Diese Geschichte ist teilweise auf Messungen der Hubble-Konstante zurückzuführen, einem Indikator, der die Expansionsrate des Universums zu einem bestimmten Zeitpunkt beschreibt. Das Problem ist, dass in Abhängigkeit von den verwendeten wissenschaftlichen Instrumenten und Methoden die Messungen der Hubble-Konstante nicht immer übereinstimmen.
Einige Astrophysiker stützen sich auf Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB), dem Fossil des ersten Lichts des Universums, das emittiert wurde, als das Universum 380.000 Jahre alt war. Dadurch können sie schätzen, dass die Hubble-Konstante 67 km/s pro Megaparsec beträgt. Dies bedeutet, dass sich eine Galaxie mit 1 Megaparsekunde, etwa 6,5 Millionen Lichtjahren, mit 67 km/s von uns entfernt, während sich eine Galaxie mit 2 Megaparsekunden doppelt so schnell bewegt.
Studie zeigt, dass die Expansion des Universums schneller ist als wir dachten
Wenn man Messungen an mehr oder weniger weit entfernten realen Galaxien durchführen möchte, erhält man eine Hubble-Konstante, die 74 km/s mal Megaparsec und nicht 67 km/s entspricht. Je mehr Jahre vergehen, desto schwieriger ist es, diese beiden Zahlen miteinander in Einklang zu bringen. Erleben Sie eine neue Studie, die von einem Team von Astrophysikern der University of California veröffentlicht wurde. Dank des Hubble-Weltraumteleskops und des Keck-Observatoriums verwendeten sie eine Methode, die Gravitationslinsen verwendete.
Interessant ist, dass sie, um Verzerrungen zu vermeiden, eine Blindstudie durchführten, das heißt, sich das Ergebnis verbarg, bis sie sicher waren, alle Fehlerquellen beseitigt zu haben. Wie wir alle können Astronomen kognitiven Vorurteilen unterliegen. Sie können einen Datensatz unbewusst an ein kosmologisches Modell anpassen. Aber trotz dieser zusätzlichen Vorsichtsmaßnahmen löst ihr Ergebnis das Dilemma nicht. Wie alle Messungen vor Ort erhalten sie eine Hubble-Konstante von 75 km / s pro Megaparsec.
Was ist die wahre Geschwindigkeit der Expansion des Universums ?
Zwischen 67 km/s und 75 km/s ist der Unterschied zu groß, um als Fehlerspanne angesehen zu werden. Astrophysiker stehen daher vor einem Dilemma. Entweder gibt es ein Problem mit der Messung der Expansionsrate des Universums, die aufgrund des kosmischen Mikrowellenhintergrunds ermittelt wurde, den die meisten Astrophysiker für unwahrscheinlich halten, oder es ist erforderlich, das Standardmodell der Kosmologie zu überprüfen.
Beispielsweise haben sich die Eigenschaften der Dunklen Energie im Laufe der Zeit geändert, oder unsere Beobachtungen sind zu ungenau. Hoffen wir, dass die Ankunft größerer Observatorien und immer effizienterer Methoden dieses Rätsel lösen wird. Wenn die Astronomen diese beiden Maßnahmen jedoch nicht in Einklang bringen können, ist es möglicherweise erforderlich, unsere Geschichte des Universums eingehend zu überdenken.
Expansion des Universums, dunkle Energie : die Herausforderungen von DESI
Dunkle Energie ist eines der schwierigsten Rätsel der modernen Physik. Seit zwanzig Jahren scheinen eine Reihe von Maßnahmen zu zeigen, dass sich die Expansion des Universums im Laufe der Zeit beschleunigt. Da keine der vier von der Physik zugelassenen Grundkräfte dieses Phänomen erklären kann, wird das für diese Beschleunigung verantwortliche Phänomen bisher als schwarze Energie bezeichnet.
Wenn wir die Dunkle Energie nicht verstehen, können wir zumindest versuchen, ihre Auswirkungen zu messen. Deshalb wurde DESI geschaffen. Dieses wissenschaftliche Instrument arbeitet mit dem Mayall-Teleskop und seinem 4-Meter-Spiegel. DESI wird zig Millionen von Quasaren und Galaxien beobachten, wodurch voraussichtlich eine 3D-Karte des Universums erstellt wird, die bis zu 11 Milliarden Lichtjahre umfasst.
