Das Universum dehnt sich schneller aus als erwartet

Am 3. Dezember hatte die Menschheit plötzlich Informationen zur Hand, die man sich schon seit, nun ja, ewig wünscht: die genauen Entfernungen zu den Sternen.

„Sie geben den Namen eines Sterns oder seine Position ein, und in weniger als einer Sekunde haben Sie die Antwort“, sagte Barry Madore, ein Kosmologe an der University of Chicago und den Carnegie Observatories, letzte Woche bei einem Zoom-Anruf. „Ich meine …“ Er brach ab.

„Wir trinken gerade aus einem Feuerschlauch“, sagte Wendy Freedman, ebenfalls Kosmologin in Chicago und Carnegie und Madores Frau und Mitarbeiterin.

„Ich kann gar nicht genug betonen, wie aufgeregt ich bin“, sagte Adam Riess von der Johns Hopkins University, der 2011 den Nobelpreis für Physik für die Mitentdeckung der dunklen Energie erhielt, in einem Telefonat. „Kann ich Ihnen visuell zeigen, worüber ich so aufgeregt bin?“ Wir schalteten auf Zoom um, damit er die hübschen Plots der neuen Sterndaten auf dem Bildschirm zeigen konnte.

Die Daten stammen von der Raumsonde Gaia der Europäischen Weltraumbehörde, die die letzten sechs Jahre damit verbracht hat, die Sterne aus einer Höhe von 1 Million Meilen zu beobachten. Das Teleskop hat die „Parallaxen“ von 1,3 Milliarden Sternen gemessen – winzige Verschiebungen der scheinbaren Positionen der Sterne am Himmel, die ihre Entfernungen verraten. „Die Gaia-Parallaxen sind die mit Abstand genauesten und präzisesten Entfernungsbestimmungen, die es je gab“, sagt Jo Bovy, Astrophysiker an der Universität von Toronto.

Das Beste für Kosmologen: Gaias neuer Katalog enthält die speziellen Sterne, deren Entfernungen als Maßstab für die Messung aller weiteren kosmologischen Entfernungen dienen. Dadurch haben die neuen Daten das größte Rätsel der modernen Kosmologie schnell geschärft: die unerwartet schnelle Expansion des Universums, bekannt als Hubble-Spannung.

Die Spannung ist folgende: Die bekannten Bestandteile des Kosmos und die herrschenden Gleichungen sagen voraus, dass er sich derzeit mit einer Geschwindigkeit von 67 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec ausdehnen sollte – was bedeutet, dass wir Galaxien sehen sollten, die mit jedem zusätzlichen Megaparsec an Entfernung 67 Kilometer pro Sekunde schneller von uns wegfliegen. Doch die tatsächlichen Messungen schießen immer wieder über das Ziel hinaus. Die Galaxien entfernen sich zu schnell. Diese Diskrepanz legt nahe, dass im Kosmos ein unbekannter Beschleuniger am Werk ist.

„Es wäre unglaublich spannend, wenn es eine neue Physik gäbe“, sagt Freedman. „Ich habe ein Geheimnis in meinem Herzen, dass ich hoffe, dass es das gibt, dass es dort eine Entdeckung zu machen gibt. Aber wir wollen sichergehen, dass wir richtig liegen. Es gibt noch einiges zu tun, bevor wir das eindeutig sagen können.“

Diese Arbeit beinhaltet die Reduzierung möglicher Fehlerquellen bei Messungen der kosmischen Expansionsrate. Eine der größten Quellen für diese Unsicherheit waren die Entfernungen zu nahen Sternen – Entfernungen, die mit den neuen Parallaxen-Daten so gut wie festgenagelt zu sein scheinen.

In einer am 15. Dezember online veröffentlichten Arbeit, die im Astrophysical Journal veröffentlicht wurde, hat das Team um Riess die neuen Daten verwendet, um die Expansionsrate auf 73,2 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec festzulegen, was mit dem vorherigen Wert übereinstimmt, aber jetzt mit einer Fehlermarge von nur 1,8 Prozent. Das scheint die Diskrepanz zu der weitaus niedrigeren vorhergesagten Rate von 67 zu zementieren.

