Wissenschaft Hubble-Konstante Die Expansion des Universums steckt in einer Krise

Das Universum dehnt sich aus. Diese Erkenntnis ist nun bereits fast 100 Jahre alt. Der US-Astrophysiker Edwin Hubble hatte im Jahr 1928 experimentell nachgewiesen, dass sich nahezu alle Galaxien von uns entfernen. Und dies umso schneller, je weiter sie entfernt sind.

Seit 1998 wissen wir überdies, dass sich das Weltall sogar immer schneller, also beschleunigt, ausdehnt. Für diese sensationelle Erkenntnis wurden die drei Physiker Adam Riess, Brian Schmidt und Saul Perlmutter im Jahr 2011 mit dem Physiknobelpreis ausgezeichnet.

Die an sich unter den Experten unstrittige Expansion des Universums hat mittlerweile die Kosmologie gleichwohl in eine große Krise gestürzt. Obwohl die Methoden zur Vermessung des Weltalls beständig besser geworden sind und immer genauere Daten liefern, war es noch nie so ungewiss wie heute, mit welcher Beschleunigung sich das Universum tatsächlich ausdehnt.

Im Rampenlicht der kosmologischen Forschung steht die sogenannte Hubble-Konstante. Sie stellt in der „Hubble-Formel“ den Zusammenhang zwischen der Entfernung einer Galaxie und der Geschwindigkeit her, mit der sie sich von uns entfernt.

Das ernste Problem besteht nun darin, dass verschiedene Methoden zur Bestimmung der Hubble-Konstanten Werte liefern, die nicht miteinander vereinbar sind. Die Genauigkeit der verwendeten Messverfahren ist nach Einschätzung der jeweiligen Wissenschaftler so gut, dass es nur noch recht kleine Toleranzbereiche gibt, in denen der Wert für die Hubble-Konstante liegen muss.

Doch diese mit verschiedenen Methoden gewonnenen Bereiche überlappen sich mittlerweile nicht mehr. Eine Erklärung dafür gibt es noch nicht. Sollten alle Messergebnisse richtig sein, müsste das etablierte kosmologische Modell infrage gestellt werden. Forscher sprechen in solchen Krisen auch gerne von „neuer Physik“, die nun bald am Horizont der Erkenntnis auftauchen könnte.

Die Hubble-Konstante spielt in der Kosmologie eine zentrale Rolle. In ihr ist zum Beispiel das Alter des Universums codiert. Die Physiker ermitteln aus der beobachteten Beschleunigung des Universums, also letztlich aus der Hubble-Konstanten, den Zeitpunkt des Urknalls.

Aber auch die Eigenschaften der sogenannten dunklen Materie und der dunklen Energie sind eng mit der Hubble-Konstanten verknüpft. Umso misslicher, dass man ihren genauen Wert offenbar nicht kennt.

Präziser müsste man sagen, dass es für den aktuellen Wert der Hubble-Konstanten sich widersprechende Ergebnisse gibt. Denn die Hubble-Konstante, und das macht die Sache noch komplizierter, ist gar keine Konstante und damit irreführend benannt. Im Laufe der Entwicklung des Universums hat sich die Hubble-Konstante beständig verändert. In der Phase der sogenannten Inflation hat sich das Weltall in relativ kurzer Zeit dramatisch aufgebläht.

Die älteste Methode zur Bestimmung der aktuellen Hubble-Konstanten sind möglichst präzise Messungen der Entfernung von Galaxien und deren radialer Fluchtgeschwindigkeit. Während die Messung der Geschwindigkeit über die Rotverschiebung des Lichts (Dopplereffekt) recht einfach möglich ist, sind Entfernungsmessungen sehr schwierig und bedürfen einiger Tricks.

Denn eigentlich sehen wir das gesamte sichtbare Universum ja nur als eine zweidimensionale Projektion. Gleichwohl ist es der Forschergruppe um Riess gelungen, daraus einen Wert von 74,0 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec zu ermitteln, wobei ein Megaparsec einer Länge von 3,3 Millionen Lichtjahren entspricht.

Die Messung und Analyse der kosmischen Hintergrundstrahlung ist eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Hubble-Konstanten. Die kosmische Hintergrundstrahlung entstand 380.000 Jahr nach dem Urknall. In ihr sind vielfältige Informationen aus der Jugendzeit des Weltalls enthalten – unter anderem lässt sich daraus durch Vergleich mit heutigen Daten auch die Hubble-Konstante ermitteln. Die Auswertung der vom „Planck“-Satelliten ermittelten Daten zur kosmischen Hintergrundstrahlung ergibt eine Hubble-Konstante von 67,11 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec.

Forscher des Max-Planck-Instituts für Astrophysik sowie der Universitäten Bonn und München nutzen wiederum den Gravitationslinseneffekt von großen Galaxien zur Messung der Hubble-Konstanten. Durch die von solchen Massenkonzentrationen verursachte Raumkrümmung kann auf das von dahinter liegenden Objekten kommende Licht wie eine optische Linse wirken.

Auf einer astronomischen Teleskopaufnahme kann dann ein solches Objekt mehrfach doppelt abgebildet sein, weil das Licht unterschiedliche Wege um die Linse herum genommen hat. Wenn diese Wege unterschiedlich lang sind und das entfernte Objekt zudem Schwankungen in seiner Helligkeit zeigt, dann lässt sich aus dem Laufzeitunterschied der beiden Lichtwege die Hubble-Konstante berechnen. Auf diese Weise ergibt sich für die Hubble-Konstante ein Wert von 73,3 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec.

Wissenschaftler um Wendy Freedman haben wiederum mit einer vierten Methode, bei der Rote Riesen vermessen werden, einen Wert von 69,8 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec gefunden. Das Spektrum der Werte reicht also von 67 bis 74. Alle Ergebnisse beanspruchen für sich, auf wenige Prozent genau zu sein. Das ist das Problem.

Es könnte darauf hindeuten, dass das Standardmodell der Kosmologie noch nicht vollständig ist und erst eine neue Physik die heutigen Widersprüche auflösen könnte. Sollten sich die Ergebnisse aller Messmethoden als richtig erweisen, dann würde dies bedeuten, dass die Hubble-Konstante in unserer näheren kosmischen Umgebung anders ist als in größerer Entfernung.

„Darin besteht die Krise der Kosmologie“, sagt Professor Sherry Suyu vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching, „Unterschiede in der Hubble-Konstanten zwischen dem frühen und späteren Universum bedeuten, dass irgendetwas in unserem etablierten Standardmodell fehlen muss. Das könnte beispielsweise exotische dunkle Energie oder ein bislang unbekanntes relativistisches Teilchen sein oder sonst wie neue Physik, die es noch zu entdecken gilt.“

Das Beispiel der Hubble-Konstanten verdeutlicht exemplarisch den Prozess des wissenschaftlichen Fortschritts. Das grobe Bild von einer Hubble-Konstanten um die 70 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec ist ja nach wie vor richtig. Doch wenn man Dinge genauer wissen will und experimentell in der Lage ist, präzisere Informationen zu gewinnen, dann erst werden die Lücken des Wissens sichtbar, die es dann mit neuer Forschung zu schließen gilt.

Wie weit wir da im Fall der Hubble-Konstanten bereits gekommen sind, möge der Wert belegen, den Edwin Hubble selbst für die später nach ihm benannte Konstante ermittelte: 500 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec. Damit lag er dramatisch daneben. Dennoch war das keine Fake-Science. Es war der Sprung eines Pioniers in den Ring neuer Erkenntnis.