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Universum dehnt sich schneller aus, als es theoretisch sollte | BR24

© Bayerischer Rundfunk

Fünf Quasare nutzten die Forscher, um mittels des Gravitationslinseneffekts die Ausdehnungsrate des Universums neu zu berechnen.

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Universum dehnt sich schneller aus, als es theoretisch sollte

Diese fünf Schmuckstücke im All haben einige Forscher fest im Blick - und dabei gibt es sie so gar nicht. Es sind Lichtbeugungen entfernter Galaxiekerne, die verraten, wie schnell sich das Weltall ausdehnt. Ergebnis: Viel schneller als gedacht!

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Am Anfang war es nichts, ein unendlich kleiner Punkt, dann kam vor knapp 14 Milliarden Jahren der Urknall und das Universum entstand. Und seither dehnt es sich aus, davon gehen Astrophysiker aus. Obwohl sie das ganze Universum natürlich nicht sehen können. Aber was sie beobachten können: Die Objekte, die wir untersuchen können, streben immer weiter auseinander. Je weiter sie entfernt sind, umso schneller.

Wie schnell dehnt sich das Universum aus?

Doch man weiß nicht genau, mit welcher Geschwindigkeit sich das Weltall ausdehnt. Danach forschen Astrophysiker seit Jahrzehnten mit unterschiedlichen Methoden, auf der Suche nach einem bestimmten Wert: der Hubble-Konstanten H0. Diese physikalische Konstante soll die Ausdehnungsrate des Universums angeben. Wie jede Konstante muss sie zunächst genau gemessen werden. Das ist aber gar nicht so einfach.

Denn um zu wissen, wie schnell sich ein Objekt von uns fort bewegt, müsste man ja zunächst wissen, wie weit es überhaupt entfernt ist. Hinfliegen und dabei die Entfernung messen, ist keine Lösung im Weltall: Schon der nächstgelegene Stern Proxima Centauri ist so weit von uns weg, dass wir das nicht schaffen: mehr als vier Lichtjahre oder über vierzig Billionen Kilometer.

Wie weit ist ein Objekt im All entfernt?

Was wir messen können ist, wie hell ein Objekt ist. Wenn Sie nachts zum Sternenhimmel schauen, dann sind auch die Sterne unterschiedlich hell. Aber helle Sterne sind nicht zwangsläufig besonders nah, dunklere nicht unbedingt weiter weg. Manche Sterne sind gigantische Sonnen, andere nur kleine Funzeln. Wenn Sie nachts auf der Landstraße ein schwaches Licht sehen, wissen Sie zunächst auch nicht, ob es sich dabei um die trübe Taschenlampe eines nahen Fußgängers oder den hellen Scheinwerfer eines weit entfernten Autos handelt. Doch im Weltall gibt es zum Glück ein paar Objekte, die Forschern beim Messen von Entfernungen helfen.

Entfernungsmarker im Universum

Eine Methode, um die Ausdehnung des Universums und damit die Hubble-Konstante zu messen, ist die Beobachtung von sogenannten Standardkerzen im Weltall. Stellen Sie sich eine 45-Watt-Glühbirne vor, die in einem ganz bestimmten Takt blinkt. Egal, wie weit sie weg ist, am Blinken werden Sie sie immer erkennen und ausrechnen können, wie weit sie weg sein muss, wenn ihr Licht gerade nur noch soundso stark ist. Im Weltall machen das Cepheiden-Sterne und Supernovae vom Typ 1A (auch: H0-Supernovae). Bei diesen wissen Astrophysiker genau, wie hell sie in absoluten Werten sind, und können damit auch große Entfernungen im Weltall sehr exakt vermessen.

Um die Hubble-Konstante zu bestimmen, haben Forscher in den vergangenen Jahren rund 600 Cepheiden und über 250 H0-Supernovae untersucht und kamen für die Ausdehnungsrate des Universums auf einen Wert von 73 Kilometern pro Sekunde und pro Megaparsec Entfernung (ein Parsec entspricht etwa 3,26 Lichtjahren, ein Megaparsec also 3,26 Millionen Lichtjahren). Das ist in Relation zur Entfernung sehr, sehr wenig - und daher eben so schwer zu messen. Deshalb kamen andere Untersuchungen auch zu anderen Werten.

