Kosmologische Kontroverse

Messfehler oder die Auflösung der Krise?

Von Sibylle Anderl
11.10.2019
, 11:44
Die Galaxie Messier 101 ist eine der Quellen, in der Rote Riesen und eine Supernova beobachtet und verglichen werden können.
Messungen der Hubble-Konstanten, der Expansionsrate des Kosmos, widersprechen sich gegenseitig. Eine neue Methode soll hier helfen – und wird heftig debattiert.
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Nicht „Wem sollen wir glauben?“, sondern „Was sollen wir glauben?“, müsse es heißen, wenn die aktuellen Probleme der Kosmologie diskutiert würden – das betonte der Astrophysiker Barry Madore von den kalifornischen Carnegie Observatories am vergangenen Samstag gleich mehrfach in seinem Vortrag, den er während der vom Kavli Institute for Cosmological Physics organisierten Konferenz „Cosmic Controversies“ in Chicago hielt. An der Äußerung dieser eigentlich selbstverständlichen Feststellung wird deutlich, wie persönlich die Diskussion um den aktuellen Status der Kosmologie, genauer: um die Diskrepanz zwischen verschiedenen Messwerten der Hubble-Konstanten, mittlerweile geworden ist. Dieser Status, den verschiedene Astrophysiker als „Spannung“, „Problem“ oder „Krise“ bezeichnen, spaltet derzeit die Community. Im Kern geht es dabei um verschiedene Messungen derselben kosmologischen Größe, der Hubble-Konstanten H0, die auf unterschiedliche, miteinander unvereinbare Werte führen. Die Hubble-Konstante wiederum ist einer der zentralen Werte der Kosmologie. Sie beschreibt die gegenwärtige Expansionsrate des Kosmos und bestimmt damit die absolute Größenskala des Universums.

Eingeführt wurde diese Konstante vor knapp hundert Jahren. Der belgische Theologe und Astrophysiker Georges Lemaître hatte 1927 ein expandierendes Universum als eine Lösung der relativistischen Feldgleichungen Einsteins gefunden. Bis dahin waren statische Modelle des Universums angenommen worden. Ein Jahr später stellte der amerikanische Astronom Edwin Hubble empirisch fest, dass sich fast alle Galaxien von uns entfernen, und zwar umso schneller, je weiter sie entfernt sind. Um die Konstante zu bestimmen, die zwischen Geschwindigkeit und Entfernung vermittelt, maß er zum einen die radiale Bewegung der Galaxien auf der Grundlage der Rotverschiebung ihrer Spektren und zum anderen ihre Distanz mit Hilfe junger variabler Sterne, den Cepheiden. Die Astronomin Henrietta Leavitt hatte 1908 die Entdeckung gemacht, dass die Pulsationsperiode der Cepheiden einen engen Zusammenhang zu ihrer Leuchtkraft aufweist: Helle Cepheiden pulsieren langsamer als leuchtschwache. Sobald man diese Relation so kalibriert, dass aus der Pulsation die absolute Leuchtkraft ermittelt werden kann, ergibt der Vergleich mit der beobachteten Leuchtkraft deren Entfernung.

Die von der Südhalbkugel aus sichtbaren Magellanschen Wolken werden häufig als erste „Sprosse“ der kosmischen Entfernungsleiter genutzt.
Die von der Südhalbkugel aus sichtbaren Magellanschen Wolken werden häufig als erste „Sprosse“ der kosmischen Entfernungsleiter genutzt. Bild: ESO/J. Colosimo

Hubble nutzte diese Relation und kam auf einen Wert für H0 von 500 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec, wobei „Megaparsec“ die Einheit für kosmologische Distanzmessungen ist und rund 3,3 Millionen Lichtjahren entspricht. Dieser Wert war viel zu groß: Seine Beobachtungen relativ naher Galaxien waren für sein Ziel nicht sonderlich gut geeignet. In den folgenden Jahrzehnten wurden die Messungen stetig optimiert, der Wert wurde immer kleiner. Eine massive Verbesserung der Messungen lieferte schließlich das Hubble-Weltraumteleskop. Wendy Freedman, eine junge kanadische Astronomin, die an den Carnegie Observatories arbeitete, nutzte dieses Teleskop, um 2001 den bis dahin genauesten Wert zu veröffentlichen: Er lag bei 72 mit einer Ungenauigkeit von nur zehn Prozent.

