GRAVITATIONSLINSEN
Hubble-Konstante unabhängig gemessen 
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik
astronews.com
27. Januar 2017

Mithilfe von Gravitationslinsen haben Astronomen die Expansionsrate des Universums neu und unabhängig vermessen. Der ermittelte Wert steht dabei im Einklang mit früheren Messungen, passt allerdings nicht für das frühe Universum. Dies könnte auf ein grundsätzliches Problem bei unserem Verständnis des Kosmos hindeuten.

Das System HE0435-1223 befindet sich in der Mitte dieser Aufnahme. Es gehört zu den fünf besten Linsenquasaren, die bisher entdeckt wurden. Die Vordergrundgalaxie erzeugt vier nahezu gleichmäßig verteilte Bilder des entfernten Quasars. Bild: ESA/Hubble, NASA, Suyu et al. [Großansicht]

  Die Hubble-Konstante, also die Geschwindigkeit mit der das Universum expandiert, ist eine der grundlegenden Größen, die unser Universum beschreiben. Eine Gruppe von Astronomen aus der sogenannten H0LiCOW-Kooperation nutzte das Weltraumteleskop Hubble und weitere Teleskope im All und auf der Erde, um fünf Galaxien zu beobachten und diese für eine unabhängige Messung der Hubble-Konstante zu nutzen.

Die neue Messung ist völlig unabhängig von - aber in ausgezeichneter Übereinstimmung mit - anderen Messungen der Hubble-Konstante im lokalen Universum, die sogenannte Cepheiden und Supernovae als Referenzpunkte verwendeten. Angeführt wird das Konsortium von Sherry Suyu, die kürzlich vom Institute of Astronomy and Astrophysics der Academia Sinica in Taipeh an das Max-Planck-Institut für Astrophysik nach Garching und die Technischen Universität München wechselte.

Der von Suyu und ihrem Team gemessene Wert sowie die mit Cepheiden und Supernovae gemessenen Werte unterscheiden sich jedoch von der Messung des Planck-Satelliten. Dieser allerdings hat die Hubble-Konstante für das frühe Universum durch Beobachtung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds gemessen. Während der Planck-Wert für die Hubble-Konstante mit unserem gegenwärtigen Verständnis des Kosmos übereinstimmt, stehen die Werte, die die Astronomen für das lokale Universum erhalten haben, im Widerspruch zum akzeptierten theoretischen Modell des Universums.

"Wir schaffen es inzwischen, die Expansionsrate des Universums in unterschiedlicher Weise mit einer solch hohen Genauigkeit zu messen, dass dabei auftretende Diskrepanzen möglicherweise auf eine neue Physik hinweisen, die über unsere gegenwärtige Kenntnis des Universums hinausgeht", erläutert Suyu.

Die Ziele der Studie waren massereiche Galaxien zwischen den Beobachtern auf der Erde und sehr entfernten Quasaren - unglaublich leuchtkräftigen Galaxienkernen. Das Licht der Quasare wird durch die als starke Gravitationslinse wirkende, riesige Masse der Galaxie gebeugt - ein Vorgang, den der Schweizer Astronom Fritz Zwicky bereits vor 80 Jahren vorhersagte. Dies erzeugt mehrere Bilder des Hintergrund-Quasars, einige werden zu Bögen verzerrt.

Da die Galaxien aber keine perfekt sphärischen Verzerrungen im Raum erzeugen und außerdem die Linsengalaxien und Quasare nicht perfekt hintereinander ausgerichtet sind, legt das Licht der verschiedenen Bilder des Hintergrundquasars etwas unterschiedliche Wege zurück, die auch unterschiedliche Längen aufweisen. Die Helligkeit von Quasaren ändert sich mit der Zeit und so können die Astronomen sehen, dass die verschiedenen Bilder zu unterschiedlichen Zeiten aufflackern. Die Verzögerungen dazwischen sind dabei abhängig von der zurückgelegten Weglänge des Lichts und stehen in direktem Zusammenhang mit dem Wert der Hubble-Konstante.

"Unsere Methode ist die einfachste und direkteste Methode, um die Hubble-Konstante zu messen, da sie nur Geometrie und Relativitätstheorie verwendet, keine weiteren Annahmen", erklärt Frédéric Courbin von der École polytechnique fédérale de Lausanne. Die genauen Messungen der Zeitverzögerungen zwischen den einzelnen Bildern sowie Computermodelle erlaubten es dem Team die Hubble-Konstante mit beeindruckend hoher Präzision zu ermitteln: 3,8 Prozent.

"Dafür mussten wir in unserer Analyse auch die Lichtablenkung durch alle anderen Galaxien in der Nähe der Linsengalaxie einbeziehen," erklärt Stefan Hilbert vom Exzellenzcluster Universe. "Eine genaue Messung der Hubble-Konstante ist heutzutage einer der begehrtesten Preise in der kosmologischen Forschung", betont Teammitglied Vivien Bonvin aus Lausanne. Und Suyu fügt hinzu: "Die Hubble-Konstante ist für die moderne Astronomie von entscheidender Bedeutung, da sie bei der Beantwortung der Frage hilft, ob unser Bild des Universums - bestehend aus Dunkler Energie, Dunkler Materie und normaler Materie - korrekt ist oder ob wir etwas Grundsätzliches übersehen haben."

Der vom H0LiCOW-Team bestimmte Wert für die Hubble-Konstante beträgt 71,9 plus/minus 2,7 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec. Wissenschaftler konnten im Jahr 2016 mit dem Hubble-Weltraumteleskop einen Wert von 73,24 plus/minus 1,74 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec messen. Der Planck-Satellit bestimmte 2015 die Konstante mit der bisher höchsten Präzision und einem Wert von 66,93 plus/minus 0,62 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec.

Über ihre Resultate berichten die Astronomen in mehreren Fachartikeln, die in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society erschienen sind.