Matavimai, kaip nustatyti Hablo konstantą: Įtampa

Messwerte, wie man die Hubble-Konstante bestimmt: Spannung

Diskrepanzen zwischen lokalen und frühen Universums-Messungen, die neue kosmologische Fragen aufwerfen

Warum H0 wichtig

Die Hubble-Konstante (H0) beschreibt die aktuelle Expansionsrate des Universums, meist angegeben in Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec (km/s/Mpc). Eine genaue Bestimmung von H0 ist in der Kosmologie sehr wichtig, weil:

  1. Gibt das Alter des Universums an, wenn wir die Expansion rückwärts extrapolieren.
  2. Kalibriert die Entfernungsskala für andere kosmische Messungen.
  3. Hilft, Mehrdeutigkeiten bei kosmologischen Parametern (z. B. Materiedichte, Dunkle-Energie-Parameter) zu lösen.

Astronomen messen H0 traditionell auf zwei verschiedene Arten:

  • Lokale (Entfernungsleiter-)Methode: Beginnend mit der Parallaxe zu Cepheiden oder TRGB (Spitze der Roten Riesen), anschließend werden Typ-I-Supernovae verwendet. So wird die direkte Expansionsrate im relativ nahen Universum ermittelt.
  • Methode des frühen Universums: H0 wird aus den Daten der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB) gemäß einem gewählten kosmologischen Modell (ΛCDM) und baryonischen akustischen Oszillationen (BAO) oder anderen Einschränkungen abgeleitet.

In den letzten Jahren liefern diese beiden Methoden signifikant unterschiedliche Werte für H0: einen höheren (~73–75 km/s/Mpc) aus der lokalen Methode und einen niedrigeren (~67–68 km/s/Mpc) aus CMB-basierten Berechnungen. Diese Diskrepanz, genannt „Hubble-Spannung“, deutet entweder auf neue Physik jenseits des Standard-ΛCDM oder auf noch ungelöste systematische Fehler in einer oder beiden Methoden hin.

2. Lokale Entfernungsleiter: Stufenprinzip

2.1 Parallaxe und Kalibrierung

Die Grundlage der lokalen Entfernungsleiter ist die Parallaxe (trigonometrisch) für nahe Lichtquellen (Gaia-Mission, HST-Parallaxen für Cepheiden usw.). Die Parallaxe bestimmt die absolute Skala für Standardkerzen wie Cepheiden-Veränderliche, die eine gut beschriebene Periode-Helligkeits-Beziehung besitzen.

2.2 Cepheiden und TRGB

  • Cepheiden-Veränderliche: Die Hauptstufe zur Kalibrierung entfernter Standardkerzen wie Typ-I-Supernovae. Freedman und Madore, Riess et al. (SHoES-Team) und andere verbesserten die lokale Cepheiden-Kalibrierung.
  • Spitze der Roten Riesen (TRGB): Eine weitere Methode, die die Helligkeit von Roten Riesensternpopulationen bei der Heliumzündung (in metallarmen Populationen) nutzt. Das Carnegie–Chicago-Team (Freedman et al.) erreichte ~1 % Genauigkeit in einigen lokalen Galaxien und bietet eine Alternative zu Cepheiden.

2.3 Typ-I-Supernovae

Wenn Cepheiden (oder TRGB) in Galaxien als Ankerpunkte zur Bestimmung der Supernova-Helligkeiten dienen, können Supernovae bis zu hunderten Mpc Entfernung beobachtet werden. Durch den Vergleich der gemessenen Helligkeit der Supernova mit der abgeleiteten absoluten Helligkeit wird die Entfernung ermittelt. Durch die Kombination von Rotverschiebung und Entfernung wird lokal H0 bestimmt.

2.4 Lokale Messungen

Riess et al. (SHoES) bestimmen häufig H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (Fehler ~1,0–1,5%). Freedman et al. (TRGB) finden ~69–71 km/s/Mpc – etwas weniger als Riess, aber immer noch höher als Plancks ~67. Obwohl sich lokale Messungen etwas unterscheiden, liegen sie meist im Bereich von 70–74 km/s/Mpc – mehr als die ~67 von Planck.

3. Methode des frühen Universums (KFS)

3.1 ΛCDM-Modell und KFS

Kosmische Hintergrundstrahlung (KFS), gemessen von WMAP oder Planck, ermöglicht es nach dem Standard-ΛCDM-Kosmologiemodell, die Skala der akustischen Peaks und andere Parameter zu bestimmen. Aus der Anpassung des KFS-Leistungsspektrums werden Ωb h², Ωc h² und weitere Werte gewonnen. In Kombination mit der Flachheitsannahme sowie BAO- oder anderen Daten wird H0 abgeleitet.