Freedman und Madore erwarten, die neue und verbesserte Messung der kosmischen Expansionsrate ihrer Gruppe im Januar zu veröffentlichen. Auch sie erwarten, dass die neuen Daten ihre Messung, die tendenziell niedriger als die von Riess und anderen Gruppen, aber immer noch höher als die Vorhersage ist, festigen, anstatt sie zu verschieben.

Seit dem Start von Gaia im Dezember 2013 hat es zwei weitere massive Datensätze veröffentlicht, die unser Verständnis unserer kosmischen Nachbarschaft revolutioniert haben. Dennoch waren die früheren Parallaxenmessungen von Gaia eine Enttäuschung. „Als wir uns die erste Datenveröffentlichung“ im Jahr 2016 ansahen, sagte Freedman, „wollten wir weinen.“

Ein unvorhergesehenes Problem

Wenn Parallaxen einfacher zu messen wären, hätte die kopernikanische Revolution vielleicht schon früher stattgefunden.

Copernicus schlug im 16. Jahrhundert vor, dass sich die Erde um die Sonne dreht. Aber schon damals wussten die Astronomen von der Parallaxe. Wenn sich die Erde bewegte, wie Kopernikus behauptete, dann erwarteten sie, dass sich nahegelegene Sterne am Himmel verschieben, so wie sich ein Laternenpfahl relativ zu den Hügeln im Hintergrund zu verschieben scheint, wenn man die Straße überquert. Der Astronom Tycho Brahe entdeckte keine solche Sternparallaxe und schloss daraus, dass sich die Erde nicht bewegt.

Und doch, sie bewegt sich, und die Sterne verschieben sich – wenn auch kaum, weil sie so weit entfernt sind.

Es dauerte bis 1838, bis ein deutscher Astronom namens Friedrich Bessel die Sternparallaxe entdeckte. Aus der Messung der Winkelverschiebung des Sternsystems 61 Cygni relativ zu den umgebenden Sternen schloss Bessel auf eine Entfernung von 10,3 Lichtjahren. Seine Messung weicht vom wahren Wert nur um 10 Prozent ab – nach Gaias neuen Messungen sind die beiden Sterne des Systems 11,4030 und 11,4026 Lichtjahre entfernt, plus/minus ein oder zwei Tausendstel eines Lichtjahres.

Das System 61 Cygni ist außergewöhnlich nah. Typischere Milchstraßensterne verschieben sich nur um zehntausendstel Bogensekunden – nur Hundertstel eines Pixels in einer modernen Teleskopkamera. Die Erkennung dieser Bewegung erfordert spezielle, ultrastabile Instrumente. Gaia wurde für diesen Zweck entwickelt, aber als es eingeschaltet wurde, hatte das Teleskop ein unvorhergesehenes Problem.

Das Teleskop funktioniert, indem es in zwei Richtungen gleichzeitig schaut und die Winkelunterschiede zwischen den Sternen in seinen beiden Sichtfeldern verfolgt, erklärt Lennart Lindegren, der die Gaia-Mission 1993 mit vorgeschlagen hat und die Analyse der neuen Parallaxendaten leitete. Genaue Parallaxenschätzungen erfordern, dass der Winkel zwischen den beiden Gesichtsfeldern konstant bleibt. Doch schon früh in der Gaia-Mission entdeckten die Wissenschaftler, dass dies nicht der Fall ist. Das Teleskop biegt sich leicht, wenn es sich in Bezug auf die Sonne dreht, und bringt dadurch einen Wobble in seine Messungen ein, der die Parallaxe nachahmt. Schlimmer noch, dieser Parallaxen-„Offset“ hängt auf komplizierte Art und Weise von den Positionen, Farben und Helligkeiten der Objekte ab.

Im Laufe der Zeit haben die Gaia-Wissenschaftler jedoch herausgefunden, dass es einfacher ist, die gefälschte Parallaxe von der echten zu trennen. Lindegren und seine Kollegen haben es geschafft, einen Großteil des Wobblings des Teleskops aus den neu veröffentlichten Parallaxen-Daten zu entfernen und gleichzeitig eine Formel zu entwickeln, mit der die Forscher die endgültigen Parallaxen-Messungen in Abhängigkeit von der Position, Farbe und Helligkeit eines Sterns korrigieren können.