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Schwierige Distanzmessung

Die Messung von Distanzen, von der die Qualität der Bestimmung von H0 abhängt, ist eine der größten Herausforderungen der Astrophysik. Für die dreidimensionale Rekonstruktion des auf die zweidimensionale Himmelssphäre projizierten Universums kann eine sogenannte „Entfernungsleiter“ genutzt werden: Für nahe Galaxien ist eine Bestimmung ihrer absoluten Entfernung mit geometrischen Methoden möglich. Von dort aus tastet man sich dann mithilfe relativer Distanzmessungen immer weiter ins Universum hinaus, bis man schließlich den „Hubble-Fluss“ erreicht hat – diejenigen Skalen, auf denen die Bewegungen der Galaxien nicht mehr durch zufällige Eigenbewegungen sondern nur noch durch die Expansion des Alls bestimmt sind. So beginnt man beispielsweise mit der Entfernung der Magellanschen Wolken, die sehr genau bekannt ist, und kalibriert dort anhand der beobachtbaren Cepheiden die Pulsations-Leuchtkraft-Beziehung. Auf dieser „Sprosse“ der Entfernungsleiter kommt man bis hinaus in den rund 16 Megaparsec entfernten Virgo-Haufen. Für den nächsten Schritt sucht man einen weiter hinausreichenden Distanzindikator, den man wiederum relativ zu den Cepheiden kalibrieren kann. Dafür kommen verschiedene physikalische Effekte in Frage.

Der Planck Satellit ermöglicht eine präzise Bestimmung der Hubble-Konstanten mithilfe der kosmischen Hintergrundstrahlung.
Der Planck Satellit ermöglicht eine präzise Bestimmung der Hubble-Konstanten mithilfe der kosmischen Hintergrundstrahlung. Bild: AFP

Als besonders geeignet haben sich helle Supernovae vom sogenannten Typ Ia erwiesen. Das sind Doppelsysteme, in denen ein Weißer Zwerg sich Material eines Begleiters aneignet – so lange, bis seine Masse einen Grenzwert erreicht, bei dem der Zwerg instabil wird und explodiert. Die daraufhin stark erhöhte Leuchtkraft sollte grundsätzlich immer den gleichen Wert annehmen und kann damit nach einer Kalibrierung anhand der vorherigen „Sprosse“ als „Standardkerze“ genutzt werden, die nun tatsächlich bis zu Distanzen reicht, bei denen H0 gemessen werden kann. Allerdings gibt es dabei Probleme. So wird etwa die Strahlung auf dem Weg zu uns entscheidend von Staub geschwächt und zu roten Wellenlängen verschoben. In den neunziger Jahren schafften es Astronomen um Adam Riess, Brian Schmidt und Saul Perlmutter, mit diesem Problem umzugehen und 1998 anhand weit entfernter Supernovae eine neue kosmologische Sensation zu offenbaren: Das Universum dehnt sich beschleunigt aus – die Helligkeit entfernter und damit alter Supernovae ließ keinen anderen Schluss zu. Für diese Erkenntnis erhielten die drei 2011 den Nobelpreis für Physik.

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Adam Riess und seine Kollegen verbesserten im Rahmen des „SH0ES“-Projektes die Messung der Hubble-Konstanten in den folgenden Jahren auf der Grundlage von Cepheiden-Beobachten immer weiter, parallel zu Astronomen um Wendy Freedman. Aktuell wird die Unsicherheit des Wertes, von Riess’ Gruppe Anfang des Jahres als 74,0 bestimmt, als rund zwei Prozent angegeben.

