Die Hubble-Konstante

Schon die Formeln Einsteins (Allgemeine Relativitätstheorie) , die beschreiben, wie Zeit, Raum, Materie und Energie zusammenhängen, legten nahe, dass das Universum nicht stillstehen kann; entweder es dehnt sich aus oder es zieht sich zusammen. Der erste Mensch, dessen Beobachtungen Hinweise auf eine Expansion gaben, war der US-amerikanische Astronom Vesto Melvin Slipher (1875-1969) vom Lowell Observatory in Arizona. Er hatte mit Hilfe der Spektroskopie* die Geschwindigkeiten naher Galaxien vermessen und bemerkt, dass die Spektrallinien von fast allen diesen Sternsystemen zu größeren Wellenlängen verschoben waren. Diese so genannte Rotverschiebung war ein Indiz dafür, dass sie sich von uns wegbewegten.

*[Bei der Spektroskopie wird das Licht eines Himmelskörpers in sein Spektrum zerlegt, in dem verschiedene markante Linien zu erkennen sind. Diese entstehen zum Beispiel durch die Absorption des Lichts derselben Wellenlänge in der Atmosphäre des Sterns. Bewegt sich der Himmelskörper von uns weg, sind diese Linien zu größeren Wellenlinien verschoben, das Licht erscheint also etwas „röter“. Auf uns zu rasende Sterne oder Galaxien haben hingegen einen Blaustich.]

Edwin Hubble war der Erste, der in den Jahren 1929 bis 1931 den Abstand vieler Galaxien in unserer kosmischen Nachbarschaft ermittelte – und dabei auch ihre Geschwindigkeiten. In seinen Aufzeichnungen entsprach jeder Galaxie einem Punkt in einem Koordinatensystem. Er notierte auch jeweils ihre Rotverschiebung und verglich sie mit ihrem Abstand von der Erde. Dabei entdeckte er einen einfachen linearen Zusammenhang zwischen Entfernung und Geschwindigkeit der Galaxien: Sie sind direkt proportional zueinander; also je größer die Entfernung einer Galaxie, umso größer die Geschwindigkeit, mit der sie sich von uns fortbewegt. Wir bezeichnen diesen Zusammenhang heute als Hubble-Konstante: H0 = v/E; Geschwindigkeit geteilt durch Entfernung. Die Einheit für die Hubble-Konstante ist Kilometer pro Sekunde und Megaparsek. (Ein Megaparsek entspricht etwa 3,26 Millionen Lichtjahren.)

Da es so aussieht, als ob eine Galaxie, je weiter sie von der Erde entfernt ist, umso schneller flieht, spricht man von ihrer „Fluchtgeschwindigkeit“. In Wirklichkeit expandiert das gesamte Raumgefüge, wobei die Galaxien mitgezogen werden. Sie verhalten sich somit eher wie Rosinen in einem aufgehenden Hefeteig. Die Rosinen bewegen sich nur deshalb voneinander fort, weil sich der Teig aufbläht – und nicht etwa aus eigenem Antrieb. Daher ist der Begriff „Fluchtgeschwindigkeit“ eigentlich falsch, denn die Galaxien werden durch die Raumausdehnung von uns fortgezogen.

Die Hubble-Konstante gilt heute als das Maß für die gegenwärtige Ausdehnungs-geschwindigkeit des Universums. Mit dem aus der Gleichung für die Hubble-Konstante abgeleiteten Hubbleschen Gesetz (v = H0 mal E) konnte man die Entfernungs-geschwindigkeit errechnen. (Die Internationale Astronomische Union will das Hubblesche Gesetz künftig in Hubble-Lemaitre-Gesetz umbenennen, da der belgische Astronom Georges Lemaitre bereits 1927 entdeckt hatte, dass die Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie einen sich ausdehnenden Kosmos zulassen.)

Die Hubble-Konstante gilt heute als das Maß für die gegenwärtige Ausdehnungs-geschwindigkeit des Universums. Die Kosmologen gehen davon aus, dass sie sich im Laufe der kosmischen Entwicklung verändert hat – einerseits durch die bremsende Wirkung der sich gegenseitig anziehenden Materie, die gerade anfangs dominierte, andererseits durch die Wirkung einer Dunklen Energie, die das All mit wachsendem Abstand zwischen den Galaxien immer weiter auseinander treibt.

