Das expandierende Universum voller Galaxien und der komplexen Struktur, die wir heute beobachten, entstand aus einem kleineren, heißeren, dichteren und gleichmäßigeren Zustand. Tausende von Wissenschaftlern haben Hunderte von Jahren gebraucht, um zu diesem Bild zu gelangen, und das Fehlen eines Konsenses über die tatsächliche Expansionsrate zeigt uns, dass entweder etwas furchtbar falsch ist oder wir irgendwo einen unbekannten Fehler haben. (C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ UND L. HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47))

Wissenschaftler können sich nicht auf das expandierende Universum einigen

Es ist entweder ein kosmisches Mysterium oder ein schrecklich weltlicher Fehler.

Das Universum erweitert sich und jeder Wissenschaftler auf diesem Gebiet ist damit einverstanden. Die Beobachtungen stützen diese klare Schlussfolgerung mit überwältigender Mehrheit, und jede Alternative hat ihre Erfolge seit den späten 1920er Jahren nicht mehr erreicht. Erfolg in der Wissenschaft kann jedoch nicht nur qualitativ sein. Wir müssen die Expansion des Universums verstehen, messen und quantifizieren. Wir müssen wissen, um wie viel das Universum expandiert.

Seit Generationen versuchen Astronomen, Astrophysiker und Kosmologen, unsere Messungen der Expansionsrate des Universums zu verfeinern: der Hubble-Konstante. Nach jahrzehntelangen Debatten schien das Schlüsselprojekt Hubble Space Telescope das Problem zu lösen: 72 km / s / Mpc, mit nur 10% Unsicherheit. Aber jetzt, 17 Jahre später, können sich die Wissenschaftler nicht einigen. Ein Lager behauptet ~ 67 km / s / Mpc; die anderen Ansprüche ~ 73 km / s / Mpc, und die Fehler überschneiden sich nicht. Etwas oder jemand ist falsch und wir können nicht herausfinden, wo.

Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto schneller dehnt sie sich von uns aus und desto mehr erscheint ihr Licht rot verschoben. Eine Galaxie, die sich mit dem expandierenden Universum bewegt, wird heute noch mehr Lichtjahre entfernt sein als die Anzahl der Jahre (multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit), die das von ihr emittierte Licht benötigt hat, um uns zu erreichen. Aber wie schnell sich das Universum ausdehnt, darüber können sich Astronomen, die verschiedene Techniken anwenden, nicht einigen. (LARRY MCNISH VOM RASC CALGARY CENTER)

Der Grund, warum dies so ein Problem ist, ist, dass wir zwei Hauptmethoden zur Messung der Expansionsrate des Universums haben: Durch die kosmische Entfernungsleiter und durch das Betrachten der Signale, die aus den frühesten Momenten des Urknalls stammen. Die beiden Methoden sind sehr unterschiedlich.

  • Für die Entfernungsleiter betrachten wir nahegelegene, gut verstandene Objekte, beobachten dann die gleichen Objekttypen an weiter entfernten Orten, leiten ihre Entfernungen ab und verwenden dann Eigenschaften, die wir bei diesen Entfernungen beobachten, um noch weiter zu gehen usw. Indem wir uns aufbauen Rotverschiebungs- und Entfernungsmessungen können wir die Expansionsrate des Universums rekonstruieren.
  • Für die Methode der frühen Signale können wir entweder das übrig gebliebene Licht des Urknalls (der kosmische Mikrowellenhintergrund) oder die Korrelationsentfernungen zwischen entfernten Galaxien (von Baryon Acoustic Oscillations) verwenden und sehen, wie sich diese Signale mit der Zeit entwickeln, wenn sich das Universum ausdehnt.

Die erste Methode scheint konstant einen höheren Wert von ~ 73 km / s / Mpc zu liefern, während die zweite ~ 67 km / s / Mpc liefert.

