Die „Hubble-Spannung“ stellt die Differenz zwischen der beobachteten Expansionsrate des Universums und der erwarteten Expansionsrate des Universums dar. Das James Webb-Weltraumteleskop hat frühere Messungen des Hubble-Weltraumteleskops verbessert. Trotz des Fortschritts bleiben Fragen zur schnellen Expansion des Universums und den ihr zugrunde liegenden kosmischen Phänomenen bestehen.

Umfassende Beobachtungen mit der NIRCam (Near Infrarot Camera) der NASA und der WFC3 (Wide Field Camera 3) von Hubble zeigen, dass die Spiralgalaxie NGC 5584 72 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Unter den leuchtenden Sternen von NGC 5584 befinden sich pulsierende Sterne, sogenannte Cepheid-Variable, und Supernovae vom Typ Ia, eine besondere Art explodierender Sterne. Astronomen nutzen Cepheiden und Typ-Ia-Supernovae als zuverlässige Entfernungsmarker, um die Expansionsrate des Universums zu messen. Bildquelle: NASA, ESA, CSA und A. Riess (STScI)

Die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt, bekannt als Hubble-Konstante, ist einer der grundlegenden Parameter für das Verständnis der Entwicklung und des endgültigen Schicksals des Universums. Es besteht jedoch eine anhaltende Diskrepanz, die sogenannte „Hubble-Spannung“, zwischen dem Wert der Konstante, der mithilfe verschiedener unabhängiger Distanzmetriken gemessen wird, und dem Wert, der aus dem Nachglühen des Urknalls vorhergesagt wird.

Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA bietet neue Möglichkeiten, einige der stärksten Beobachtungsbeweise dieser Spannung zu überprüfen und zu verfeinern. Nobelpreisträger Adam Riess von der Johns Hopkins University und dem Space Telescope Science Institute beschrieb aktuelle Arbeiten von ihm und Kollegen, die Webb-Beobachtungen nutzten, um die Genauigkeit lokaler Messungen der Hubble-Konstante zu verbessern.

Die Herausforderung, das Universum zu vermessen

Hatten Sie jemals Schwierigkeiten, ein Schild zu erkennen, das sich am Rande Ihres Sichtfelds befindet? Was steht da? Was bedeutet das? Selbst mit den leistungsstärksten Teleskopen erscheinen die „Zeichen“, die Astronomen lesen wollen, so klein, dass wir Schwierigkeiten haben.

Die Signatur, die Kosmologen entschlüsseln wollen, ist die kosmische Geschwindigkeitsbegrenzungssignatur, die uns sagt, wie schnell sich das Universum ausdehnt – eine Zahl, die Hubble-Konstante genannt wird. Unsere Sternbilder sind in die Sterne entfernter Galaxien eingeschrieben. Die Helligkeit bestimmter Sterne in diesen Galaxien sagt uns, wie weit sie von uns entfernt sind und wie lange es daher dauert, bis dieses Licht uns erreicht, während die Rotverschiebung der Galaxie uns sagt, wie stark sich das Universum in dieser Zeit ausgedehnt hat, und damit die Geschwindigkeit der Expansion.

Dieses Diagramm veranschaulicht die kombinierte Fähigkeit der NASA-Weltraumteleskope Hubble und Webb, die genaue Entfernung zu einer speziellen Klasse veränderlicher Sterne zu bestimmen, die zur Kalibrierung der Expansionsrate des Universums verwendet werden. Diese Cepheiden erscheinen in einem überfüllten Sternenfeld. Lichtverschmutzung durch umgebende Sterne kann dazu führen, dass Messungen der Helligkeit von Cepheiden ungenauer werden. Webbs schärfere Infrarotsicht ermöglicht es, das Cepheid-Ziel klarer von den umgebenden Sternen zu isolieren, wie rechts gezeigt. Die Webb-Daten bestätigen die Genauigkeit von Hubbles 30-jährigen Cepheid-Beobachtungen, die entscheidend für die Etablierung der untersten Stufe der kosmischen Distanzleiter waren, die die Expansionsrate des Universums misst. Links erscheint NGC 5584 in einem zusammengesetzten Bild von Webbs NIRCam (Nahinfrarotkamera) und Hubbles Wide Field Camera 3. Bildquelle: NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI)

