05.12.2023

Neue Erklärung für Hubble-Spannung

Lösung für Diskrepanz in den Messwerten der Hubble-Lemaitre-Konstante.

Das Weltall dehnt sich aus. Wie schnell es das tut, wird durch die Hubble-Lemaitre-Konstante beschrieben. Doch gibt es einen Streit um die Frage, wie groß diese Konstante eigentlich ist: Unterschiedliche Messmethoden liefern widersprüchliche Werte. Diese Hubble-Spannung stellt die Kosmologen vor ein Rätsel. Forscher der Universitäten Bonn und St. Andrews schlagen dafür nun eine neue Lösung vor: Unter Verwendung einer alternativen Gravitationstheorie lässt sich die Diskrepanz in den Messwerten problemlos erklären – die Hubble-Spannung verschwindet. 


Abb.: Die Materieverteilung im All zeigt die Milchstraße mit wenig Materie....
Abb.: Die Materieverteilung im All zeigt die Milchstraße mit wenig Materie. Die Galaxien in der Blase bewegen sich hin zu höheren Materiedichten. Dort scheint sich das Universum schneller auszudehnen.
Quelle: AG Kroupa, U. Bonn

Die Ausdehnung des Universums sorgt dafür, dass sich die Galaxien voneinander entfernen. Die Geschwindigkeit, mit der sie das tun, ist proportional zu dem Abstand, den sie voneinander haben. Der US-Astronom Edwin Hubble war einer der ersten, der diesen Zusammenhang erkannte. Um zu berechnen, wie schnell sich zwei Galaxien voneinander entfernen, muss man daher einerseits ihren Abstand kennen. Andererseits benötigt man dazu eine Konstante, mit der man diesen Abstand multi­plizieren muss. Das ist die Hubble-Lemaitre-Konstante, eine funda­mentale Größe der Kosmologie. Um ihren Wert zu bestimmen, kann man zum Beispiel die sehr weit entfernten Gebiete des Universums betrachten. Wenn man das tut, kommt man auf eine Geschwindigkeit von knapp 244.000 Stunden­kilometern pro Megaparsec Abstand.

„Man kann sich aber auch Himmelskörper ansehen, die deutlich näher zu uns liegen – die Supernovae der Kategorie 1a“, sagt Pavel Kroupa vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn. Es ist möglich, den Abstand einer 1a-Supernova zur Erde sehr genau zu bestimmen. Zudem weiß man, dass leuchtende Objekte ihre Farbe ändern, wenn sie sich von uns wegbewegen – und zwar umso stärker, je schneller sie das tun. Wenn man nun aus der Farb­verschiebung der 1a-Supernovae ihre Geschwin­digkeit berechnet und diese zu ihrer Distanz in Beziehung setzt, kommt man auf einen anderen Wert für die Hubble-Lemaitre Konstante – nämlich knapp 264.000 Stunden­kilometer pro Megaparsec Abstand. „Das Universum scheint sich also in unserer Nähe – das heißt bis zu einer Entfernung von ungefähr drei Milliarden Lichtjahren – schneller auszudehnen als in seiner Gesamtheit“, sagt Kroupa. „Und das dürfte eigentlich nicht sein.“

Allerdings gibt es seit kurzem eine Beobachtung, die das erklären könnte. Demnach befindet sich die Erde in einer Region des Weltalls, in der es relativ wenig Materie gibt. Um die Blase herum ist die Materiedichte höher. Von dieser umgebenden Materie gehen Gravitations­kräfte aus, die die Galaxien in der Blase zum Rand des Hohlraums ziehen. „Daher entfernen sie sich schneller von uns, als eigentlich zu erwarten wäre“, erklärt Indranil Banik von der St. Andrews Universität. Die Abweichungen wären also schlicht durch eine lokale Unterdichte zu erklären.

Tatsächlich hat eine andere Forschungs­gruppe kürzlich die durch­schnittliche Geschwindigkeit sehr vieler Galaxien gemessen, die 600 Millionen Lichtjahre von uns entfernt sind. „Dabei wurde festgestellt, dass sich diese Galaxien viermal so schnell von uns wegbewegen, wie es das Standard­modell der Kosmologie erlaubt“, erklärt Sergij Mazurenko aus Kroupas Arbeitsgruppe. Denn das Standard­modell sieht derartige Unterdichten oder Blasen nicht vor. Stattdessen sollte die Materie im All gleichmäßig verteilt sein. Falls dem so wäre, ließe sich aber nur schwer erklären, welche Kräfte die Galaxien zu ihrer hohen Geschwindigkeit treiben.

„Das Standardmodell fußt auf einer von Albert Einstein aufgestellten Theorie zur Natur der Gravitation“, sagt Kroupa. „Eventuell verhalten sich die Gravitationskräfte aber anders als von Einstein erwartet.“ Die Arbeitsgruppen haben in einer Computer­simulation eine abgewandelte Gravitations­theorie verwandt. Diese „Modi­fizierte Newton'sche Dynamik“ (MOND) wurde vor vier Jahrzehnten vom israelischen Physiker Mordehai Milgrom vorgeschlagen. Sie gilt bis heute als Außenseiter-Theorie. „In unseren Berechnungen sagt MOND die Existenz derartiger Blasen jedoch exakt voraus“, sagt Kroupa. Nähme man an, dass sich die Gravitation tatsächlich nach den Milgrom’schen Vorstellungen verhält, würde die Hubble-Spannung verschwinden: Es gäbe tatsächlich nur eine Konstante für die Ausdehnung des Universums, und die beobachteten Abweichungen wären auf Ungleichmäßigkeiten in der Materie­verteilung zurückzuführen.

U. Bonn / JOL

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