Diese Karte von beispielloser Größe und Präzision sollte es uns ermöglichen, ein wenig besser zu verstehen, wie die großen Strukturen des Universums verteilt sind, sich weiterentwickeln und welche Rolle die Dunkle Energie spielt. Dies ist eine Gelegenheit, Ergänzungen oder Alternativen zur allgemeinen Relativitätstheorie zu testen. DESI wird Entfernungen auf der Grundlage der Spuren, die sogenannte akustische Schwingungen der Baryonen hinterlassen haben, genau messen, dh der Abdrücke, die die akustischen Wellen, der Schall, im Plasma des Universums hinterlassen haben. Dies ist die gleiche Methode, die das Europäische Weltraumobservatorium Euklid ab 2022 vom L2-Lagrange-Punkt des Systems Sonne-Erde aus anwenden wird.
DESIs Tests sollten schnell beginnen. Die Teams, die an dem Projekt arbeiten, hoffen, bis 2025 vollständige Daten wiederherstellen zu können, um ein besseres Verständnis der so genannten dunklen Energie zu erhalten.
Die Ausdehnung des Universums konnte durch Quasare gemessen werden
– Nachrichten vom 5. Februar 2019 –
Dunkle Energie ist eines der wichtigsten Geheimnisse der modernen Astronomie. Wir wissen seit 20 Jahren, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt. Unser Universum wächst jeden Tag und wächst immer schneller. Wenn das Universum nur aus Masse bestand und in großem Umfang nur der Schwerkraft gehorchte, konnte es nur langsamer werden. Aber es scheint das Gegenteil zu sein.
Es können mehrere Erklärungen für dieses Phänomen formuliert werden. Vielleicht sind unsere Maßnahmen falsch. Immer mehr von ihnen ziehen jedoch die gleichen Schlussfolgerungen. Vielleicht ist unser Verständnis der Schwerkraft im großen Maßstab noch nicht vollständig. Oder wir können uns vorstellen, dass eine Energie unbekannter Natur das Universum zum Wachsen bringt. Es kann eine Art grundlegende Konstante sein, die einfach Teil der Naturgesetze ist.
Das große Problem bei der Bestimmung der Expansionsgeschwindigkeit des Universums ist, dass wir nicht wissen, wie man große Entfernungen sehr gut misst. Dies kann für die letzten Zeiträume ziemlich effizient durchgeführt werden, indem die Helligkeit von Supernovas vom Typ 1A beobachtet wird. Wir können auch die Anfänge der Geschichte des Universums durch den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) erkunden, der uns ein gutes Bild von dem 380000 Jahre alten Universum nach dem Urknall gibt. Zwischen diesen beiden Extremen ist es jedoch schwierig, die Hubble-Konstante zu bestimmen, die Größe, die die Expansionsrate des Universums zu einem bestimmten Zeitpunkt angibt.
Ein italienisches Team glaubt, einen neuen Weg gefunden zu haben, um die Entfernung zu bestimmen und damit die Expansionsgeschwindigkeit des Universums zu messen. Dazu gehört die Beobachtung der Leuchtkraft der Quasare, dieser extrem hellen Galaxienkerne, die daher von weitem beobachtet werden können. Im Gegensatz zu Supernovas vom Typ 1A haben nicht alle Quasare dieselbe absolute Größe. Wenn wir einen Quasar beobachten, der weniger leuchtend ist als ein anderer, wissen wir nicht, ob er weiter entfernt ist oder in der gleichen Entfernung ist, aber weniger energisch ist.
Um dieses Hindernis zu überwinden, verglich das italienische Team das Licht von Quasaren in zwei verschiedenen Spektralbereichen, Röntgen und Ultraviolett. Durch die Festlegung eines Verhältnisses zwischen diesen beiden Lichtströmen fanden sie Konstanten, die es ermöglichen, die Abstände zu bestimmen. Mit dieser Methode wurden fast 1600 Quasare untersucht, die es uns erlaubten, eine etwas vollständigere Geschichte der Expansion des Universums zu schreiben.