Die Hubble-Konstante ist also keine Konstante, sie nimmt mit der Zeit ab. Wegen dieser Zeitabhängigkeit wäre die Bezeichnung Hubble-Parameter heute korrekter. Da die Werte aber im Hier und Jetzt im ganzen Universum mehr oder weniger gleich sein müsste, sprechen die meisten Physiker weiter von einer Konstanten – in der Annahme, dass die Naturgesetze überall im Weltall identisch sind und dass die Welt im Großen keine besondere Richtung und keinen Ort bevorzugt, entsprechend dem so genannten „Kosmologischen Prinzip“*.

*[Das Kosmologische Prinzip besagt, dass das Universum im Großen keine besondere Richtung und keinen besonderen Ort bevorzugt. Man sagt, die Materie im Universum ist im großen Maßstab in alle Richtungen gleichförmig (isotrop) und überall gleichartig (homogen) verteilt.]

Anschaulich bedeutet eine Hubble-Konstante von 50, dass eine Galaxie in einem Megaparsek Entfernung sich scheinbar mit einer Geschwindigkeit von 50 km/s, eine in 100 Megaparsek Entfernung mit einer Geschwindigkeit von 5000 km/s von uns entfernt. Hat sie einen Wert von 100, entfernt sich eine Galaxie dementsprechend mit einer Geschwindigkeit von 10 000 km/s. H0 = 72 heißt dann, dass die Entfernungs-geschwindigkeit 72 km/s beträgt, wenn man ein Megaparsek in den Raum hinausschaut.

Das Hauptproblem für die genaue Berechnung der Hubble-Konstante liegt in der Messung der Entfernung der Galaxien. Zu ihrer Bestimmung braucht man verlässliche Werte. Noch heute aber lassen sich die Abstände in den Weiten des Alls – anders als die Relativgeschwindigkeiten – nur schwer ermitteln. Daher streiten mehrere Wissen-schaftlergruppen seit Jahren über den genauen Wert der Hubble-Konstante. Denn mit verschiedenen, sehr ausgeklügelten Messmethoden kommen sie zu Ergebnissen, die sich deutlich voneinander unterscheiden.

Es stehen sich zwei Lager gegenüber: Auf der einen Seite sind jene Wissenschaftler, die auf Basis der klassischen Entfernungsleiter* die Hubble-Konstante ermitteln. Es wurden verschiedene Verfahren entwickelt, um systematische Fehler in der Griff zu bekommen. Mit sieben unterschiedlichen Methoden kommen sie auf einen Mittelwert der Hubble-Konstante von 73 km/s/Mpc. Den vorläufigen Höhepunkt der Anstrengungen hat jetzt ein Team um Adam Riess von der John-Hopkins-University in Baltimore mit Hilfe von Cepheiden aus der Großen Magellanschen Wolke präsentiert: Demnach liegt der Wert der Hubble-Konstante bei 74 (73,52 plus/minus 1,62) km/s/Mpc, bei einer Unsicherheit von nur noch 1,9%, wobei das Team überzeugt ist, die Unsicherheit noch auf 1% drücken zu können.

*[Um die dritte Dimension der uns flächig erscheinenden Himmelssphäre zu erschließen, wenden die Astronomen unterschiedliche, einander überlappende Methoden an. Dabei arbeiten sie sich stufenweise in die Milliarden von Lichtjahren überspannenden Weiten des Universums vor, denn jede Methode eignet sich nur für einen bestimmten Entfernungsbereich. In der Gesamtheit der Methoden sprechen die Astronomen von der „kosmischen Entfernungsleiter“, da sie sich durch dieses Aneinanderreihen verschiedener Verfahren gewissermaßen von Sprosse zu Sprosse ins All hinaushangelt.]

Die direkten Messungen auf Basis der Entfernungsleiter kommen ohne zusätzliche Annahmen zum kosmologischen Standardmodell aus. Sie haben aber ein Problem: Es ist keineswegs sicher, dass ihre Ergebnisse für das ganze Universum gelten, schließlich ermitteln wir damit nur die Hubble-Konstante im Hier und Jetzt. Einen linearen Zusammenhang von Geschwindigkeit und Abstand kann man aber nur dann erwarten, wenn sich das Universum mit gleichbleibender Geschwindigkeit ausdehnt. Die Expansionsgeschwindigkeit des Alls nimmt aber scheinbar mit der Zeit zu. (Daneben könnte es noch weitere Unsicherheiten geben, die man bislang übersieht.)

