26.01.2017 München

Galaxien als riesige Gravitationslinsen

Vermessung des Universums bringt erstaunliche Erkenntnis

TUM München vermisste das Universum
Foto: ESA/Hubble, NASA, Suyu et al.
Eine internationale Gruppe von Astronomen vermisst das Universum. Schon jetzt ist klar: Es wächst. Und zwar viel schneller als erwartet

Indem sie Galaxien als riesigen Gravitationslinsen nutzten, führte eine internationale Gruppe von Astronomen um Max Planck@TUM-Professorin Sherry Suyu eine unabhängige Messung der Hubble-Konstante durch, die beschreibt, wie schnell sich das Universum ausdehnt. Die neu gemessene Expansionsrate für das lokale Universum steht dabei im Einklang mit früheren Messungen. Erstaunlicherweise stimmen diese jedoch nicht mit Messungen aus dem frühen Universum überein. Dies deutet auf ein grundsätzliches Problem bei unserem Verständnis des Kosmos hin.

 

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 H0LiCOW-Kooperation (H0 Lenses in COsmograil’s Wellspring) 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 anderen Messungen der Hubble-Konstante im lokalen Universum, die sogenannte „Cepheidensterne“ und Supernovae als Referenzpunkte verwendeten, stimmt aber ausgezeichnet mit ihnen überein.

 

Angeführt wird das Konsortium von Sherry Suyu, die kürzlich vom Institute of Astronomy and Astrophysics der Academia Sinica (ASIAA) in Taipeh (Taiwan) nach Garching wechselte, wo sie jetzt im Max Planck@TUM-Programm Gruppenleiterin am Max-Planck-Institut für Astrophysik und Tenure Track-Professorin der Technischen Universität München ist.

 

 

EINE NEUE PHYSIK?

 

Der von Suyu und ihrem Team gemessene Wert sowie die mit Cepheiden und Supernovae gemessenen Werte unterscheiden sich jedoch von Messungen des Planck-Satelliten. Dabei gibt es einen wichtigen Unterschied: Durch die Beobachtung des kosmischen Mikrowellenhintergrundes maß Planck die Hubble-Konstante für das frühe Universum.

 

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.

 

 

MIT GRAVITATIONSLINSEN UM DIE ECKE SEHEN

 

Die Ziele der Untersuchung 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 Co-Autor Frédéric Courbin von der EPFL, Schweiz.

 

Die genauen Messungen der Zeitverzögerungen zwischen den einzelnen Bildern sowie Computermodelle erlaubten es dem Team, die Hubble-Konstante mit hoher Präzision zu ermitteln. Der Fehler beträgt nur 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 von der EPFL, Schweiz. 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.“

Autor: pm / uj

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