Die ersten Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass die dunkle Energie mit der Zeit an Intensität gewinnt. Die Expansion des Universums beschleunigt sich also nicht nur, sondern das Element, das es verursacht, entwickelt sich ständig weiter. Wenn dieses Ergebnis bestätigt wird, was Jahre dauern könnte, müssen zahlreiche Modelle überprüft werden, die versuchen, die dunkle Energie zu erklären. Dunkle Energie würde im Universum eine immer wichtigere Rolle spielen und Galaxien und Sterne ständig wegführen. Bei einer ausreichend großen Zeitskala wären selbst die Teilchen, aus denen die Atome bestehen, weit auseinander, was wahrscheinlich das Ende der Zeit bedeuten würde.
Die Expansion des Universums würde immer schneller voranschreiten
– Nachrichten vom 27. Februar 2018 –
Das Weltraumteleskop Hubble ist seit fast 30 Jahren in Betrieb und liefert weiterhin sehr wichtige Ergebnisse. Neuere Beobachtungen haben gezeigt, dass die Beschleunigung der Expansion des Universums tatsächlich viel schneller ist als erwartet. Das Problem ergibt sich aus einem Vergleich der Hubble-Daten mit denen des Planck-Weltraumobservatoriums, die einige Jahre zuvor erhalten wurden. Die Messungen beider Instrumente gelten als sehr zuverlässig. Beide versuchten, die Hubble-Konstante zu bestimmen, einen Parameter, der die Expansionsrate des Universums zu einem bestimmten Zeitpunkt beschreibt. Die Planck-Daten legten diese Konstante zwischen 67 km und 69 km pro Sekunde pro Megaparsec fest. Planck hat diese Messungen durchgeführt, indem er den kosmischen Mikrowellenhintergrund, das allererste Licht des 13,8 Milliarden Jahre alten Universums, untersucht hat.
Neue Hubble-Daten schätzen die Hubble-Konstante auf 63 km pro Sekunde pro Megaparsec. Hubble hat Cepheiden beobachtet, die viel jüngere Variable sind. Zwischen den beiden Maßnahmen gibt es einen Unterschied von 9%. Das Problem ist, dass es Schwierigkeiten gibt, es zu erklären. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fehler in eine der beiden Kennzahlen gerutscht ist, ist unglaublich gering. Diese Ergebnisse scheinen zu zeigen, dass sich die Expansion des Universums in seiner Geschichte beschleunigt hat und sogar schneller als ursprünglich angenommen.
Zu den möglichen Erklärungen gehört natürlich die dunkle Energie. Wenn es nicht gut definiert ist, ist es ein Parameter, der dem Standardmodell der Kosmologie hinzugefügt werden kann, um diese Art von Beobachtung zu erklären. Eine andere Möglichkeit ist eine stärkere Wechselwirkung als erwartet zwischen dunkler Materie und konventionelleren Materialien. Endlich tauchen neue Modelle auf, die versuchen, eine Erklärung für dieses Phänomen zu liefern, zum Beispiel schwarze Strahlung, sterile Neutrinos, die nur durch die Schwerkraft beeinflusst werden.
Die frühesten Beweise für eine beschleunigte Expansion des Universums sind sehr neu und stammen aus den späten 1990er Jahren, und es ist wahrscheinlich, dass mehr Jahrzehnte der Beobachtung und Spekulation nötig sein werden, bevor ein Konsens über den Mechanismus, der diese Beschleunigung verursacht, erreicht werden kann. Aus diesem Grund bedauern wir die sehr wahrscheinliche Annullierung von WFIRST, weil das Instrument Messungen der Hubble-Konstante in verschiedenen Altern des Universums erlaubt hätte. Glücklicherweise hat Europa Euclid, sein zukünftiges Weltraumobservatorium, das der Erforschung der Expansion des Universums und der dunklen Energie gewidmet ist, nicht annulliert. Es sollte zu Beginn des nächsten Jahrzehnts in Dienst gestellt werden. Es wird versuchen, in der Vergangenheit bis zu 10 Milliarden Jahre zurück zu gehen. Die verschiedenen Modelle dunkler Energie weisen winzige Variationen auf, so dass Messungen sehr hoher Genauigkeit erforderlich sind, um zu bestimmen, welche Spur am interessantesten ist.
Bild von NASA / WMAP Science Team [Public Domain], über Wikimedia Commons
Quellen