Auf der anderen Seite stehen die Astrophysiker, die mit der Hintergrundstrahlung und den größten Strukturen im Universum arbeiten. Dabei gehen sie von der Größe charakteristischer Temperaturschwankungen in der kosmischen Hintergrundstrahlung aus, die ihren Ursprung in Dichtefluktuationen im Urgas haben und aus denen im Laufe von Milliarden Jahren Galaxienhaufen und Galaxiensuperhaufen entstanden sind. Experten können aus diesen Unregelmäßigkeiten einen Wert für die Hubble-Rate ermitteln.

Mit diesen kosmologischen Methoden ergibt sich ein Wert für die Hubble-Konstante von 67,4 km/s/Mpc bei einer Ungenauigkeit von 0,5% – ein um 5 bis 8 km/s/Mpc niedrigeres Ergebnis als die Messungen mit Hilfe der Entfernungsleiter liefern. Die Werte bei den auf der kosmischen Hintergrundstrahlung fußenden Verfahren sind präziser, hängen aber vom zugrundeliegenden kosmischen Standardmodell des Universums ab – das falsch sein könnte.

Fest steht also, dass alle Methoden Schwachpunkte haben. Ihre ermittelten Ergebnisse sind miteinander unvereinbar. Die nächstliegende Erklärung für die Diskrepanz ist ein unbekannter systematischer Fehler in den Daten oder Modellen vom fernen oder vom näheren Universum oder von beiden. Vielleicht verstehen wir auch die Abläufe im Universum noch nicht richtig. Die radikalste Lösung wäre die Einführung neuer physikalischer Annahmen, Größen, Effekte oder Gesetze, z. B. die Infragestellung des Kosmologischen Prinzips. So halten es Astrophysiker für möglich, dass sich Teile des Kosmos mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausdehnen.

Vielleicht gibt es die Anomalie der Hubble-Konstante also gar nicht. Der Oxford-Physiker Subir Sarkar und sein Team haben festgestellt, dass die Supernovae vom Typ Ia möglicherweise keineswegs Standardkerzen in der kosmischen Entfernungsleiter darstellen. Sie sollen vielmehr entgegen der bisherigen Annahme nicht immer die gleiche Strahlungsmenge freisetzen, sondern je nach Alter des Vorgängersterns unterschiedlich heftig explodieren. (Darauf hatte schon eine koreanische Gruppe hingewiesen.) Der Effekt ähnelt sehr dem, der der Dunklen Energie zugesprochen wird, durch die das Universum immer schneller expandieren soll. Zudem sind Daten aus verschiedenen Tabellen, die teilweise dieselben Supernovae beschreiben sollen, nicht kompatibel.

Sarkar hält generell Dunkle Energie und beschleunigte Expansion für riesige Irrtümer. Er konstatiert: Auch die Bewegung einer Galaxie, die von der Schwerkraft ihrer kosmischen Nachbarn von uns weggezogen wird, kann die Wellen strecken, uns also röter erscheinen. Gleiches gilt für unsere eigene Bewegung durchs All.

Nach seiner Untersuchung können die gemessenen Daten durch die Bewegung unserer Milchstraße erklärt werden. Sarkar glaubt, dass wir von irgendeiner großen Masse jenseits des 650 Millionen Lichtjahre entfernten Shapley-Galaxienhaufens angezogen werden. Dass sich dort eine große Massenansammlung befinden könnte, ein „Großer Attraktor“, ist seit Längerem ein Thema unter Astrophysikern. Ob damit aber die Dunkle Energie aus dem Weltbild verschwinden würde, ist die große Frage.

Die Hubble-Konstante ist seit ihrer erstmaligen Formulierung die wahrscheinlich wichtigste Zahl in der Kosmologie. Sie gilt als eine Art Zollstock für das zuverlässige Errechnen von Distanzen zwischen den Sterneninseln. Für die Kosmologen bedeutet sie auch den Schlüssel zur Bestimmung sowohl der Größe als auch des Alters unseres Universums. Die derzeitigen Diskrepanzen in ihrer Vermessung könnten die Kosmologie in eine tiefe Krise stürzen.

REM

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