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Kosmologische Bestimmung

Parallel dazu hat sich aber seit den frühen 2000er Jahren eine unabhängige Art der Messung der Hubble-Konstanten entwickelt: die Bestimmung anhand der kosmischen Hintergrundstrahlung. Diese Strahlung entstand 380 000 Jahre nach dem Urknall, als sich zum ersten Mal Licht und Materie voneinander entkoppelten, und trägt seitdem die Signaturen der Dichtefluktuationen der damals im Kosmos existierenden Materie als winzige Temperaturschwankungen in sich. Diese Schwankungen verraten viel über die Natur unseres Kosmos. Der Vergleich mit dem heute angenommenen kosmologischen Modell, einem Kosmos, der von Dunkler Materie und Dunkler Energie dominiert wird und sich seit dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren ausdehnt, liefert unter anderem die Hubble-Konstante. Dieser Wert wird allerdings indirekt gemessen und ist damit abhängig vom angenommenen kosmologischen Modell, man kann ihm nur vertrauen, wenn dieses Modell stimmt. Der 2001 gestartete WMAP-Satellit der Nasa ermittelte 2013 für H0 einen Wert von 69,7 mit einem Fehler von rund zwei Prozent: Noch sah es so aus, als sei der kosmologisch ermittelte Wert mit dem anhand der Entfernungsleiter bestimmten vereinbar. 2009 startete der Planck-Satellit der Esa, um noch präzisere Messungen zu liefern. 2014 wurde sein Wert von H0 veröffentlicht: 67,3, mit einer Genauigkeit von rund einem Prozent. Unvereinbar mit demjenigen auf der Grundlage der Cepheiden-Leiter – der Startpunkt der „Krise“.

In zwei bis drei Jahren werden die finalen Ergebnisse der Gaia-Mission erwartet, die die Entfernung zu mehr als einer Milliarde Sterne der Milchstraße bestimmt hat.
In zwei bis drei Jahren werden die finalen Ergebnisse der Gaia-Mission erwartet, die die Entfernung zu mehr als einer Milliarde Sterne der Milchstraße bestimmt hat. Bild: dpa

Was könnte es bedeuten, dass der „lokal“ gemessene nicht mit dem kosmologischen Wert übereinstimmt? Naheliegend wäre: Die angegebenen Genauigkeiten der Werte stimmen nicht, und es gibt systematische Unsicherheiten – Fehlerquellen –, die bislang nicht gesehen werden. Die dramatischere Folgerung wäre, dass wir ein anderes kosmologisches Modell benötigen. Diese Variante wird oft unter dem Titel „neue Physik“ ins Spiel gebracht. Es könnte beispielsweise zusätzliche, relativistische Teilchenarten geben, oder die Dunkle Energie könnte sich anders verhalten als bislang angenommen. Aber das derzeitige kosmologische Modell ist so gut auf eine Vielzahl von Messdaten abgestimmt, dass Änderungen schnell zu neuen Ungereimtheiten im Vergleich zu den Beobachtungen führen.

Im Juli trafen sich führende Kosmologen zu einer von Adam Riess organisierten Konferenz in Santa Barbara, um das Problem zu diskutieren. Doch anstatt Fortschritt in der Klärung der Situation zu erreichen, führte das Treffen zu einem ganz neuen Grad der Verwirrung: Die Astronomin Wendy Freedman stellte eine neue Methode als Alternative zur Cepheiden-Kalibrierung der Entfernungsleiter vor. „Wenn wir alles auf eine Karte setzen, die Cepheiden-Karte, dann werden wir nie die ,unknown unknowns‘ offenlegen – das liegt in der Natur systematischer Fehler“, hatte sie gemahnt. Freedman und ihr Team schlugen stattdessen vor, Rote Riesen als alternative „Sprosse“ der Entfernungsleiter zu nutzen. Dies sind Sterne wie unsere Sonne, die so viel Wasserstoff in ihrem Kern verbrannt und ihre innere Temperatur dadurch so gesteigert haben, dass irgendwann explosionsartig die Verbrennung von Helium im Kern gestartet wird. Die Leuchtkraft vergrößert sich daraufhin auf einen durch die zugrundeliegende Physik klar definierten Wert. Sterne in diesem Stadium können daher zur Entfernungsbestimmung genutzt werden. Die Vorteile dieser Methode: Da es sich um alte Sterne handelt, finden sie sich in den Außenbereichen von Galaxien, in denen man deutlich weniger Probleme mit der Verdunkelung durch Staub und Störung durch anderen Sterne hat als in der unübersichtlichen galaktischen Scheibe. Außerdem gibt es diese Sterne in großer Zahl, so dass es erheblich einfacher ist, Galaxien zu finden, in denen man sie zusammen mit den seltenen Supernovae beobachten kann, um „auf die nächste Sprosse“ zu gelangen. Freedman und ihre Kollegen nutzten diese Methode („Tip of the Red Giant Branch“ – TRGB) zur Bestimmung von H0. Ihr Ergebnis: 69,8 – genau zwischen dem kosmologischen und dem Cepheiden-Wert, vereinbar mit beiden! Die Auflösung der Krise also?

