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Hubble-Konstante : Kosmische Expansion zwischen Krise und Konstante

Die Hubble-Konstante ist ein Maß für die Expansionsgeschwindigkeit des Universums, über deren wahren Wert seit ihrer Entdeckung gerätselt wird. Steckt die Kosmologie in einer Krise?
Der rote Riesenstern Camelopardalis ist ein Stern, der sich dem Ende seiner Entwicklung nähert. Mit Sternen wie diesem können Distanzmessungen im Kosmos kalibriert werden, die zur Messung der Hubble-Konstante beitragen – einem Maß für die jetzige Expansionsgeschwindigkeit des Universums.

Das Weltall bietet keine unendlichen, wohl aber expandierende Weiten. Die Tatsache, dass sich Galaxien umso schneller von uns wegbewegen, je weiter sie entfernt sind, wurde zunächst von Georges Lemaître, wenig später von Edwin Hubble festgestellt. Eine trügerisch einfache Gleichung hält den Zusammenhang fest. Die Geschwindigkeit v ist proportional zur Entfernung d, und dann bleibt nur noch eine Proportionalitätskonstante, um das Ganze zu vervollständigen: v = H0 • d.

Will man nun wissen, wie schnell sich alles im Universum voneinander wegbewegt, misst man einfach die Geschwindigkeit einer weit entfernten Galaxie, teilt das Ergebnis durch ihre Distanz und erhält als Ergebnis die Hubble-Konstante, das Maß für die Expansionsgeschwindigkeit des Universums. Das ist vermutlich einer der widerspenstigsten Proportionalitätsfaktoren der Wissenschaft.

Dabei hatte alles so gut angefangen. Edwin Hubble selbst berechnete die später nach ihm benannte Konstante und kam auf ungefähr 500 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec (km/s/Mpc), wobei ein Megaparsec eine Längenangabe ist und 3,26 Millionen Lichtjahren entspricht. In den folgenden Jahrzehnten wurde dieser Wert nach unten korrigiert. Einige Forschende maßen nach und kamen bei einem Wert von rund 100 km/s/Mpc heraus. Andere erhielten bei ihren Untersuchungen 50 km/s/Mpc als Ergebnis.

Dann startete 1990 das inzwischen altehrwürdige Hubble-Weltraumteleskop in eine Erdumlaufbahn. Eine seiner Hauptaufgaben lautete, doch bitte endlich die Hubble-Konstante herauszufinden. Hubble beobachtete, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler warteten, rechneten und analysierten und kamen 2001 schließlich bei der goldenen Mitte heraus: 72 ± 8 km/s/Mpc. »Alle haben vor Erleichterung aufgeatmet«, sagt Barry Madore von den Carnegie Observatories in Kalifornien.

Diese Erleichterung sollte sich als ein wenig verfrüht herausstellen. Vor allem, seitdem von manchen Fachleuten in den Raum gestellt wird, dass die Hubble-Konstante das ganze Standardmodell der Kosmologie ins Wanken bringen könnte.

Die Hubble-Konstante des Standardmodells der Kosmologie

Das Standardmodell der Kosmologie beschreibt ein Universum, das vor 13,8 Milliarden Jahren in einem Urknall begann und sich seitdem ausdehnt. Zwar setzt es einerseits auch voraus, dass dieses Universum größtenteils von Dunkler Materie gefüllt ist, wobei Forschende keine Ahnung haben, um was es sich dabei handelt. Andererseits soll eine noch mysteriösere Dunkle Energie dafür sorgen, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt. Warum das so ist, weiß kein Mensch. Aber im Großen und Ganzen funktioniert das Standardmodell der Kosmologie.

Es funktioniert sogar so wunderbar, dass es die Hubble-Konstante verrät. Messungen des Planck-Satelliten ergaben einen Wert von 67,6 ±  1,1 km/s/Mpc. Planck hatte dafür das sichtbare Überbleibsel des Urknalls, den kosmischen Mikrowellenhintergrund, vermessen. »In Kombination mit dem Standardmodell kommt Planck zu einem Ergebnis, bei dem es bei der Hubble-Konstante nichts mehr zu erklären gibt«, erläutert Barry Madore. »Das Ergebnis von Planck lautet in diesem Sinne: Wir sind fertig. Es gibt keine weiteren Vorhersagen, die wir machen können.«

Stimmen verschiedene Werte der Hubble-Konstante miteinander überein oder nicht?