3.2 Planck-Messung

Planck-Kollaborationsenddaten zeigen typischerweise H0 = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (abhängig von den Annahmen), etwa 5–6σ niedriger als lokale SHoES-Messungen. Diese Differenz, bekannt als Hubble-Spannung, liegt auf einem Niveau von ~5σ, was darauf hindeutet, dass es sich kaum um eine zufällige Abweichung handelt.

3.3 Warum diese Diskrepanz wichtig ist

Wenn das Standard-ΛCDM-Modell korrekt ist und die Planck-Daten zuverlässig sind, muss im lokalen Leiterverfahren eine unbekannte systematische Fehlerquelle vorliegen. Andernfalls, wenn die lokalen Entfernungen korrekt sind, könnte das frühe Universumsmodell unvollständig sein – neue Physik könnte die kosmische Expansion beeinflussen oder zusätzliche relativistische Teilchen bzw. frühe dunkle Energie existieren, die den abgeleiteten H0 verändern.

4. Mögliche Ursachen für die Diskrepanz

4.1 Systematische Fehler bei der Leiter-Methode?

Es besteht der Verdacht, ob bei der Cepheiden-Kalibrierung oder der Supernova-Fotometrie ein unbehebbarer Fehler vorliegt – z.B. Metallenzeinfluss auf Cepheiden, lokale Flusskorrektur oder Auswahlverzerrung. Dennoch verringert die starke Übereinstimmung mehrerer Gruppen die Wahrscheinlichkeit eines großen Fehlers. TRGB-Methoden ergeben ebenfalls einen etwas höheren H0, wenn auch leicht niedriger als bei Cepheiden, aber immer noch höher als das Planck-Ergebnis.

4.2 Ungeklärte systematische Fehler in der KFS oder im ΛCDM?

Eine weitere Möglichkeit ist, dass in der Planck-Kosmischen Hintergrundstrahlungsinterpretation des ΛCDM-Modells eine wichtige Komponente fehlt, z.B.:

  • Erweiterte Neutrinoeigenschaften oder zusätzliche relativistische Teilchen (Neff).
  • Frühe dunkle Energie nahe der Rekombination.
  • Krümmungsfreiheit oder zeitlich veränderliche dunkle Energie.

Planck zeigt keine eindeutigen Anzeichen dafür, aber einige erweiterte Modelle enthalten schwache Hinweise. Bisher eliminiert keine Lösung die Spannung vollständig ohne zusätzliche Anomalien oder erhöhte Komplexität.

4.3 Gibt es zwei verschiedene Werte der Hubble-Konstante?

Manche schlagen vor, dass die Expansion des Universums im niedrigen Rotbereich von der globalen Durchschnittsrate abweichen könnte, wenn große lokale Strukturen oder Inhomogenitäten (sogenannte "Hubble-Blase") vorhanden sind. Messungen aus verschiedenen Richtungen, auf anderen kosmischen Skalen und das allgemeine Prinzip der Homogenität zeigen jedoch, dass eine signifikante lokale Leere oder Umgebung diese Spannung kaum erklären würde.

5. Bemühungen zur Lösung der Spannung

5.1 Unabhängige Methoden

Forscher prüfen alternative lokale Kalibrierungen:

  • Maser in Megamaser-Galaxien (z. B. NGC 4258) als Anker für Supernova-Entfernungen.
  • Starke Gravitationslinsen Zeitverzögerungen (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Fluktuationen der Oberflächenhelligkeit in elliptischen Galaxien.

Bis jetzt zeigen diese Methoden typischerweise H0 Werte im Bereich „hohe 60er – niedrige 70er“, nicht immer identisch, aber meist größer als 67. Das bedeutet, es gibt keine einzelne unabhängige Methode, die die Spannung vollständig auflöst.

5.2 Mehr Daten von DES, DESI, Euclid

BAO-Messungen bei verschiedenen Rotverschiebungen ermöglichen die Rekonstruktion von H(z) und die Überprüfung, ob es von z = 1100 (Epoche der Rekombination) bis z = 0 Abweichungen vom ΛCDM gibt. Wenn Beobachtungen eine Rotverschiebung zeigen, bei der lokal ein höheres H0 gemessen wird, das gleichzeitig mit Planck bei hohem z übereinstimmt, könnte dies neue Physik bedeuten (z. B. frühe dunkle Energie). DESI strebt eine Entfernungsgenauigkeit von ~1 % bei mehreren Rotverschiebungen an, was helfen kann, den Verlauf der kosmischen Expansion besser zu verstehen.