Standardkerzen (L) und Standardlineale (R) sind zwei verschiedene Techniken, mit denen Astronomen in der Vergangenheit die Ausdehnung des Raums zu verschiedenen Zeiten / Entfernungen messen. Basierend darauf, wie sich Größen wie Leuchtkraft oder Winkelgröße mit der Entfernung ändern, können wir auf die Expansionsgeschichte des Universums schließen. Die Verwendung der Kerzenmethode ist Teil der Entfernungsleiter und ergibt 73 km / s / Mpc. Die Verwendung des Lineals ist Teil der frühen Signalmethode und liefert 67 km / s / Mpc. Diese Werte sind inkonsistent. (NASA / JPL-CALTECH)

Dies sollte Sie zutiefst beunruhigen. Wenn wir verstehen, wie das Universum richtig funktioniert, sollte jede Methode, mit der wir es messen, dieselben Eigenschaften und dieselbe Geschichte über den Kosmos liefern, in dem wir leben. Ob wir rote Riesensterne oder blaue variable Sterne, rotierende Spiralgalaxien oder Face-on-Spiralen mit schwankender Helligkeit, schwärmende elliptische Galaxien oder Supernovae vom Typ Ia oder den kosmischen Mikrowellenhintergrund oder Galaxienkorrelationen verwenden, wir sollten eine Antwort erhalten, die mit einem Universum konsistent ist die gleichen Eigenschaften haben.

Aber das passiert nicht. Die Entfernungsleitermethode liefert systematisch einen um etwa 10% höheren Wert als die Frühsignalmethode, unabhängig davon, wie wir die Entfernungsleitermethode messen oder welches Frühsignal wir verwenden. Hier ist die genaueste Methode für jeden.

Die Parallaxenmethode, die angewendet wurde, seit die Teleskope im 19. Jahrhundert gut genug wurden, beinhaltet die Feststellung der offensichtlichen Änderung der Position eines nahegelegenen Sterns im Vergleich zu den weiter entfernten, im Hintergrund befindlichen. Diese Methode kann aufgrund der Anwesenheit von Massen, die wir nicht angemessen berücksichtigt haben, verzerrt sein. (ESA / ATG MEDIALAB)

1.) Die Entfernungsleiter: Beginnen Sie mit den Sternen in unserer eigenen Galaxie. Messen Sie ihre Entfernung mit Hilfe der Parallaxe. So verschiebt sich die scheinbare Position eines Sterns im Laufe eines Erdjahres. Während sich unsere Welt um die Sonne bewegt, verschiebt sich die scheinbare Position eines nahe gelegenen Sterns relativ zu der des Hintergrunds. Das Ausmaß der Verschiebung gibt Auskunft über die Entfernung des Sterns.

Einige dieser Sterne werden variable Cepheid-Sterne sein, die eine spezifische Beziehung zwischen ihrer Leuchtkraft (Eigenhelligkeit) und ihrer Pulsationsperiode aufweisen: das Leavittsche Gesetz. Cepheiden kommen in unserer eigenen Galaxie häufig vor, können aber auch in fernen Galaxien beobachtet werden.

Der Aufbau der kosmischen Entfernungsleiter beinhaltet den Übergang von unserem Sonnensystem zu den Sternen zu nahe gelegenen Galaxien zu fernen. Jeder

Und in einigen dieser fernen, Cepheid-haltigen Galaxien gibt es auch Supernovae vom Typ Ia, deren Auftreten beobachtet wurde. Diese Supernovae können im gesamten Universum beobachtet werden, von hier in unserem kosmischen Hinterhof bis zu Galaxien, die viele Milliarden oder sogar Dutzende von Milliarden Lichtjahren entfernt sind.

Mit nur drei Sprossen:

  • Messung der Parallaxe von Sternen in unserer Galaxie, einschließlich einiger Cepheiden,
  • Messen von Cepheiden in nahe gelegenen Galaxien in einer Entfernung von bis zu 50–60 Millionen Lichtjahren, von denen einige Supernovae vom Typ Ia enthalten,
  • und dann Typ Ia Supernovae zu den entfernten Aussparungen des expandierenden Universums zu messen,

Wir können nachvollziehen, wie hoch die Expansionsrate heute ist und wie sich diese Expansionsrate im Laufe der Zeit verändert hat.

Das im CMB vom Planck-Satelliten beobachtete Muster der akustischen Spitzen schließt ein Universum aus, das keine Dunkle Materie enthält und viele andere kosmologische Parameter stark einschränkt. (P.A.R. ADE ET AL. UND DIE PLANCK-ZUSAMMENARBEIT (2015))

2.) Die frühen Signale: Beginnen Sie alternativ mit dem Urknall und dem Wissen, dass unser Universum mit dunkler Materie, dunkler Energie, normaler Materie, Neutrinos und Strahlung gefüllt ist.