Aber da war ja was, die trügerisch einfache Gleichung mit ihrem widerspenstigen Proportionalitätsfaktor nämlich. Also: Man nehme die Geschwindigkeit v eines weit entfernten Himmelskörpers, teile ihn durch seine Distanz d und erhalte so die Hubble-Konstante H0, ganz ohne Urknall, Standardmodell und den kosmischen Mikrowellenhintergrund. Die beiden Werte sollten natürlich trotzdem miteinander übereinstimmen. Tun sie das nicht, hat man entweder irgendwo einen Fehler bei der direkten Messung gemacht – oder aber es ist etwas mit dem Standardmodell der Kosmologie im Argen.

Ersteres wäre lästig, Zweiteres könnte eine Revolution anbahnen: Nichts finden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler so spannend, wie einen Fehler in einem so genannten Standardmodell zu entdecken. Dahinter könnten sich neue Erkenntnisse verbergen, neue Physik, vielleicht ein neues Weltbild und ganz sicher ein Nobelpreis.

Solange die Unsicherheiten und die Fehlerbalken bei den direkten Messungen der Hubble-Konstante so groß waren, dass ihr wahrer Wert quasi überall zwischen 100 und 50 liegen könnte, schien es müßig, über Risse im kosmologischen Standardmodell zu sinnieren. Was aber wäre, wenn nun eine Forschungsgruppe den Wert von 73,2 ±  1,3 km/s/Mpc herausbekäme, der in direktem Konflikt zum Wert aus dem kosmologischen Standardmodell stünde?

Das ist die derzeitige Hubble-Kontroverse, oder Hubble-Spannung. Denn das Team um Nobelpreisträger Adam Riess vom Space Telescope Science Institute, das diesen Wert von rund 74 km/s/Mpc herausbekam, sieht darin Hinweise, dass etwas mit dem Standardmodell der Kosmologie nicht stimmt. Auf der anderen Seite gibt es Forscherinnen und Forscher, die seit Jahren und Jahrzehnten ebenfalls nichts anderes tun, als an ihren Messungen der Hubble-Konstante zu feilen und die in dieser Hinsicht eher zu Vorsicht mahnen: Barry Madore und seine Kollegin Wendy Freedman von der University of Chicago zum Beispiel. Sie waren bereits am Projekt mit dem Hubble-Weltraumteleskop beteiligt. Der jüngste Wert, den dieses Forscherteam erhält, beträgt 69,8 km/s/Mpc ±  0,6 km/s/Mpc auf Grund statistischer Unsicherheiten und ± 1,6 km/s/Mpc auf Grund systematischer Unsicherheiten.

Anders ausgedrückt: Zwischen ihren Messungen der Hubble-Konstante und dem Wert aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund besteht kein statistisch signifikanter Unterschied. Neue Physik? Fehlanzeige.

Die Diretissima führt über die Distanzmessung

Der Knackpunkt bei allen aktuellen Messungen der Hubble-Konstante ist die Entfernung der weit entfernten Himmelskörper, also das d in der Gleichung H0 = v/d. Geschwindigkeiten zu bestimmen, ist relativ einfach. Entfernungen überhaupt nicht.

Forschungsteams wie die von Adam Riess und Wendy Freedman hangeln sich die kosmische Entfernungsleiter hoch: Man nehme einen hell leuchtenden Himmelskörper, dessen Abstand zu uns man mit geometrischen Methoden messen kann. Dann muss man noch wissen, wie groß die absolute Leuchtkraft dieses Himmelskörpers ist. Erstrahlt nun ein Himmelskörper der gleichen Art in einer weit entfernten Galaxie, kennt man seine relative Leuchtkraft und kommt so über die Sprossen der kosmischen Entfernungsleiter auf seine Distanz.

Die Messungen, die von Adam Riess und seinem Team durchgeführt wurden, nehmen »Cepheiden« als Ausgangspunkt, das sind Sterne mit Helligkeitsschwankungen, deren Periode exakte Rückschlüsse auf die Leuchtkraft zulässt – genau wie Wendy Freedmans Gruppe dies ursprünglich bei den Untersuchungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop getan hatte. Inzwischen verwenden die Forschenden der University of Chicago eine spezielle Art roten Riesenstern statt Cepheiden. Letztendlich arbeiten sich beide Teams teilweise dieselben Sprossen der kosmischen Entfernungsleiter hoch, dennoch stehen ihre Ergebnisse in Widerspruch zueinander. Es braucht also noch mehr unabhängige Messungen der Hubble-Konstante.