5.3 Nächste Generation der Entfernungsleiter

Lokale Teams verbessern weiterhin die Parallaxen-Kalibrierung mithilfe von Gaia-Daten, verfeinern den Nullpunkt der Cepheiden und überprüfen systematische Fehler in der Supernova-Fotometrie. Wenn die Spannung mit kleineren Fehlern bestehen bleibt, steigt die Wahrscheinlichkeit für neue Physik jenseits des ΛCDM-Modells. Wenn die Spannung verschwindet, bestätigt das die Solidität von ΛCDM.

6. Bedeutung für die Kosmologie

6.1 Wenn Planck richtig ist (niedriges H0)

Niedriges H0 ≈ 67 km/s/Mpc stimmt mit dem Standard-ΛCDM von z = 1100 bis heute überein. Dann wären lokale Leiter-Methoden systematisch fehlerhaft oder wir leben an einem ungewöhnlichen Ort. Ein solches Szenario deutet auf ein Universumsalter von ~13,8 Mrd. Jahren hin, und die Vorhersagen der großräumigen Struktur stimmen mit Galaxienhaufen-Daten, BAO und Gravitationslinsen überein.

6.2 Wenn die lokale Leiter richtig ist (hohes H0)

Wenn H0 ≈ 73 bestätigt, dann ist die Erklärung des Planck-\(\Lambda\)CDM-Modells unvollständig. Es könnte erforderlich sein:

  • Zusätzliche frühe dunkle Energie, die vorübergehend die Expansion bis zur Rekombination beschleunigt und so die Spitzenwinkel verändert, wodurch der von Planck abgeleitete Wert von H0 verringert wird.
  • Mehr relativistische Freiheitsgrade oder neue Neutrinophysik.
  • Abkehr von der Annahme, dass das Universum flach ist und strikt durch \(\Lambda\)CDM beschrieben wird.

Solche neue Physik könnte die Spannung lösen, erfordert aber ein komplexeres Modell. Das lässt sich mit anderen Daten prüfen (CMB-Linsen, Strukturwachstumsraten, Nukleosynthese).

6.3 Zukunftsperspektiven

Die Spannung fordert neue Kreuzprüfungen heraus. CMB-S4 oder höherstufige kosmische Mikrowellen-Hintergrundstudien können prüfen, ob das Strukturwachstum zu einem hohen oder niedrigen H0 passt. Bleibt die Spannung bei ~5σ, ist das ein starkes Indiz, dass das Standardmodell erweitert werden muss. Theoretische Durchbrüche oder neu entdeckte Fehler könnten die Frage letztlich klären.

7. Fazit

Messung der Hubble-Konstante (H0) ist der Kern der Kosmologie, der lokale Expansions-Beobachtungen mit frühen Universums-Modellen verbindet. Aktuelle Methoden liefern zwei unterschiedliche Werte:

  1. Lokale Entfernungsleiter (unter Verwendung von Cepheiden, TRGB, Supernovae) zeigt meist H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. ΛCDM basierend auf CMB unter Verwendung von Planck-Daten ergibt H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

Diese „Hubble-Spannung“ auf etwa 5σ Signifikanz weist auf unbekannte systematische Fehler in irgendeiner Methode oder neue Physik jenseits des Standard-ΛCDM hin. Verbesserungen bei Parallaxen (Gaia), Supernova-Nullpunkten, Linsenzeitverzögerungen und hochrotem BAO prüfen alle Hypothesen. Bleibt die Spannung bestehen, könnte das exotische Lösungen anzeigen (frühe dunkle Energie, zusätzliche Neutrinos usw.). Verringert sie sich, bestätigt das die Robustheit von ΛCDM.

Jedes Szenario beeinflusst unsere kosmische Geschichte deutlich. Die Spannung treibt neue Beobachtungskampagnen (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) und fortschrittliche theoretische Modelle voran und unterstreicht die Dynamik der modernen Kosmologie – wenn präzise Daten und langfristige Diskrepanzen uns dazu bringen, frühes und gegenwärtiges Universum zu einem umfassenden Bild zu vereinen.

Literatur und weiterführende Lektüre

  1. Riess, A. G., et al. (2016). „Eine 2,4% Bestimmung des lokalen Werts der Hubble-Konstante.“ The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). „Planck 2018 Ergebnisse. VI. Kosmologische Parameter.“ Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). „Das Carnegie-Chicago Hubble-Programm. VIII. Eine unabhängige Bestimmung der Hubble-Konstante basierend auf der Spitze des Roten Riesenast.“ The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). „Spannungen zwischen dem frühen und dem späten Universum.“ Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). „Leitfaden für Jäger der Hubble-Konstante.“ Physics Today, 73, 38.
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