Neue Studie mit völlig unabhängiger Methode

Forscher am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching bei München verfolgen zusammen mit der TU München und internationalen Partnern einen anderen Weg, der Hubble-Konstanten auf die Spur zu kommen: Sie nutzen die hochaufgelösten Bilder immer besserer Teleskope wie Hubble und "Weltraumlupen", mit denen sie sehr weit entfernte Objekte untersuchen. Denn: Je weiter sich ein Objekt befindet, umso schneller entfernt es sich. Dafür braucht es besonders helle Objekte: Quasare, extrem hell leuchtende, sternartige (quasi-stellare) Zentren von Galaxien.

Gravitationslinsen - die Weltraumlupen

Die Lupen, die die Astrophysiker nutzen, sind sogenannte Gravitationslinsen: andere Galaxien, die zwischen uns und den Quasaren liegen und mit ihrer Gravitationskraft das dahinterliegende Licht beugen - genau wie das Glas einer Lupe es tun würde. Zuviel Relativitätstheorie? Diese Animation macht sehr einfach verständlich, was da passiert:

Entfernung genau berechenbar

Das Licht des Quasars wird durch die vor ihm liegende Galaxie gebeugt oder auch vervielfacht, wie im Beispiel der Animation. Die Weltaumlupe davor ist aber nicht ganz exakt ausgerichtet, sondern "steht" vielleicht etwas schief, aus unserer Blickrichtung. Dadurch ist der Weg des Lichts unterschiedlich lang. Wenn nun die Leuchtstärke des Quasars schwankt - was sie immer wieder tut - flackern die vier verzerrten Abbildungen, die wir sehen können, zu unterschiedlichen Zeiten auf. Und: Erwischt! Damit können Astrophysiker den Abstand zum Quasar exakt berechnen.

Genau das machen die Garchinger Astrophysiker am MPI um die taiwanesische Forscherin Sherry Suyu nun seit einigen Jahren mit Hilfe von fünf Quasaren hinter Gravitationslinsen-Galaxien und konnten damit ihrerseits die Hubble-Konstante nach eigenen Angaben in bislang unbekannter Exaktheit vermessen: 73 Kilometer pro Sekunde und pro Megaparsec.

Das stimmt fast genau mit dem Wert überein, der durch die Vermessung von Cepheiden und Supernovae Typ 1A ermittelt wurde. Problem: Beide Werte weichen extrem von dem Wert ab, der aus den sehr alten Spuren des Universums erschlossen wurde.

Hubble-Konstante aus dem Hintergrundstrahlung des Urknalls

Es gibt gewissermaßen einen "Nachhall" des Urknalls: die Hintergrundstrahlung. Das ist Strahlung im Mikrowellenbereich, die relativ kurz nach dem Urknall entstand und heute noch vorhanden und messbar ist. Das Planck-Weltraumteleskop hat die Hintergrundstrahlung sehr genau vermessen und daraus ebenfalls die Hubble-Konstante errechnet. Der Planck-Wert der Ausdehnungsrate liegt nur bei 67 Kilometern pro Sekunde und Megaparsec - und passt viel besser zu allen bislang gültigen kosmologischen Theorien über die Entwicklung des Universums.

Wer liegt falsch? Keiner, so die Antwort der MPI-Forscherin Sherry Suyu. Es könnte ein grundlegender Unterschied zwischen frühem und spätem Universum vorherrschen, den man einfach noch nicht kenne:

"Wenn diese Ergebnisse nicht übereinstimmen, könnte das ein Hinweis darauf sein, dass wir noch nicht vollständig verstehen, wie sich Materie und Energie im Laufe der Zeit entwickelt haben, besonders in frühen Zeiten." Sherry Suyu, Leiterin des H0LiCOW-Teams am Max-Planck-Institut für Astrophysik.
© BR

Es gibt auch Zweifel an der These, dass sich das Universum schneller ausdehnt. Damit würde aber die dunkle Energie, die alles zusammenhält, nicht existieren. "Gut zu wissen" sucht nach Antworten und Erklärungen.