Unabhängige Werte gesucht

Da wäre zum Beispiel Sherry Suyu, Astrophysikerin am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching und der Technischen Universität München. Ein von ihr angeführtes internationales Forscherkonsortium namens H0LiCOW hat 2019 die Hubble-Konstante neu vermessen. »Wir haben eine komplett andere Methode benutzt als die der kosmischen Entfernungsleiter, nämlich Gravitationslinsen, um die Hubble-Konstante zu berechnen«, erklärt Sherry Suyu. Manchmal wird das Licht weit entfernter, leuchtstarker Quasare von einer davor liegenden Galaxie wie von einer Linse gebündelt. Dadurch erscheinen uns auf der Erde mehrere Bilder desselben im Hintergrund liegenden Quasars. Dessen Helligkeitsschwankungen treten in den einzelnen Bildern der Gravitationslinse zu unterschiedlichen Zeiten auf. Diese Art der Laufzeitmessung hängt eng mit der Expansion des Universums zusammen und erlaubt so einen Rückschluss auf die Hubble-Konstante.

»Wir erwarten Dutzende solcher Gravitationslinsen mit Supernovae im Hintergrund«
(Sherry Suyu, Astrophysikerin)

Ergebnis: 73,3 km/s/Mpc. »Diese Ergebnisse passen zu denen der kosmischen Entfernungsleiter. Aber wir brauchen eine genauere und exaktere Messung der Hubble-Konstante, um die Hubble-Spannung beurteilen zu können«, sagt Suyu. Vielleicht bringt eine andere Art Himmelskörper gelinstes Licht ins Dunkel: Auch Supernovae können von Gravitationslinsen in mehrere Bilder aufgespalten werden. 2014 wurde das Phänomen das erste Mal dokumentiert. Der Seltenheitswert solcher Beobachtungen macht eine Berechnung der Hubble-Konstante daraus derzeit schwierig bis unmöglich.

Deshalb wartet Sherry Suyu darauf, dass das Vera Rubin Observatory in Chile seinen Betrieb aufnimmt: »Damit können wir zehn Jahre lang eine Art Film des gesamten Südhimmels aufnehmen«, sagt sie. »Wir erwarten Dutzende solcher Gravitationslinsen mit Supernovae im Hintergrund.« Das würde auch dutzende mögliche Messungen der Hubble-Konstante bedeuten. Doch damit kann es frühestens 2023 losgehen.

Gravitationswellen als Standardsirenen für die Hubble-Konstante

Auf der Suche nach weiteren Phänomenen des Alls, die etwas über seine Expansionsgeschwindigkeit verraten könnten, stößt man auf den schönen Begriff »Standardsirene«. Gemeint sind damit Gravitationswellen, die entstehen, wenn zwei Neutronensterne miteinander verschmelzen. 2017 gelang es Physikerinnern und Physikern, aus einem derartigen Signal die Hubble-Konstante herauszukitzeln. Das Ergebnis: ungefähr 70 km/s/Mpc, mit der Betonung auf »ungefähr«.

»Das Gravitationswellensignal liefert uns zwar die Distanz«, erklärt Tim Dietrich von der Universität Potsdam. »Aber der Beobachtungswinkel hat Einfluss auf das Signal und verursacht derzeit eine größere Unsicherheit.« Abhilfe schaffen könnten Gravitationswellendetektoren der nächsten Generation. » Dann wird eine einzige Quelle reichen, um die Hubble-Konstante relativ genau zu berechnen«, hofft Tim Dietrich. »Und wenn wir mehrere Quellen untersuchen, können wir herausfinden, ob die Hubble-Konstante räumlich und zeitlich konstant ist.«

Die Hubble-Spannung zwischen 67 und 74 km/s/Mpc

Fast 100 Jahre nach der Entdeckung, dass wir in einem Universum leben, dessen Raum sich wie ein Hefeteig im Ofen ausdehnt, ist immer noch nicht ganz klar, wie schnell diese Expansion derzeit vonstattengeht. Immerhin streiten sich Forschende derzeit nicht mehr über Werte zwischen 50 und 100 km/s/Mpc, sondern um einen Betrag, der um die 70 km/s/Mpc liegen dürfte. Deshalb ist auch noch nicht klar, ob das nun ein Problem ist oder nicht. Und nur durch weitere Messungen wird sich zeigen, ob die Hubble-Konstante Detailarbeit an Messunsicherheiten oder eine wissenschaftliche Revolution nach sich zieht – egal, wie sehr man sich diese wünschen würde.

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