Das Universum dehnt sich so schnell aus, dass wir vielleicht eine neue Physik brauchen, um es zu erklären

Das Universum dehnt sich schneller aus als erwartet, was darauf hindeutet, dass Astronomen möglicherweise eine neue Physik in ihre Theorien über die Funktionsweise des Kosmos einbeziehen müssen, berichtet eine neue Studie.

Die revidierte Expansionsrate ist etwa 10 % schneller als die, die durch Beobachtungen der Flugbahn des Universums kurz nach dem Urknall vorhergesagt wurde, so die neue Forschung. Die Studie reduziert auch deutlich die Wahrscheinlichkeit, dass diese Diskrepanz ein Zufall ist, von 1 zu 3.000 auf nur 1 zu 100.000.

„Diese Diskrepanz hat sich vergrößert und hat nun einen Punkt erreicht, der wirklich unmöglich als Zufall abzutun ist“, sagte der Hauptautor der Studie, Adam Riess, ein Professor für Physik und Astronomie an der Johns Hopkins University in Baltimore, in einer Erklärung.

„Das ist nicht das, was wir erwartet haben“, sagte Riess, der 2011 den Nobelpreis für Physik erhielt (zusammen mit Brian Schmidt und Saul Perlmutter), weil er in den späten 1990er Jahren gezeigt hatte, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt. Es ist unklar, was diese überraschende Beschleunigung antreibt, aber viele Astronomen beschwören eine mysteriöse, abstoßende Kraft namens dunkle Energie.

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Diese Illustration zeigt die drei grundlegenden Schritte, die Astronomen verwenden, um zu berechnen, wie schnell sich das Universum über die Zeit ausdehnt, ein Wert, der Hubble-Konstante genannt wird. Alle Schritte beinhalten den Aufbau einer starken „kosmischen Entfernungsleiter“, indem man mit der Messung genauer Entfernungen zu nahen Galaxien beginnt und sich dann zu immer weiter entfernten Galaxien bewegt. Diese Leiter ist eine Reihe von Messungen verschiedener Arten von astronomischen Objekten mit einer Eigenhelligkeit, die Forscher zur Berechnung von Entfernungen verwenden können. (Bildnachweis: NASA, ESA und A. Feild (STScI))

In der neuen Studie untersuchten Riess und seine Kollegen mit dem Hubble-Weltraumteleskop 70 Cepheiden-Veränderliche in der Großen Magellanschen Wolke (LMC), einer der Satellitengalaxien der Milchstraße. Cepheide Veränderliche werden in vorhersagbaren Raten heller und dunkler und sind daher „Standardkerzen“, die es Astronomen ermöglichen, Entfernungen zu berechnen.

(Eine andere Art von Standardkerzen, die als Typ-1a-Supernovae bekannten Sternexplosionen, ermöglichen es den Wissenschaftlern, Entfernungen noch weiter draußen im All zu messen. Die Studien von Riess, Schmidt und Perlmutter zu Supernovae vom Typ 1a führten zu ihrer nobelpreisgekrönten Entdeckung.)

Riess und sein Team bezogen auch Beobachtungen des Araucaria-Projekts mit ein, einer Zusammenarbeit von Forschern aus den USA, Europa und Chile, die verschiedene Doppelsternsysteme der LMC untersuchten und dabei die Verdunkelung feststellten, die auftrat, wenn ein Stern vor seinem Nachbarn vorbeizog. Diese Arbeit lieferte zusätzliche Entfernungsmessungen, die dem Studienteam halfen, die Eigenhelligkeit der Cepheiden besser zu verstehen.

Aus all diesen Informationen errechneten die Forscher die heutige Expansionsrate des Universums, einen Wert, der nach dem amerikanischen Astronomen Edwin Hubble als Hubble-Konstante bekannt ist. Der neue Wert liegt bei etwa 74,03 Kilometern pro Sekunde und Megaparsec; eine Megaparsec ist etwa 3,26 Millionen Lichtjahre lang.

Die Unsicherheit, mit der diese Zahl behaftet ist, beträgt nur 1,9 Prozent, so die Forscher. Das ist der bisher niedrigste Unsicherheitswert, der mit diesem Ansatz berechnet wurde – gegenüber etwa 10 % im Jahr 2001 und 5 % im Jahr 2009.

Die „erwartete“ Expansionsrate liegt dagegen bei etwa 41,9 Meilen (67,4 km) pro Sekunde und Megaparsec. Diese prognostizierte Rate basiert auf Beobachtungen, die der europäische Planck-Satellit am kosmischen Mikrowellenhintergrund gemacht hat – dem Licht, das vom Urknall übrig geblieben ist, der das Universum vor 13,82 Milliarden Jahren erschaffen hat.

„Das sind nicht nur zwei Experimente, die sich nicht einig sind. Wir messen etwas grundlegend anderes“, sagte Riess.

„Das eine ist eine Messung, wie schnell das Universum heute expandiert, wie wir es sehen. Das andere ist eine Vorhersage, die auf der Physik des frühen Universums basiert und auf Messungen, wie schnell es sich ausdehnen sollte“, fügte er hinzu. „Wenn diese Werte nicht übereinstimmen, ist es sehr wahrscheinlich, dass wir etwas im kosmologischen Modell übersehen, das die beiden Epochen miteinander verbindet.“

Die neue Studie wurde heute (25. April) in The Astrophysical Journal veröffentlicht. Sie kann kostenlos auf der Online-Preprint-Seite arXiv.org gelesen werden.

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