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Der Streit um die Hubble-Konstante – Wie schnell explodiert das Universum?

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Dirk Lorenzen
Dirk Lorenzen (Foto: SWR)
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Ulrike Barwanietz / Candy Sauer

In schönen und weltweit akzeptierten Modellen haben Astrophysiker den Wert der Hubble-Konstante mit 67,4 berechnet. Doch der tatsächlich beobachtete Wert liegt bei 73,5. Ein Riesenproblem.

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Hubble-Konstante gibt an, wie schnell sich unser Universum ausdehnt

Die Hubble-Konstante. Sie gehört zum Rüstzeug einer jeden Astronomin und eines jeden Astronomen. Sie bestimmt den fundamentalen Zusammenhang zwischen der Entfernung einer Galaxie und ihrer Geschwindigkeit, mit der sie sich von uns fort bewegt.

Denn nach der Urknalltheorie ergeht es den Galaxien im Weltraum wie Rosinen in einem aufgehenden Hefeteig: Das All bläht sich auf und die Galaxien entfernen sich voneinander – und zwar umso schneller, je größer ihr Abstand ist. Für diese Verknüpfung sorgt die Hubble-Konstante. Doch welchen Zahlenwert sie hat, also wie schnell sich der Kosmos ausdehnt, ist derzeit heftig umstritten.

Aufnahme des Hubble-Teleskops von Galaxie und Nebeln (Foto: IMAGO, Galaxy-images via www.imago-images.de)
Über die Messung der Ausdehnung lässt sich etwas über Alter und Zukunft unseres Universums sagen (Aufnahme des Hubble-Teleskops) Galaxy-images via www.imago-images.de

Die Hubble-Konstante lässt sich auf zwei komplett unterschiedliche Arten bestimmen – und die führen zu sich widersprechenden Ergebnissen, erklärt Adam Riess. Er erhielt 2011 den Physik-Nobelpreis – im ungewöhnlich jungen Alter von nur 42 Jahren – und ist am Institut des Hubble-Weltraumteleskops in Baltimore in den USA tätig.

Lieb gewonnenes Standardmodell der Kosmologie

Die erste Methode bezieht sich auf das Standardmodell der Kosmologie, genannt Lambda CDM, und ergibt einen Wert von 67,4 als Hubble-Konstante. Deren Einheit ist übrigens etwas kurios: Kilometer pro Sekunde pro 3,26 Millionen Lichtjahre. Je 3,26 Millionen Lichtjahre nimmt also die Geschwindigkeit, mit der sich die Galaxien im All voneinander entfernen, um 67,4 Kilometer pro Sekunde zu. Soweit die Erwartung gemäß der Theorie.

Adam Riess und seine Kolleginnen und Kollegen messen mit der zweiten Methode und mit großem technischen Aufwand im All, wie schnell die Galaxien heute tatsächlich auseinanderfliegen. Und ihre Daten ergeben eine andere Hubble-Konstante von 73,5. Dieser gemessene Wert liegt neun Prozent höher als der theoretisch erwartete.

Nobelpreis-Verleihung 2011 an Adam Riess (Foto: IMAGO, imago stock&people)
Nobelpreis-Verleihung 2011 an Adam Riess imago stock&people

Doch das Standardmodell Lambda CDM darum einfach über Bord zu werfen, traut sich derzeit niemand – denn es passt zu schön zu vielen anderen Phänomenen im Kosmos; es ist den meisten Fachleuten lieb und teuer. Und den theoretischen Wert von 67,4 hat schließlich ein riesiges internationales Forscherteam ermittelt, das mit dem Satelliten Planck der Europäischen Weltraumorganisation ESA arbeitete.

Das Nachleuchten des Urknalls lässt sich messen

Silvia Galli vom Institut für Astrophysik in Paris spielte eine entscheidende Rolle bei der Datenanalyse. Der Planck-Satellit hat vier Jahre lang die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung vermessen. Diese Strahlung ist entstanden, als das Universum erst etwa 300.000 Jahre alt war. Sie ist das Nachleuchten des Urknalls. Mit ihrer Hilfe lernen wir sehr viel über den Aufbau des Kosmos, erzählt Galli.

