Neuer Streit um die Weite des Alls - wissenschaft.de
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Neuer Streit um die Weite des Alls

Wie schnell dehnt sich das Universum wirklich aus? Letztes Jahr schien ein langer Streit beigelegt. Doch nun bringen die „jungen Wilden“ alles wieder durcheinander. Die kosmische Entfernungsleiter, mit der Astronomen Distanzen im All vermessen, wackelt. Muß ihre erste „Sprosse“, der Abstand zu unserer Nachbargalaxie, drastisch versetzt werden?

E ine Gruppe junger Wilder mischt die Vorstellungen der alteingesessenen Astronomen mit neuen Methoden und Resultaten zur Zeit gehörig auf. Verblüffend ist, daß es dabei um die Verhältnisse vor unserer kosmischen Haustür geht: Unsere Nachbargalaxie, die nur von der irdischen Südhalbkugel aus sichtbare Große Magellansche Wolke (abgekürzt LMC, Large Magellanic Cloud), scheint der Milchstraße Tausende von Lichtjahren näher zu stehen als bislang angenommen. Das grenzt für manche Forscher an Ketzerei. Denn LMC ist gleichsam die erste Sprosse einer kosmischen Entfernungsleiter – einer Abfolge von aufeinander aufbauenden Meßmethoden, mit denen Astronomen sich bis an den Rand des beobachtbaren Universums vortasten. Und von dieser Skala hängt nicht nur die Größe des Weltraums ab, sondern auch seine Ausdehnungsrate, sein Alter seit dem Urknall und seine Zukunft.

„Die Folgen der Meßunsicherheiten sind enorm“, sagt Barry Madore vom California Institute of Technology. Er ist Mitglied im Schlüsselprojekt des Hubble-Weltraumteleskops (HST) zur Bestimmung der Hubble-Konstante. Diese von dem amerikanischen Astronomen Edwin Hubble 1929 eingeführt Größe beschreibt, wie schnell sich der Raum zwischen den Galaxien und Galaxienhaufen heute ausdehnt. Der gemessene Zahlenwert – angegeben in Kilometer pro Sekunde und Megaparsec (1 Megaparsec = 3,26 Millionen Lichtjahre) – schwankte vor dem Start des Weltraumteleskops 1990 um den Faktor 2 – nämlich zwischen 50 und 100. Mittlerweile wollen die 27 Astronomen des HST-Schlüsselprojekts die Hubble-Konstante auf einen Meßfehler von zehn Prozent eingegrenzt haben (bild der wissenschaft 9/1999, „Im All herrscht Tempo 70″). „Der beste aktuelle Wert liegt zwischen 65 und 75″, sagt Wendy Freedman von den Carnegie Observatories im kalifornischen Pasadena, die das Projekt leitet. „Die Diskrepanzen zu den Daten von Tammann und seinen Mitarbeitern sind nun geringer als jemals zuvor.“ Gustav A. Tammann von der Universität Basel, der gemeinsam mit Edwin Hubbles Nachfolger Alan Sandage seit Jahrzehnten dem Wert der Hubble-Konstante nachspürt, stimmt zu – obwohl seine neueste Arbeit noch immer einen niedrigeren Zahlenwert favorisiert: 59. „Mit 65 ist aber niemand todunglücklich.“ Um so ärgerlicher wird er indes, wenn ein bestimmter Typ von Sternen als Methode zur kosmischen Entfer-nungsbestimmung zur Sprache kommt: die „Roten Klumpenriesen“. „Ich halte gar nichts davon. Der Ansatz ist zwar plausibel, aber bislang ist er ins Auge gegangen.“ Krzysztof Stanek vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts, sieht das ganz anders: „Die Helligkeit von Roten Klumpenriesen kann sehr verläßlich bestimmt werden. Das macht sie zu exzellenten Referenzobjekten, um Entfernungen im Weltraum zu markieren.“

Ihren Namen haben sie erhalten, weil sie sich in einem engen Bereich („Klumpen“) im sogenannten Hertzsprung-Russell-Diagramm konzentrieren. Dieses Schema ordnet alle Sterne einerseits nach ihrer Spektralfarbe beziehungsweise Temperatur, andererseits nach ihrer Größe beziehungsweise entfernungsunabhängigen Leuchtkraft. Damit lassen sich die Sterne klassifizieren und obendrein in ihrem Entwicklungsstand charakterisieren. Klumpenriesen haben eine mit unserer Sonne vergleichbare Masse. Doch der Wasserstoff in ihrem Zentrum ist bereits verbraucht, und ihre Energie gewinnen sie durch die Kernverschmelzung von Helium zu schwereren Elementen. Das heizt ihr Inneres auf, weshalb sie viel größer sind als sonnenähnliche Sterne. 1994 hatte Stanek begonnen, mit den Klumpenriesen Distanzen zu messen und den Aufbau der Milchstraße zu erforschen. „Ich habe mich wirklich aufgeregt, als 1997 die Hipparcos-Daten veröffentlicht wurden“, erinnert sich der junge, aus Polen stammende Wissenschaftler. Der europäische Satellit Hipparcos hat die Position von 120000 Sternen in der Sonnenumgebung mit einer bislang unerreichten Genauigkeit vermessen (bild der wissenschaft 1/1999, „Der Sternvermesser“). Darunter waren auch rund 1000 Klumpensterne.

