Das expandierende Universum voller Galaxien und die komplexe Struktur, die wir heute beobachten, entstanden aus einem kleineren, heißeren, dichteren und einheitlicheren Zustand. Tausende von Wissenschaftlern haben Hunderte von Jahren gearbeitet, um zu diesem Bild zu gelangen, und doch zeigt uns das Fehlen eines Konsenses über die tatsächliche Expansionsrate, 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 Geheimnis oder ein schrecklich weltlicher Fehler.

Das Universum dehnt sich aus, und jeder Wissenschaftler auf diesem Gebiet stimmt dem zu. Die Beobachtungen stützen diese einfache Schlussfolgerung mit überwältigender Mehrheit, und jede Alternative hat seit den späten 1920er Jahren ihre Erfolge nicht mehr erreicht. In wissenschaftlichen Bestrebungen kann Erfolg jedoch nicht einfach qualitativ sein. Wir müssen die Expansion des Universums verstehen, messen und quantifizieren. Wir müssen wissen, um wie viel sich das Universum ausdehnt.

Seit Generationen versuchten Astronomen, Astrophysiker und Kosmologen, unsere Messungen der Expansionsrate des Universums zu verfeinern: die 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 stimmt nicht 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 rotverschoben. 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. Wie schnell sich das Universum ausdehnt, können sich Astronomen, die unterschiedliche Techniken anwenden, nicht einigen. (LARRY MCNISH VON RASC CALGARY CENTER)

Der Grund, warum dies ein solches Problem ist, liegt darin, dass wir zwei Hauptmethoden haben, um die Expansionsrate des Universums zu messen: durch die kosmische Distanzleiter und durch Betrachten der Signale, die aus den frühesten Momenten des Urknalls stammen. Die beiden Methoden sind sehr unterschiedlich.

  • Für die Entfernungsleiter betrachten wir nahe gelegene, gut verstandene Objekte, beobachten dann dieselben Arten von Objekten an weiter entfernten Orten, schließen dann auf deren Entfernungen und verwenden dann Eigenschaften, die wir bei diesen Entfernungen beobachten, um noch weiter zu gehen usw. Durch Aufbau 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 (den kosmischen Mikrowellenhintergrund) oder die Korrelationsabstände zwischen entfernten Galaxien (von Baryon Acoustic Oscillations) verwenden und sehen, wie sich diese Signale im Laufe der Zeit entwickeln, wenn sich das Universum ausdehnt.

Die erste Methode scheint konsistent die höhere Zahl von ~ 73 km / s / Mpc zu ergeben, während die zweite ~ 67 km / s / Mpc ergibt.

Standardkerzen (L) und Standardlineale (R) sind zwei verschiedene Techniken, mit denen Astronomen die Ausdehnung des Raums zu verschiedenen Zeiten / Entfernungen in der Vergangenheit 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 ergibt 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 frontale 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 übereinstimmt mit den gleichen Eigenschaften.

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

Die Parallaxenmethode, die angewendet wird, seit Teleskope im 19. Jahrhundert gut genug wurden, beinhaltet die Feststellung der offensichtlichen Änderung der Position eines nahegelegenen Sterns im Vergleich zu den weiter entfernten Hintergrundsternen. Bei dieser Methode kann es zu Verzerrungen kommen, da Massen vorhanden sind, die wir nicht angemessen berücksichtigt haben. (ESA / ATG MEDIALAB)

1.) Die Entfernungsleiter: Beginnen Sie mit den Sternen in unserer eigenen Galaxie. Messen Sie ihre Entfernung mithilfe 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 den Hintergrundsternen. Das Ausmaß der Verschiebung gibt Auskunft über die Entfernung des Sterns.

Einige dieser Sterne sind variable Cepheid-Sterne, die eine spezifische Beziehung zwischen ihrer Leuchtkraft (intrinsische Helligkeit) und ihrer Pulsationsperiode aufweisen: Leavitt'sches Gesetz. Cepheiden kommen in unserer eigenen Galaxie häufig vor, können aber auch in fernen Galaxien beobachtet werden.

Der Bau der kosmischen Distanzleiter beinhaltet den Weg von unserem Sonnensystem zu den Sternen zu nahe gelegenen Galaxien zu entfernten. Jeder „Schritt“ bringt seine eigenen Unsicherheiten mit sich, insbesondere die Cepheid-Variablen- und Supernovae-Schritte. Es wäre auch voreingenommen gegenüber höheren oder niedrigeren Werten, wenn wir in einer unter- oder überdichten Region leben würden (NASA, ESA, A. FEILD (STSCI) UND A. RIESS (STSCI / JHU)).

Und in einigen dieser entfernten, Cepheid-haltigen Galaxien wurden auch Supernovae vom Typ Ia beobachtet. Diese Supernovae können im gesamten Universum beobachtet werden, von hier in unserem kosmischen Hinterhof bis zu Galaxien, die sich viele Milliarden oder sogar zehn Milliarden Lichtjahre entfernt befinden.