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Verwirrung um neue Methode

Die Aufregung unter den Kosmologen war groß. Insbesondere Adam Riess, der seit Jahrzehnten an der Cepheiden-Methode gearbeitet hat, machte keinen Hehl aus seiner Skepsis. Seine Vermutung: Bei der TRGB-Methode sei etwas bei der Kalibrierung schiefgelaufen, die Freedman und ihre Kollegen in der Großen Magellanschen Wolke vorgenommen hatten. Der Effekt des dort zu findenden Staubes sei falsch berücksichtigt worden. Freedman wiederum spekulierte, dass Riess’ Cepheiden-Beobachtungen bei großen Distanzen, dort also, wo die Beobachtungen keine hohe räumliche Auflösung mehr besitzen und sich viele Quellen auf einer sehr kleinen Himmelsfläche befinden, unter Fehlern in der Auswertung litten, denn nur dort würden die Cepheiden andere Entfernungen als die TRGB-Methode zeigen: „Bis zu einer bestimmten Entfernung funktionieren sie. Erst wenn wir zum Supernova-Sample kommen, sehen wir die Abweichung.“

Neben diesen beiden wurden auf dem Treffen aber noch weitere Messwerte der Hubble-Konstanten diskutiert, denen andere unabhängige Methoden zugrunde liegen: Die Messung mit Hilfe des Gravitationslinseneffekts, bei der nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie die Wirkung großer Massen auf das Licht ferner Quasare, extrem heller Galaxien, ausgewertet wird, liefert einen Wert von 73,3. Dieses aktuelle Ergebnis des Experiments „H0LiCOW“ wird dabei mit einer Unsicherheit von nur 2,4 Prozent beziffert – eine Stärkung also des Ergebnisses der Cepheiden-Messungen. Ein anderes Experiment, das die Strahlung weit entfernter Maser nutzt, präsentierte auf dem Treffen einen Wert 74,8. Weitere Methoden, wie die Abschätzung anhand von Gravitationswellen oder eine Entfernungsbestimmung anhand der Flächenhelligkeit von Galaxien, liefern ebenfalls Werte, die näher an dem der Cepheiden liegen, allerdings bislang noch mit deutlich höherer Unsicherheit. Ist die TRGB-Methode also doch noch fehlerbehaftet?

Reiss und seine Kollegen investierten seit dem Treffen im Juli viel Energie in den Versuch, Mängel in Freedmans Vorgehen aufzudecken. Zwei auf dem Preprint-Server arXiv publizierte Artikel widmeten sie seitdem dem Nachweis, dass die Kalibrierung der TRGB-Methode in der Großen Magellanschen Wolke falsch ist. Am vergangenen Wochenende kam nun in Chicago die Antwort des Freedman-Teams, vorgetragen von Barry Madore, Freedmans Ehemann: Drei unabhängige, zusätzliche Arten der Kalibrierung stützen ihre Analyse. Rote Riesen seien die besseren Entfernungsmesser, da ihre Physik sehr viel einfacher zu verstehen sei als die der Cepheiden. Währenddessen präsentierte das H0LiCOW-Projekt eine weitere Verbesserung ihrer Messung und damit wiederum eine Stärkung der Spannung zum kosmologischen Wert. Eine Lösung brachte das neue Treffen also (wie erwartet) nicht. Immerhin scheint klar, wann sich die Kontroverse um die neue Messung von Wendy Freedman spätestens auflösen wird: Wenn die europäische Gaia-Mission, die die Entfernungen zu einer Milliarde Sternen der Milchstraße mit unerreichter Präzision ermittelt, in zwei oder drei Jahren ihre finalen Messungen bekanntgibt, dann wird die Kalibrierung der Methoden unstrittig und einfach möglich sein. Bis dahin darf man sich aber wohl noch auf die eine oder andere Überraschung gefasst machen: Die Jagd auf den wahren Wert der Hubble-Konstanten war selten intensiver.

Quelle: F.A.Z.
Autorenbild/ Sybille Anderl
Sibylle Anderl
Redakteurin im Feuilleton, zuständig für das Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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