Planck hat das minimale Leuchten der Hintergrundstrahlung an jeder Stelle des Himmels genauestens beobachtet. Diese Strahlung ist nicht gleichmäßig. Es gibt Bereiche, in denen sie etwas stärker ist, und andere, in denen sie schwächer leuchtet. Die Unterschiede sind sehr gering, aber in diesem Fleckenmuster ist der Aufbau der Welt codiert – und somit auch die Ausdehnung des Kosmos, also die Hubble-Konstante.

Vom Planck Satelliten erstellte Karte des ältesten Lichts im Universum - blaue Stellen zeigen eine kühlere Temperatur an als rote (Foto: IMAGO, imago stock&people)
Vom Planck Satelliten erstellte Karte des ältesten Lichts im Universum - blaue Stellen zeigen eine kühlere Temperatur an als rote imago stock&people

Aber all diese Werte kommen immer im Paket, man kann sie nicht einzeln bestimmen, sie beeinflussen sich gegenseitig. Und so ist das Ergebnis – wie Silvia Galli betont – indirekt. Es ist keine direkte, von theoretischen Annahmen unabhängige Messung. Und so stehen am Ende zwei sich widersprechende Ergebnisse aus Theorie der Strahlung und praktischen Ausdehnungsmessungen gegenüber, wenn es um die Bestimmung der Hubble-Konstante geht.

Theorie aus Strahlung ableiten oder Weiße Zwerge beobachten?

Auch die praktische Messmethode hat ihre Tücken. Entfernungsmessungen sind im Grundsatz erstmal nicht schwierig. Alles, was man braucht, sind Objekte, von denen bekannt ist, wie stark sie vor Ort leuchten. Das Zauberwort für die direkte Messung der Hubble-Konstante lautet „Standardkerzen“. Denn eine besondere Sorte von Sternexplosionen taugt für diese Messungen: Dabei handelt es sich um explodierende sogenante Weiße Zwerge.

Diese Sorte der Supernova-Explosionen verrät sich durch einen ganz bestimmten Verlauf der Lichtkurve und durch charakteristische Spuren in ihrem Lichtspektrum. Beobachten die Astronomen eine solche Eins A-Supernova mit großen Teleskopen, so wissen sie sofort, wie leuchtkräftig sie vor Ort scheint. Der Vergleich mit der Helligkeit, mit der sie bei uns am Himmel zu erkennen ist, ergibt dann die Entfernung. Doch leider sind die Supernovae relativ selten.

Neben den Supernova-Explosionen sind Cepheiden die besten Objekte, um Entfernungen im All zu bestimmen. Dies sind pulsierende Sterne, die regelmäßig ihre Helligkeit verändern. 1912 hat Henrietta Leavitt entdeckt, dass die Cepheiden umso heller sind, je länger ihr Lichtwechsel dauert. Bis heute sind die Cepheiden ein unverzichtbares kosmisches Maßband, um Entfernungen zu bestimmen – und damit auch die Hubble-Konstante.

95 Prozent des Kosmos sind komplett unbekannt

Doch egal ob es um Beobachtungen von Cepheiden, Supernovae oder anderen Objekten geht: Der dabei ermittelte Wert passt nicht zu dem, der aus dem Standardmodell und dem theoretisch bestimmten Wert anhand der Hintergrundstrahlung folgt. Die Urknalltheorie sagt eine langsamere Ausdehnung voraus als Astronomen wie Adam Riess im Kosmos messen. Jetzt ist guter Rat teuer.

Die langweiligste Lösung wäre, dass die Astronomen beim Beobachten bisher irgendwelche Fehler übersehen, die die Hubble-Konstante nur so hoch erscheinen lassen – etwa bei der Eichung der Entfernungen von Cepheiden und Supernovae. Das erscheint derzeit sehr unwahrscheinlich, aber es laufen weitere Beobachtungsprogramme, um wirklich auf Nummer sicher zu gehen. Und dann bliebe da noch die revolutionäre Lösung.