Was wird passieren?

Die Massen werden sich gegenseitig anziehen und versuchen, einen Gravitationskollaps zu erleiden, wobei die dichteren Regionen immer mehr von der umgebenden Materie angezogen werden. Die Änderung der Schwerkraft führt jedoch zu einer Druckänderung, die dazu führt, dass Strahlung aus diesen Regionen austritt und das Gravitationswachstum unterdrückt.

Das Schöne daran ist: Die normale Materie hat einen Wechselwirkungsquerschnitt mit der Strahlung, die dunkle Materie jedoch nicht. Dies führt zu einem bestimmten „akustischen Muster“, bei dem normale Materie diese von der Strahlung verursachten Sprünge und Kompressionen erfährt.

Ein Beispiel für Clustering-Muster aufgrund von Baryon-Akustikoszillationen, bei denen die Wahrscheinlichkeit, eine Galaxie in einer bestimmten Entfernung von einer anderen Galaxie zu finden, von der Beziehung zwischen dunkler Materie und normaler Materie abhängt. Mit der Ausdehnung des Universums vergrößert sich auch dieser charakteristische Abstand, sodass wir die Hubble-Konstante, die Dichte der dunklen Materie und sogar den skalaren Spektralindex messen können. Die Ergebnisse stimmen mit den CMB-Daten überein und ein Universum, das zu 27% aus dunkler Materie und zu 5% aus normaler Materie besteht. (ZOSIA ROSTOMIAN)

Dies zeigt sich mit einer bestimmten Anzahl von Spitzenwerten in den Temperaturschwankungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und einer bestimmten Entfernungsskala, auf der Sie mit größerer Wahrscheinlichkeit eine Galaxie finden als entweder näher oder weiter entfernt. Während sich das Universum ausdehnt, ändern sich diese akustischen Skalen, was zu Signalen sowohl im kosmischen Mikrowellenhintergrund (zwei Bilder höher) als auch in den Skalen führen sollte, in denen sich Galaxien sammeln (ein Bild höher).

Indem wir messen, was diese Skalen sind und wie sie sich mit Entfernung / Rotverschiebung ändern, können wir auch eine Expansionsrate für das Universum erhalten. Während die Entfernungsleitermethode eine Rate von ungefähr 73 ± 2 km / s / Mpc ergibt, ergeben diese beiden frühen Signalmethoden 67 ± 1 km / s / Mpc. Die Nummern sind unterschiedlich und überschneiden sich nicht.

Moderne Messspannungen von der Distanzleiter (rot) mit CMB (grün) und BAO (blau) Daten. Die roten Punkte stammen aus der Entfernungsleitermethode. Das Grün und Blau stammen von

Es gibt viele mögliche Erklärungen. Es ist möglich, dass das nahegelegene Universum andere Eigenschaften hat als das ultra-entfernte, frühe Universum, und daher sind beide Teams korrekt. Es ist möglich, dass sich dunkle Materie oder dunkle Energie (oder etwas, das sie nachahmt) im Laufe der Zeit ändert, was zu unterschiedlichen Messungen mit unterschiedlichen Methoden führt. Möglicherweise gibt es eine neue Physik oder etwas, das unser Universum von jenseits des kosmischen Horizonts bewegt. Oder vielleicht liegt ein grundlegender Fehler in unseren kosmologischen Modellen vor.

Aber diese Möglichkeiten sind fantastisch, spektakulär und sensationell. Sie könnten die überwiegende Mehrheit der Presse und des Prestiges erreichen, da sie einfallsreich und klug sind. Aber es gibt auch eine viel profanere Möglichkeit, die viel wahrscheinlicher ist: Das Universum ist einfach überall gleich, und eine der Messtechniken ist von Natur aus voreingenommen.

