Die roten Riesensterne stehen im Mittelpunkt einer neuen Methode, die die aktuelle Expansionsrate des Universums misst.Credit: NASA/ESA/SPL

Für einen Großteil dieses Jahrzehnts waren die beiden genauesten Messgeräte der Expansionsrate des Universums in eklatanter Meinungsverschiedenheit. Nun, Eine mit Spannung erwartete unabhängige Technik, von der Kosmologen hofften, dass sie das Rätsel lösen würde, trägt stattdessen zur Verwirrung bei.,

In Ergebnisse enthüllt1 am 16 Juli und aufgrund erscheinen in der Astrophysical Journal, ein Team unter der Leitung von Astronom Wendy Freedman an der University of Chicago in Illinois präsentiert eine Technik, die die Expansion mit roten Riesen Sterne misst. Es hatte versprochen, eine Methode zu ersetzen, die Astronomen seit mehr als einem Jahrhundert anwenden — aber vorerst hat die Geschwindigkeitsmessung den Streit nicht beigelegt, weil sie auf halbem Weg zwischen den beiden strittigen Werten liegt.

„Das Universum spielt an diesem Punkt nur mit uns, oder?“twitterte ein Astrophysiker über das Papier.,

„Im Moment versuchen wir zu verstehen, wie alles zusammenpasst“, sagte Freedman zu Nature. Wenn die Diskrepanz zwischen kosmischer Geschwindigkeit und Geschwindigkeit nicht behoben wird, könnten einige der grundlegenden Theorien, mit denen Kosmologen ihre Daten interpretieren — wie Annahmen über die Natur der Dunklen Materie — falsch sein. „Die Grundlagenphysik hängt im Gleichgewicht“, sagt Freedman.,

Kosmischer Tachometer

Der amerikanische Astronom Edwin Hubble und andere entdeckten in den 1920er Jahren, dass sich das Universum ausdehnt, indem sie zeigten, dass die meisten Galaxien von der Milchstraße zurückgehen — und je weiter sie entfernt sind, desto schneller treten sie zurück. Das ungefähr konstante Verhältnis zwischen Geschwindigkeit und Entfernung wurde als Hubble-Konstante bekannt. Für jede weitere Megaparsec (rund 3,26 Millionen Lichtjahre) Entfernung stellte Hubble fest, dass Galaxien 500 Kilometer pro Sekunde schneller zurückgingen — so dass die Hubble-Konstante 500 in Einheiten von Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec betrug.,

Im Laufe der Jahrzehnte revidierten Astronomen die Schätzung erheblich, da sich die Messtechniken verbesserten. Freedman war in den 1990er Jahren Pionier bei der Verwendung des Hubble-Weltraumteleskops, um (passend) die Hubble-Konstante zu messen, und berechnete einen Wert von rund 72 mit einer Fehlerquote von rund 10%. Ein Team unter der Leitung des Nobelpreisträgers Adam Riess an der Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland, hat bisher die genauesten Messungen durchgeführt, und sein neuester Wert ist 74, mit einer Fehlerquote von nur 1.91% 2.

Aber eine separate Anstrengung in den letzten zehn Jahren hat einen Spanner in die Arbeit geworfen., Wissenschaftler der Planck-Mission der Europäischen Weltraumorganisation kartierten die Reliktstrahlung des Urknalls, den kosmischen Mikrowellenhintergrund, und berechneten damit die grundlegenden Eigenschaften des Universums. Unter Verwendung theoretischer Standardannahmen über den Kosmos berechneten sie die Hubble-Konstante mit 67,8.

Der Unterschied zwischen 67,8 und 74 mag klein erscheinen, ist jedoch statistisch signifikant geworden, da sich beide Techniken verbessert haben., Theoretiker haben sich also gefragt, ob der Grund für die Diskrepanz in der Standardtheorie der Kosmologie namens ΛCDM liegt, die das Vorhandensein unsichtbarer Teilchen dunkler Materie sowie eine mysteriöse abstoßende Kraft namens dunkle Energie annimmt. Aber sie haben gekämpft, um eine Optimierung der Theorie zu finden, die das Problem lösen könnte und immer noch mit allem, was über das Universum bekannt ist, konsistent ist. „Es ist schwer, ΛCDM zu betrachten und zu sehen, wo sich die losen Fäden befinden, und wenn Sie sie ziehen, werden sie sie entwirren“, sagt Rocky Kolb, Kosmologe an der Universität von Chicago.,

Freedmans Technik aktualisiert ein Schlüsselelement der etablierten Hubble-Messmethode — und erzeugt einen Wert von 69,8.