Klettern auf der Leiter

Mit den neuen Daten in der Hand konnten Riess, Freedman und Madore und ihre Teams die Expansionsrate des Universums neu berechnen. In groben Zügen lässt sich die kosmische Expansion messen, indem man herausfindet, wie weit entfernte Galaxien entfernt sind und wie schnell sie sich von uns zurückziehen. Die Geschwindigkeitsmessungen sind einfach, die Entfernungen sind schwierig.

Die genauesten Messungen beruhen auf komplizierten „kosmischen Entfernungsleitern“. Die erste Sprosse besteht aus „Standardkerzen“-Sternen in und um unsere eigene Galaxie, die gut definierte Helligkeiten haben und nahe genug sind, um eine Parallaxe aufzuweisen – der einzige sichere Weg, um zu sagen, wie weit etwas entfernt ist, ohne dorthin zu reisen. Astronomen vergleichen dann die Helligkeit dieser Standardkerzen mit der von schwächeren Kerzen in nahegelegenen Galaxien, um deren Entfernungen abzuleiten. Das ist die zweite Sprosse der Leiter. Die Kenntnis der Entfernungen dieser Galaxien, die ausgewählt wurden, weil sie seltene, helle Sternexplosionen enthalten, die Supernovae vom Typ 1a genannt werden, erlaubt es den Kosmologen, die relativen Entfernungen von weiter entfernten Galaxien abzuschätzen, die schwächere Supernovae vom Typ 1a enthalten. Das Verhältnis der Geschwindigkeiten dieser fernen Galaxien zu ihren Entfernungen ergibt die kosmische Expansionsrate.

Parallaxen sind also entscheidend für die ganze Konstruktion. „Wenn man den ersten Schritt – die Parallaxen – ändert, dann ändert sich auch alles, was danach kommt“, sagt Riess, der einer der Leiter des Entfernungsleiter-Ansatzes ist. „Wenn man die Präzision des ersten Schritts ändert, dann ändert sich auch die Präzision von allem anderen.“

Riess‘ Team hat Gaias neue Parallaxen von 75 Cepheiden – pulsierende Sterne, die ihre bevorzugten Standardkerzen sind – genutzt, um ihre Messung der kosmischen Expansionsrate neu zu kalibrieren.

Freedman und Madore, Riess‘ Hauptkonkurrenten an der Spitze der Entfernungsleiter, haben in den letzten Jahren argumentiert, dass Cepheiden mögliche Fehltritte auf höheren Sprossen der Leiter fördern. Anstatt sich also zu sehr auf sie zu stützen, kombiniert ihr Team Messungen, die auf mehreren Arten von Standardsternen aus dem Gaia-Datensatz basieren, darunter Cepheiden, RR-Lyrae-Sterne, Spitze-der-Rot-Riesen-Zweig-Sterne und so genannte Kohlenstoffsterne.

„Gaia bietet uns eine sichere Grundlage“, sagte Madore. Obwohl eine Reihe von Veröffentlichungen von Madore und Freedmans Team erst in einigen Wochen erwartet wird, stellten sie fest, dass die neuen Parallaxendaten und die Korrekturformel gut zu funktionieren scheinen. In Verbindung mit verschiedenen Methoden zum Plotten und Zerlegen der Messungen fallen die Datenpunkte, die Cepheiden und andere spezielle Sterne repräsentieren, sauber entlang gerader Linien, mit sehr wenig „Streuung“, die auf zufällige Fehler hinweisen würde.

„Das zeigt uns, dass wir wirklich auf das echte Material schauen“, sagte Madore.

Der Originalartikel wurde mit Genehmigung des Quanta Magazins nachgedruckt, einer redaktionell unabhängigen Publikation der Simons Foundation, deren Ziel es ist, das öffentliche Verständnis der Wissenschaft zu verbessern, indem sie über Forschungsentwicklungen und -trends in der Mathematik und den physikalischen und Biowissenschaften berichtet.

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