Vor Planck ergab die beste Übereinstimmung mit den Daten einen Hubble-Parameter von ungefähr 71 km / s / Mpc, aber ein Wert von ungefähr 70 oder mehr wäre jetzt sowohl für die Dunkle-Materie-Dichte (x-Achse), die wir haben, zu groß gesehen mit anderen Mitteln und dem skalaren Spektralindex (rechte Seite der y-Achse), den wir benötigen, damit die großräumige Struktur des Universums Sinn ergibt. (P.A.R. ADE ET AL. UND DIE PLANCK-ZUSAMMENARBEIT (2015))

Es ist schwierig, die potenziellen Verzerrungen bei den frühen Signalmethoden zu identifizieren, da die Messungen von WMAP, Planck und der Sloan Digital Sky Survey so präzise sind. Im kosmischen Mikrowellenhintergrund haben wir zum Beispiel die Materiedichte des Universums (ca. 32% ± 2%) und den skalaren Spektralindex (0,968 ± 0,010) sehr gut gemessen. Mit diesen Messungen ist es sehr schwierig, einen Wert für die Hubble-Konstante zu erhalten, der über 69 km / s / Mpc liegt. Dies ist tatsächlich die Obergrenze.

Es mag Fehler geben, die uns voreingenommen machen, aber es fällt uns schwer aufzuzählen, was sie sein könnten.

Zwei verschiedene Arten, eine Supernova vom Typ Ia herzustellen: das Akkretionsszenario (L) und das Fusionsszenario (R). Es ist noch nicht bekannt, welcher dieser beiden Mechanismen bei der Erzeugung von Typ-Ia-Supernova-Ereignissen häufiger vorkommt oder ob diese Explosionen eine unentdeckte Komponente aufweisen. (NASA / CXC / M. WEISS)

Für die Distanzleiter-Methode gibt es jedoch zahlreiche Möglichkeiten:

  • Unsere Parallaxenmethoden können durch die Schwerkraft unserer lokalen Sonnenumgebung verzerrt sein. Die gebogene Raumzeit, die unsere Sonne umgibt, könnte unsere Entfernungsbestimmungen systematisch verändern.
  • Unser Verständnis der Cepheiden ist begrenzt, einschließlich der Tatsache, dass es zwei Arten von Cepheiden gibt und einige von ihnen in unberührten Umgebungen liegen.
  • Und Supernovae vom Typ Ia können entweder durch das Ansammeln weißer Zwerge oder durch das Zusammenstoßen und Zusammenwachsen weißer Zwerge verursacht werden. Die Umgebungen, in denen sie sich befinden, können sich im Laufe der Zeit weiterentwickeln, und das Rätsel, wie sie hergestellt werden, kann noch viel größer sein als wir verstehen.

Die Diskrepanz zwischen diesen beiden verschiedenen Arten der Messung des expandierenden Universums ist möglicherweise nur ein Ausdruck unseres übermässigen Vertrauens in die tatsächliche Größe unserer Fehler.

Die 3D-Rekonstruktion von 120.000 Galaxien und deren Clustering-Eigenschaften wurde aus ihrer Rotverschiebung und ihrer Strukturbildung im großen Maßstab abgeleitet. Aus den Daten dieser Umfragen können wir die Expansionsrate des Universums ableiten, die mit den CMB-Messungen, nicht jedoch mit den Entfernungsleitermessungen übereinstimmt. (JEREMY TINKER UND DIE SDSS-III-ZUSAMMENARBEIT)

Die Frage, wie schnell sich das Universum ausdehnt, beschäftigt Astronomen und Astrophysiker seit der ersten Expansion überhaupt. Es ist eine unglaubliche Leistung, dass mehrere unabhängige Methoden Antworten liefern, die innerhalb von 10% konsistent sind, aber nicht miteinander übereinstimmen, und das ist beunruhigend.

Wenn bei Parallaxe, Cepheiden oder Supernovae ein Fehler auftritt, liegt die Expansionsrate möglicherweise tatsächlich im unteren Bereich: 67 km / s / Mpc. In diesem Fall wird das Universum in Einklang gebracht, wenn wir unseren Fehler identifizieren. Wenn sich die Gruppe "Cosmic Microwave Background" irrt und die Expansionsrate näher an 73 km / s / Mpc liegt, sagt dies eine Krise in der modernen Kosmologie voraus. Das Universum kann nicht die Dichte der dunklen Materie haben und anfängliche Schwankungen von 73 km / s / Mpc würden dies implizieren.

Entweder hat ein Team einen unbekannten Fehler gemacht, oder unsere Vorstellung vom Universum braucht eine Revolution. Ich wette auf den ersteren.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.