Aufnahme des Hubble-Teleskops vom Stern RS Puppis, einem Cepheiden, dessen Licht pulsiert (Foto: IMAGO, imago stock&people)
Aufnahme des Hubble-Teleskops vom Stern RS Puppis, einem Cepheiden, dessen Licht pulsiert imago stock&people

Nach dem Standardmodell der Kosmologie besteht das Universum – und damit wir Menschen, die Erde, die Sonne und alles, was wir im Weltall sehen – nur zu etwa fünf Prozent aus der normalen, wie man sagt: baryonischen Materie. Dann gibt es 25 Prozent Dunkle Materie. Sie leuchtet nicht und verschluckt auch kein Licht, verrät sich aber indirekt über ihre Anziehungskraft. Und etwa 70 Prozent des Inhalts im Universum entfallen auf die Dunkle Energie, die ebenfalls nicht zu sehen ist und die das All immer schneller auseinandertreibt. Fazit: 95 Prozent des Kosmos sind komplett unbekannt. Keiner weiß, was physikalisch dahintersteckt. Und warum die Berechnung und Messung der Hubble-Konstante so eine große Differenz ausmacht.

Stößt die Abweichung bei der Hubble-Konstante die Relativitätstheorie vom Sockel?

Mit Dutzenden von Experimenten haben Physikerinnen und Physiker weltweit versucht, Teilchen der vermuteten Dunklen Materie aufzuspüren. Doch es gab nicht einmal vage Hinweise auf unentdeckte Partikel, obwohl sie nach der Theorie einen Großteil der Materie im Kosmos ausmachen sollen.

Laut einer zweiten Theorie stimmt etwas mit der altbekannten Schwerkraft nicht – eine Idee, die der israelische Physiker Mordehai Milgrom vom Weizmann-Institut in Rehovot Anfang der 1980er-Jahre aufbrachte. Er glaubte nicht, dass es viel Dunkle Materie gibt, sondern dass Newton mit seiner Anziehungskraft nicht ganz richtig lag.

In der MOND-Theorie, der Modifizierten Newtonschen Dynamik, ändert sich die Stärke der Gravitation mit dem Abstand der Massen. In unserem Alltag spielt das keine Rolle, wohl aber am Rande von Galaxien und in den Weiten des Kosmos. Es gibt inzwischen eine ganze Reihe alternativer Gravitationstheorien, wie Fachleute das nennen. Diese Ansätze erklären in der Tat einige Phänomene besser, als es Modelle mit Dunkler Materie können. Dafür scheitern sie oft an der Modellierung der großräumigen Struktur des Kosmos.

Die Kosmologie hat sich schon oft fundamental geirrt

Kein Ansatz reicht aus, um ein ernst zu nehmendes neues Modell X zu entwickeln, bedauert die französische Astronomin Silvia Galli vom Institut für Astrophysik in Paris. Denn keine dieser Theorien bringt den Wert der Hubble-Konstante deutlich höher als 68, die Lücke zwischen Theorie und Messung lässt sich damit also auch nicht schließen. Sorgen die Widersprüche bei der Hubble-Konstante stattdessen für einen großen Umbruch in der Kosmologie?

In der Geschichte der Astronomie waren sich schon mehrfach die meisten Forschenden einig – und lagen doch falsch. Anderthalb Jahrtausende erklärte ein äußerst elegantes mathematisches Modell ineinander geschachtelter Kreisbahnen die Bewegung der Planeten – ausgehend von der seit der Antike verbreiteten Annahme, dass die Erde in der Mitte der Welt steht.

Als man schließlich die Sonne ins Zentrum der Welt rückte, wurden die Epizykel, die Kreisbahnen, schlagartig nicht mehr gebraucht. Womöglich sind die Dunkle Materie und die Dunkler Energie die Epizykel unserer Zeit, die wir bald nicht mehr brauchen. Mit etwas Glück könnte auch die Hubble-Konstante den Forscherinnen und Forschern die Augen öffnen – für eine ganz neue Sicht auf das Universum.

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