Eine besondere Klasse von Sternen, die Cepheiden-Variablen, liefern uns seit mehr als einem Jahrhundert die genauesten Entfernungsmessungen, weil diese Sterne so hell sind: Sie sind Überriesen, hunderttausendmal leuchtender als die Sonne. Darüber hinaus pulsieren sie über mehrere Wochen (d. h. sie vergrößern und verkleinern sich), was auf ihre relative Helligkeit schließen lässt. Je länger die Periode, desto heller sind sie an sich. Sie sind das Goldstandardwerkzeug zur Messung von Entfernungen zu Galaxien von 100 Millionen Lichtjahren oder mehr, ein wichtiger Schritt bei der Bestimmung der Hubble-Konstante. Leider sind Sterne in Galaxien von unserem entfernten Standpunkt aus auf engstem Raum zusammengedrängt, sodass uns oft die Auflösung fehlt, sie von ihren Nachbarn in der Sichtlinie zu trennen.

Hubbles Beiträge und Webbs Fortschritte

Einer der Hauptgründe für den Bau des Hubble-Weltraumteleskops war die Lösung dieses Problems. Vor Hubbles Start im Jahr 1990 und den anschließenden Cepheid-Messungen war die Expansionsrate des Universums so ungewiss, dass Astronomen nicht sicher waren, ob sich das Universum schon seit 10 oder 20 Milliarden Jahren ausdehnte. Dies liegt daran, dass eine schnellere Expansionsrate zu einem jüngeren Universum führt, während eine langsamere Expansionsrate zu einem älteren Universum führt. Hubble verfügt über eine bessere Auflösung sichtbarer Wellenlängen als jedes bodengestützte Teleskop, da es über den Unschärfeeffekten der Erdatmosphäre liegt. Damit kann es einzelne Cepheiden in mehr als 100 Millionen Lichtjahren entfernten Galaxien identifizieren und die Zeitintervalle messen, in denen sie ihre Helligkeit ändern.

Allerdings müssen wir auch Cepheiden im nahen Infrarotbereich des Spektrums betrachten, um zu sehen, wie das Licht den dazwischenliegenden Staub unbeschadet durchdringt. (Staub absorbiert und streut blaues optisches Licht, wodurch entfernte Objekte schwach erscheinen und wir glauben, sie seien weiter entfernt, als sie tatsächlich sind.) Leider ist Hubbles Rotlichtsicht nicht so klar wie Blaulicht, sodass das Sternenlicht, das wir von Cepheiden sehen, mit anderen Sternen im Sichtfeld vermischt ist. Wir könnten die durchschnittliche Mischung statistisch interpretieren, ähnlich wie ein Arzt das Körpergewicht berechnen würde, indem er das durchschnittliche Gewicht der Kleidung von einem Skalenwert abzieht, aber dadurch würde die Messung verrauscht werden. , weil die Kleidung einiger Menschen schwerer ist als die anderer.

Die scharfe Infrarotsicht ist jedoch eine der Superkräfte des James Webb-Weltraumteleskops. Mit seinen großen Spiegeln und seiner empfindlichen Optik kann er das Licht der Cepheiden problemlos und mit geringer Vermischung von benachbarten Sternen trennen. Im ersten Betriebsjahr des Webb Universal Observation Program im Jahr 1685 sammelten wir Beobachtungen der von Hubble entdeckten Cepheiden in zwei Schritten entlang der sogenannten kosmischen Distanzleiter. Der erste Schritt besteht darin, Cepheiden in Galaxien in bekannten geometrischen Entfernungen zu beobachten, was es uns ermöglicht, die wahre Leuchtkraft der Cepheiden zu kalibrieren. Für unsere Zwecke ist diese Galaxie NGC 4258. Der zweite Schritt besteht darin, Cepheid-Variablen in der Muttergalaxie der jüngsten Supernova vom Typ Ia zu beobachten. Die Kombination der ersten beiden Schritte überträgt Entfernungswissen auf die Supernovae, um ihre wahre Leuchtkraft zu kalibrieren. Der dritte Schritt besteht darin, entfernte Supernovae zu beobachten, bei denen die Expansion des Universums erheblich ist. Dies kann gemessen werden, indem die aus ihrer Helligkeit abgeleitete Entfernung mit der Rotverschiebung der Heimatgalaxie der Supernovae verglichen wird. Diese Stufenreihe wird Distanzleiter genannt.

