Das James-Webb-Weltraumteleskop hat die Expansionsrate des Universums gemessen, und die Ergebnisse sind keine gute Nachricht für die größte Krise der Kosmologie.
Der Befund steht im Einklang mit Messungen des Hubble-Weltraumteleskops. Das bedeutet, dass die Hubble-Daten keinen Fehler enthalten und wir uns immer noch in einer Sackgasse befinden.
Eine Meinungsverschiedenheit zwischen verschiedenen Messmethoden, bekannt als Hubble-Spannung, bleibt bestehen – daher müssen wir uns auf eine andere Methode verlassen, um herauszufinden, wie schnell sich unser Universum ausdehnt.
Das Universum um uns herum mag unveränderlich erscheinen, aber alles, was wir sehen, entfernt sich tatsächlich mit einer enormen Geschwindigkeit, die als Hubble-Konstante oder H0 bekannt ist. Es ist unklar, wie schnell H0 genau ist – da unterschiedliche Methoden der Messung unterschiedliche Ergebnisse liefern.
Eine Möglichkeit besteht darin, sich Relikte des frühen Universums anzusehen, wie zum Beispiel übrig gebliebenes Licht im kosmischen Mikrowellenhintergrund oder in der Zeit eingefrorene akustische Wellen.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Entfernungen zu Objekten mit bekannter intrinsischer Helligkeit zu messen, wie z. B. Supernovae vom Typ Ia oder veränderliche Sterne der Cepheiden, deren Licht mit einer Regelmäßigkeit schwankt, die mit ihrer intrinsischen Helligkeit zusammenhängt.
Die erste Methode ergibt tendenziell eine Expansionsrate von etwa 67 Kilometern pro Sekunde und Megaparsec. Die zweite, rund 73 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec. Die Diskrepanz zwischen beiden wird als Hubble-Spannung bezeichnet.
Diese Messungen wurden wiederholt durchgeführt, wodurch sich die Fehlerwahrscheinlichkeit bei jeder Schätzung drastisch verringerte. Dennoch besteht weiterhin die Möglichkeit, dass zumindest einige der Daten irreführend sind – insbesondere weil einige der besten Daten, die wir über Cepheid-Variablen haben, aus einer einzigen Quelle stammen, dem Hubble-Weltraumteleskop.
“[Cepheid variables] sind das Goldstandardwerkzeug zur Messung der Entfernungen von Galaxien, die hundert Millionen oder mehr Lichtjahre entfernt sind, ein entscheidender Schritt zur Bestimmung der Hubble-Konstante. Leider sind Sterne in Galaxien von unserem entfernten Standpunkt aus auf engstem Raum zusammengedrängt und daher fehlt uns oft die Auflösung, um sie von ihren Nachbarn in der Sichtlinie zu trennen“, erklärt der Astrophysiker Adam Riess vom Space Telescope Science Institute (STScI). und Johns Hopkins University.
„Ein Hauptgrund für den Bau des Hubble-Weltraumteleskops war die Lösung dieses Problems … Hubble hat eine bessere Auflösung im sichtbaren Wellenlängenbereich als jedes bodengestützte Teleskop, da es sich über den Unschärfeeffekten der Erdatmosphäre befindet. Dadurch kann es einzelne Cepheid-Variablen identifizieren.“ in Galaxien, die mehr als hundert Millionen Lichtjahre entfernt sind, und messen das Zeitintervall, über das sie ihre Helligkeit ändern.“
Um jeglichen Staub zu durchschneiden, der das Licht näher an der Optik verdeckt Diese Beobachtungen müssen im nahen Infrarot durchgeführt werden, einem Teil des elektromagnetischen Spektrums, in dem Hubble nicht besonders stark ist. Das bedeutet, dass es eine gewisse Unsicherheit über die erhaltenen Daten gab.
JWST hingegen ist ein leistungsstarkes Infrarot-Teleskop und die von ihm erfassten Daten unterliegen nicht denselben Einschränkungen.
Riess und sein Team richteten JWST zunächst auf eine Galaxie mit bekannter Entfernung, um das Teleskop auf die Leuchtkraft der Cepheid-Variablen zu kalibrieren. Anschließend beobachteten sie Cepheiden in anderen Galaxien. Insgesamt sammelte JWST Beobachtungen von 320 Cepheiden und reduzierte damit das in den Hubble-Beobachtungen festgestellte Rauschen drastisch.
Obwohl die Hubble-Daten so verrauscht sindDie Daten zur Entfernungsbestimmung stimmten noch mit den Beobachtungen des JWST überein. Das bedeutet, dass wir Berechnungen von H0 auf Basis von Hubble-Daten nicht ausschließen können; 73 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec bleiben vorerst bestehen, und menschliches Versagen kann – zumindest in diesem Fall – nicht für die Hubble-Spannung verantwortlich sein.
Wir wissen immer noch nicht, was die Spannung verursacht. Einer der Hauptkandidaten ist die Dunkle Energie – eine mysteriöse, unbekannte, aber scheinbar fundamentale Kraft, die offenbar einen negativen Druck ausübt, der die Expansion des Universums beschleunigt. Mit den neuen JWST-Messungen könnten wir einer Antwort vielleicht einen kleinen Schritt näher kommen.
„Da Webb die Messungen von Hubble bestätigt, liefern die Webb-Messungen den bisher stärksten Beweis dafür, dass systematische Fehler in der Cepheid-Photometrie von Hubble keine signifikante Rolle in der gegenwärtigen Hubble-Spannung spielen“, sagt Riess.
„Dadurch bleiben immer mehr interessante Möglichkeiten auf dem Tisch und das Geheimnis der Spannung vertieft sich.“
Die Ergebnisse wurden übernommen Das Astrophysikalische Journalund sind auf arXiv verfügbar.