Mit nur drei Sprossen:

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

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

Das Muster der im CMB vom Planck-Satelliten beobachteten akustischen Peaks schließt ein Universum, das keine dunkle Materie enthält, effektiv aus und schränkt auch viele andere kosmologische Parameter stark ein. (PAR 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 anziehen. Die Änderung der Schwerkraft führt jedoch zu einer Druckänderung, die dazu führt, dass Strahlung aus diesen Regionen strömt und das Gravitationswachstum unterdrückt.

Das Lustige 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 Sprünge und Kompressionen durch die Strahlung erfährt.

Eine Darstellung von Clustermustern aufgrund von Baryon-Akustikoszillationen, bei denen die Wahrscheinlichkeit, eine Galaxie in einem bestimmten Abstand von einer anderen Galaxie zu finden, von der Beziehung zwischen dunkler Materie und normaler Materie abhängt. Wenn sich das Universum ausdehnt, 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 besteht aus 27% dunkler Materie im Gegensatz zu 5% normaler Materie. (ZOSIA ROSTOMIAN)

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

Indem wir messen, was diese Skalen sind und wie sie sich mit der 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 Zahlen 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 Distanzleitermethode. Das Grün und Blau stammen von

Es gibt viele mögliche Erklärungen. Es ist möglich, dass das nahe gelegene 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. Es ist möglich, dass es eine neue Physik oder etwas gibt, das von jenseits des kosmischen Horizonts an unserem Universum zerrt. Oder vielleicht, dass unsere kosmologischen Modelle einen grundlegenden Fehler aufweisen.

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

Vor Planck ergab die beste Anpassung an die Daten einen Hubble-Parameter von ungefähr 71 km / s / Mpc, aber ein Wert von ungefähr 70 oder mehr wäre jetzt zu groß für die Dichte der dunklen Materie (x-Achse), die wir haben gesehen über andere Mittel und den skalaren Spektralindex (rechte Seite der y-Achse), den wir benötigen, damit die großräumige Struktur des Universums Sinn macht. (PAR ADE ET AL. UND DIE PLANCK-ZUSAMMENARBEIT (2015))

Es ist schwierig, die möglichen Verzerrungen in 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 beispielsweise die Materiedichte des Universums (etwa 32% ± 2%) und den skalaren Spektralindex (0,968 ± 0,010) sehr gut gemessen. Mit diesen Messungen ist es sehr schwierig, eine Zahl für die Hubble-Konstante zu erhalten, die größer als etwa 69 km / s / Mpc ist, was eigentlich die Obergrenze darstellt.

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

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

Für die Distanzleitermethode gibt es jedoch reichlich:

  • Unsere Parallaxenmethoden können durch die Schwerkraft unserer lokalen Sonnenumgebung beeinflusst werden. Die gebogene Raumzeit, die unsere Sonne umgibt, könnte unsere Entfernungsbestimmungen systematisch verändern.
  • Wir verstehen die Cepheiden nur begrenzt, einschließlich der Tatsache, dass es zwei Arten von ihnen gibt und einige von ihnen in nicht unberührten Umgebungen liegen.
  • Und Supernovae vom Typ Ia können entweder durch Ansammlung weißer Zwerge oder durch Kollision und Verschmelzung 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 mehr beinhalten als wir derzeit verstehen.

Die Diskrepanz zwischen diesen beiden verschiedenen Arten der Messung des expandierenden Universums kann einfach ein Spiegelbild unseres Überbewusstseins sein, wie klein unsere Fehler tatsächlich sind.

Die 3D-Rekonstruktion von 120.000 Galaxien und ihre Clustering-Eigenschaften wurden aus ihrer Rotverschiebung und großräumigen Strukturbildung abgeleitet. Die Daten aus diesen Umfragen ermöglichen es uns, auf die Expansionsrate des Universums zu schließen, die mit den CMB-Messungen übereinstimmt, jedoch nicht mit den Entfernungsleitermessungen. (JEREMY TINKER UND DIE SDSS-III-ZUSAMMENARBEIT)

Die Frage, wie schnell sich das Universum ausdehnt, hat Astronomen und Astrophysiker seit unserer ersten Expansion beunruhigt. 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 es einen Fehler bei Parallaxe, Cepheiden oder Supernovae gibt, kann die Expansionsrate wirklich am unteren Ende liegen: 67 km / s / Mpc. Wenn ja, wird das Universum in Einklang gebracht, wenn wir unseren Fehler identifizieren. Wenn sich die Gruppe Cosmic Microwave Background jedoch irrt und die Expansionsrate näher bei 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, die 73 km / s / Mpc implizieren würden.

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

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