Peter Garnavich vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics erklärt: „Die Hipparcos-Messungen machen die Klumpenriesen zu den am besten geeichten Entfernungsindikatoren.“ Das liegt an ihrer konstanten Helligkeit. Hinzu kommt die große Häufigkeit der Klumpenriesen – 15 Prozent aller mit bloßem Auge sichtbaren Sterne gehören zu diesem Typ. „Sie sind nach meiner Meinung zur Zeit die am besten geeichte und verstandene Methode zur Entfernungsmessung galaktischer Objekte und naher Galaxien“, stimmt An-drzej Udalski vom Observatorium der Universität Warschau zu. Stanek, Udalski, Garnavich und andere haben mit Teleskopen am Las Campanas Observatory in Chile und mit dem Hubble-Weltraumteleskop die Helligkeiten mehrerer tausend Roter Klumpenriesen präzise gemessen. Ergebnis: Die Kleine und Große Magellansche Wolke offenbarten überraschend niedrige Werte: 182000 beziehungsweise 145000 Lichtjahre. Insbesondere die Distanz zur LMC sorgt für Unruhe unter den Astronomen. Darüber wird seit Jahren gestritten, und noch immer divergieren die Resultate der verschiedenen Methoden um mehr als 20 Prozent. 1992 versuchten Madore und Freedman sich mit einem Befreiungsschlag vorübergehend Luft zu verschaffen: Sie legten den Nullpunkt auf 163300 Lichtjahre fest. Madore: „Wird der geändert, ändert sich alles andere auch.“ Dieser Nullpunkt basiert insbesondere auf der Cepheiden-Methode. Cepheiden – benannt nach ihrem Prototyp Delta Cephei – sind instabile alte Sterne, die sich periodisch zusammenziehen und wieder ausdehnen. Dabei variiert ihre Helligkeit mit der Präzision eines Uhrwerks. 1910 entdeckte Henrietta Leavitt am Harvard-Observatorium, daß langsamere Leuchtkraftschwankungen mit einer größeren absoluten – entfernungsunabhängigen – Helligkeit einhergehen. Diese sogenannte Periode-Leuchtkraft-Beziehung macht die Cepheiden – ihr bekanntester Vertreter ist der Polarstern im Kleinen Wagen – zu idealen Entfernungsindikatoren. Von zwei Cepheiden mit derselben Periode steht der hellere uns näher. Ist die absolute Entfernung einiger Cepheiden bekannt, läßt sich die Distanz einer anderen Galaxie bestimmen, sobald dort Cepheiden aufgespürt und ihre Periode-Leuchtkraft-Funktionen ermittelt werden können. Zwar hat Hipparcos einige Cepheiden-Distanzen genauer bestimmt als jemals zuvor, doch die Forscher sind sich nicht einig, wie typisch die Stichprobe war. Die Verwirrung ist insgesamt eher größer geworden. Michael Feast von der Universität Kapstadt favorisierte 1997 gar eine LMC-Entfernung von 179000 Lichtjahren.

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Im krassen Gegensatz dazu stehen die Klumpenriesen-Daten von Stanek und seinen Kollegen. Wenn sie recht haben, ist die LMC 10 bis 15 Prozent näher als Madore und Freedman angenommen haben. Das würde den Wert der Hubble-Konstante um 10 bis 15 Prozent erhöhen – im Extremfall auf über 80. So große Werte haben vor einigen Jahren schon einmal für Aufregung gesorgt, weil daraus ein jüngeres Alter des Universums folgt. Andererseits kann das Weltall nicht jünger sein als die ältesten Sterne. „Oft hören wir die Reaktion: Unsere Messungen könnten nicht stimmen, weil das Universum dann zu jung wäre“, sagt Stanek. „Aber Astronomen können Distanzen nur so sorgfältig bestimmen wie möglich, und dann muß man eben sehen, was sich daraus für kosmologische Konsequenzen ergeben.“ „Nach meiner momentan besten Schätzung sind die ältesten Kugelsternhaufen 12,6 plus/minus 1,7 Milliarden Jahre alt“, sagt Brian Chaboyer vom Dartmouth College im amerikanischen Hanover, einer der führenden Experten auf diesem Gebiet. Zu diesen 12,6 Milliarden Jahren müssen viele Millionen Jahre addiert werden, die notwendig waren, bis sich diese Sterne aus dem einst fast gleichmäßig verteilten Urgas zusammengeballt hatten. Das Universum ist also mindestens 11 Milliarden Jahre alt, am wahrscheinlichsten wohl 13 oder 14. Mit einer großen Hubble-Konstante könnte das Universum doch wieder jünger sein, als es die Sternphysik erlaubt. Wolfgang Priester von der Universität Bonn sieht hier kein Problem. Er hat schon vor Jahren darauf hingewiesen, daß dieser scheinbare Widerspruch verschwindet, wenn die Ausdehnung des Weltraums sich nicht verringert – wie es die Gravitationswirkung der Massen im All nahelegt –, sondern beschleunigt. Denn dann wirkt die Energie des Vakuums wie eine Antigravitation.