Wir haben kürzlich die ersten Webb-Messungen aus den Schritten eins und zwei erhalten, die es uns aufgrund der Auflösung des Observatoriums bei Wellenlängen im nahen Infrarot ermöglichten, die Entfernungsleiter zu vervollständigen und mit früheren Hubble-Messungen zu vergleichen (siehe Abbildung). Von dieser Verbesserung träumen Astronomen! In den ersten beiden Schritten haben wir mehr als 320 Cepheiden beobachtet. Wir bestätigen, dass die frühen Messungen des Hubble-Weltraumteleskops genau, wenn auch verrauscht, waren. Wir haben mit Webb auch vier weitere Supernova-Wirte beobachtet und in der gesamten Stichprobe ähnliche Ergebnisse gesehen.

Vergleich der Periode-Leuchtkraft-Beziehungen zwischen variabler Sternperiode und Leuchtkraft der Cepheiden zur Messung von Entfernungen. Der rote Punkt stammt vom Webb der NASA und der graue Punkt vom Hubble der NASA. Das obere Feld zeigt NGC 5584, einen Supernova-Wirt vom Typ Ia, und der Einschub zeigt Bildmarkierungen derselben Cepheid-Variablen, wie sie von jedem Teleskop gesehen wurden. Das untere Feld zeigt NGC 4258, eine Galaxie mit bekannter geometrischer Entfernung, und der Einschub zeigt den Unterschied im Entfernungsmodul zwischen NGC 5584 und NGC 4258, gemessen mit jedem Teleskop. Die Übereinstimmung zwischen den beiden Teleskopen ist sehr gut. Bildquelle: NASA, ESA, A. Riess (STScI) und G. Anand (STScI)

Das Geheimnis des Fortbestehens der Hubble-Spannung

Die Ergebnisse erklären immer noch nicht, warum sich das Universum so schnell ausdehnt! Wir können vorhersagen, wie schnell sich das Universum ausdehnt, indem wir sein Babybild (den kosmischen Mikrowellenhintergrund) betrachten und dann die besten Modelle dafür verwenden, wie das Universum im Laufe der Zeit gewachsen ist, um uns zu sagen, wie schnell sich das Universum heute ausdehnen sollte. Die Tatsache, dass aktuelle Messungen der Expansionsrate die Vorhersagen bei weitem übertreffen, ist ein jahrzehntelanges Problem, das als „Hubble-Spannung“ bekannt ist. Die aufregendste Möglichkeit besteht darin, dass Spannungen zu den fehlenden Hinweisen in unserem Verständnis des Universums gehören.

Es könnte auf die Existenz exotischer dunkler Energie, exotischer dunkler Materie, eine Revision unseres Verständnisses der Schwerkraft oder die Existenz einzigartiger Teilchen oder Felder hinweisen. Die häufigere Erklärung ist, dass mehrere Messfehler in derselben Richtung zusammenwirkten (Astronomen schließen einzelne Fehler aus, indem sie unabhängige Schritte verwenden). Aus diesem Grund ist es so wichtig, die Messungen mit höherer Genauigkeit zu wiederholen. Mit Webbs Bestätigung der Hubble-Messungen liefern die Webb-Messungen den bislang stärksten Beweis dafür, dass systematische Fehler in der Cepheid-Photometrie von Hubble keine wesentliche Rolle in der aktuellen Hubble-Spannung spielen. Dadurch bleiben weitere interessante Möglichkeiten bestehen und das Geheimnis der Spannung vertieft sich.

Dieser Artikel hebt Daten aus einem vom Astrophysical Journal akzeptierten Artikel hervor.