Der schwierige Teil der Messung der Hubble-Konstante besteht darin, die Entfernungen von Galaxien zuverlässig zu messen. Hubbles erste Schätzung hing davon ab, die Entfernungen benachbarter Galaxien zu messen, indem einzelne, helle Sterne, die als Cepheiden bezeichnet werden, beobachtet wurden. Die Astronomin Henrietta Swan Leavitt hatte Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts entdeckt, dass die tatsächliche Helligkeit dieser Sterne vorhersehbar war., Durch die Messung, wie hell sie auf fotografischen Platten erschienen, konnte sie berechnen, wie weit die Sterne entfernt waren. Astronomen nennen solche Wegweiser Standardkerzen.

Aber Forscher haben seitdem versucht, bessere Standardkerzen als Cepheiden zu finden, die in überfüllten, staubgefüllten Regionen existieren, die Schätzungen ihrer Helligkeit verzerren können., „Der einzige Weg, dem auf den Grund zu gehen, besteht darin, unabhängige Methoden zu haben, und bis zu diesem Punkt hatten wir keine Kontrollen der Cepheiden“, sagt Freedman, die einen Großteil ihrer Karriere damit verbracht hat, die Präzision und Genauigkeit der Cepheid-Messungen zu verbessern. „Sie weiß, wo alle Leichen begraben sind“, sagt Kolb.

Freedman und ihre Kollegen haben die Cepheiden komplett übersprungen und stattdessen als Standardkerzen rote Riesen — alte Sterne, die aufgeblasen wurden — zusammen mit Supernovae-Explosionen verwendet, die als Wegweiser für weiter entfernte Galaxien dienen.,

Riesengiganten

Rote Riesen sind häufiger als Cepheiden und in den peripheren Regionen von Galaxien leicht zu erkennen, wo Sterne gut voneinander getrennt sind und Staub kein Problem darstellt. Ihre Helligkeit variiert stark — aber insgesamt hat die rot-riesige Bevölkerung einer Galaxie eine praktische Funktion. Die Helligkeit der Sterne nimmt über Millionen von Jahren zu, bis sie ein Maximum erreicht, und dann fällt sie plötzlich ab. Wenn Astronomen eine große Gruppe von Sternen nach Farbe und Helligkeit zeichnen, sehen die roten Riesen wie eine Punktwolke mit einer scharfen Kante aus., Die Sterne an diesem Rand können dann als Standardkerzen dienen.

Freedmans Team verwendete die Technik, um die Entfernungen zu 18 Galaxien zu berechnen, und erhielt eine Schätzung der Hubble-Konstante, die zum ersten Mal eine Genauigkeit aufweist, die mit der der Cepheid-basierten Studien vergleichbar ist.

Riess sagt, dass die Studie über den roten Riesen immer noch auf Annahmen über die Staubmenge in Galaxien beruht-insbesondere in der Großen Magellanschen Wolke, die die Studie als Ankerpunkt verwendete., „Staub ist sehr schwierig abzuschätzen, und ich bin sicher, dass es viele Diskussionen darüber geben wird,“ warum der Ansatz der Autoren zu einer niedrigeren Schätzung der Hubble-Konstante führt“, sagt er.

Das Ergebnis ist statistisch mit der Planck-Vorhersage und der Cepheid-Berechnung von Riess kompatibel-was bedeutet, dass sich die Fehlerbalken der Berechnungen überlappen — und die Präzision der Technik verbessert, wenn sich Daten zu roten Riesen ansammeln. Sie könnten in naher Zukunft Cepheiden schlagen, sagt Kolb.

Die Nadel könnte sich zu einem der anderen Werte verschieben., Oder es könnte bleiben, und die anderen Techniken könnten schließlich zu ihm konvergieren. Im Moment haben Kosmologen viel zu rätseln.