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Neue Studie: Das Weltall dehnt sich mittelschnell aus

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16:14 21.07.2019
Das Weltraumteleskop Hubble. Quelle: Nasa/dpa
Washington

Astronomen haben mit einer neuen Methode die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums bestimmt. Das Ergebnis liefert allerdings nicht die erhoffte Lösung eines Konflikts früherer Messungen. Der neue Wert liegt in der Mitte, wie das Team um Wendy Freedman in einer kommenden Ausgabe des Fachblatts „The Astrophysical Journal“ berichtet. Sollte sich die Diskrepanz zwischen den verschiedenen Messwerten nicht ausräumen lassen, könnte dies auf eine Unvollständigkeit in unserem Modell vom Universum hindeuten.

Seit dem Urknall dehnt sich das Weltall aus. Das hat der US-Astronom Edwin Hubble vor rund hundert Jahren entdeckt. Dabei wächst der Kosmos wie ein Hefekuchen: Jede Rosine im Kuchen entfernt sich von allen anderen, und zwar umso schneller, je weiter zwei Rosinen voneinander entfernt sind. Die Geschwindigkeit, mit der dieser kosmische Hefekuchen wächst, heißt zu Ehren des Entdeckers Hubble-Konstante. „Die Hubble-Konstante ist der kosmologische Parameter, der die absolute Skala, die Größe und das Alter des Universums festlegt“, erläutert Freedman in einer Mitteilung. „Sie ist einer der direktesten Wege, die wir haben, um die Entwicklung des Universums zu quantifizieren.“ Der genaue Wert der Konstanten ist allerdings schwerer zu ermitteln, als viele Astronomen gehofft haben.

Entfernungen sind im All schwer zu messen

Eine Ursache ist, dass Entfernungen in den Weiten des Weltalls schwer zu messen sind. Forscher haben dafür verschiedene Maßstäbe entwickelt. Ein sehr Bewährter nutzt regelmäßig pulsierende Sterne. Die Periode dieser sogenannten Cepheiden hängt direkt mit ihrer Leuchtkraft zusammen, wie Untersuchungen gezeigt haben. Die leicht zu messende Periode eines Cepheiden-Sterns gibt also Aufschluss darüber, wie hell er strahlt. „Der Vergleich, wie hell ferne Cepheiden erscheinen, mit der Helligkeit naher Cepheiden ermöglicht uns zu bestimmen, wie weit die jeweiligen Heimatgalaxien der Sterne entfernt sind“, erläutert Ko-Autor Barry Madore von der Carnegie Institution in Washington.

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Über die Untersuchung von Cepheiden in anderen Galaxien haben Astronomen einen Wert der Hubble-Konstanten von 74 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec bestimmt. Die astronomische Entfernungseinheit 1 Megaparsec entspricht 3,26 Millionen Lichtjahren, also der Strecke, die das Licht in 3,26 Millionen Jahren zurücklegt. Eine Galaxie in einem Megaparsec Distanz entfernt sich demnach pro Sekunde 74 Kilometer von uns, eine Galaxie in der doppelten Distanz doppelt so schnell.

Hintergrundstrahlung: Echo des Urknalls

Es gibt aber noch andere Wege, die Expansion des Universums zu vermessen. Einer besteht in der Analyse der kosmischen Hintergrundstrahlung, die oft als Echo des Urknalls bezeichnet wird. Sie stammt aus einer Zeit, als das Universum erst 380.000 Jahre jung war und erstmals durchsichtig wurde. Dieses Echo des Urknalls wabert bis heute durchs Weltall und ist das älteste Licht der Welt. Der Satellit „Planck“ der europäischen Raumfahrtagentur Esa hat die kosmische Hintergrundstrahlung mit großer Genauigkeit vermessen. Darin sind Fluktuationen in der dichten kosmischen Ursuppe zu sehen, aus denen später die großen Strukturen im Universum entstanden sind.

Mit einem mathematischen Modell lässt sich aus der genauen Vermessung der Hintergrundstrahlung die Expansionsrate des heutigen Weltalls hochrechnen. Ergebnis: 67,4 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec. Diese erhebliche Diskrepanz ist auch mit einer Verbesserung beider Methoden in der Vergangenheit nicht verschwunden.

Dritte Methode zur Messung der Hubble-Konstanten

Das Team um Freedman hat daher eine dritte Methode zur Messung der Hubble-Konstanten ersonnen. Sie untersuchten mit dem „Hubble“-Weltraumteleskop sogenannte Rote Riesen in anderen Galaxien. Das sind Sterne, die zum Ende ihres Lebenszyklus auf gigantische Ausmaße anschwellen.

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Rote Riesen entstehen, wenn ein Stern seinen Hauptbrennstoff, den Wasserstoff, aufgebraucht hat und beginnt, Helium zu verbrennen. Wenn das Heliumbrennen zündet, geht dieser Helium-Flash mit einer Umorganisation des Sterns einher. Freedmans Team machte sich bei seiner Analyse zunutze, dass Rote Riesen kurz nach dem Helium-Flash alle gleich hell leuchten. Sucht man nur Roten Riesen in dieser Phase heraus, ergibt sich über die scheinbare Helligkeit am irdischen Firmament wieder deren absolute Entfernung, ähnlich wie bei den Cepheiden. Auf diese Weise kommen die Wissenschaftler auf einen Wert von 69,8 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec – und liegen damit zwischen den beiden anderen Methoden.

Lösung des Konflikts auf 2020 vertagt

„Die Diskrepanz, die wir zuvor gesehen haben, ist nicht verschwunden“, kommentiert Freedman. „Natürlich stellen sich jetzt Fragen, ob die Diskrepanz auf irgendeinem Aspekt beruht, den Astronomen bei den untersuchten Sternen noch nicht verstehen, oder ob unser kosmologisches Modell vom Universum noch unvollständig ist. Oder es muss möglicherweise beides verbessert werden.“

Eine Lösung des Konflikts muss möglicherweise bis Mitte der 2020er Jahre vertagt werden. Dann soll das Weitwinkel-Weltraumteleskop zur Infrarotdurchmusterung „WFIRST“ (Wide Field Infrared Survey Telescope) der US-Raumfahrtbehörde Nasa in den Orbit starten und die Hubble-Konstante quer durch die kosmischen Epochen exakt bestimmen.

Von RND/dpa

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