Tatsächlich haben inzwischen Messungen ferner Sternexplosionen diesen Beschleunigungs-Effekt der schon 1917 von Albert Einstein vorhergesagten Kosmologischen Konstante überzeugend bestätigt (bild der wissenschaft 6/1999, „Bis in alle Ewigkeit“). Sogar näher gelegene Sternexplosionen zeigen diesen Effekt, wie Gustav Tammann kürzlich entdeckt hat. Der entscheidende Punkt: Die Kosmologische Konstante vergrößert das Alter des Universums um eine Milliarde Jahre oder mehr, was dem drohenden Alters-Paradoxon seinen Stachel zieht . Tammann hält das Altersproblem deshalb für gelöst. Einerseits ist er glücklich darüber, verspürt aber auch „eine gewisse Enttäuschung: Die Spannung ist weg.“ Trotzdem ist eine genauere Bestimmung der Hubble-Konstante weiterhin dringend erforderlich – nicht nur, um das Alter des Universums zu berechnen, sondern auch, um die Dichte von Materie aus Neutronen und Protonen zu bestimmen. Denn die hängt vom Quadrat der Hubble-Konstante ab. Unabhängig vom Altersproblem paßt die mögliche Revision der LMC-Distanz vielen Kosmologen nicht ins Konzept. „Dies ist wohl der Hauptgrund für die Kritik“, vermutet Stanek. „Deshalb versuchen die Skeptiker, unsere Methode madig zu machen, indem sie von großen Fehlerquellen sprechen. Das ist menschlich, aber nicht sehr wissenschaftlich.“ Allerdings sind Zweifel an der Zuverlässigkeit der Roten Klumpenriesen keineswegs aus der Luft gegriffen. Umstritten ist nämlich, wie stark ihre Helligkeit von ihrem Alter und dem unterschiedlichen Gehalt schwererer Elemente abhängt. Außerdem beeinträchtigt der interstellare Staub zwischen ihnen und uns die Beobachtungen, was eine Korrektur der Messungen erforderlich macht. „Diese Probleme gelten auch für die Cepheiden. Verglichen damit können die Klumpenriesen aber viel genauer geeicht werden“, pariert Udalski, der hierzu gerade eine große Studie veröffentlicht hat. Stanek hat noch einen weiteren Trumpf: Er verweist auf die Spiralgalaxie M 106 (NGC 4258) im Sternbild Jagdhunde. Letztes Jahr hat ein Team um James R. Herrnstein vom National Radio Astronomy Observatory in New Mexico bei ihr die genaueste Galaxien-Entfernungsmessung aller Zeiten publiziert: 23,5 Millionen Lichtjahre. Das Erfolgsrezept beruht auf einer im Prinzip einfachen geometrischen Methode: Im Zentrum von M106 befindet sich ein riesiges Schwarzes Loch. Es wird von einer Scheibe aus Gas und Staub umkreist. Darin sind Wasserdampfwolken, die kohärente Mikrowellen aussenden – vergleichbar mit natürlichen Lasern, nur mit größeren Wellenlängen. Mit zehn über die ganze USA verteilten Radioteleskopen gelang es Herrnsteins Team, die Eigenbewegung der mit 1000 Kilometern pro Sekunde um das Schwarze Loch kreisenden Maser-Wolken zu bestimmen. Mit einfacher Trigonometrie ließ sich daraus die Entfernung von M 106 errechnen.

Das Ergebnis ist fünf Millionen Lichtjahre geringer als eine neue Distanzmessung von Wendy Freedmans Team mit der Cepheiden-Methode. Auch hier, so scheint es, greifen die Cepheiden um rund 15 Prozent zu weit. Eine prinzipielle Revision der Skala hält Freedman zwar für verfrüht, aber auch sie arbeitet an einer Verbesserung der Cepheiden-Eichung. Kris Stanek treibt derweil eine neue Methode voran: Doppelsterne, die einander umkreisen und sich dabei – von uns aus gesehen – wechselseitig bedekken, eröffnen neue Wege, die kosmischen Distanzen geometrisch zu messen. Unter dem bezeichnenden Namen „Project DIRECT“ will Stanek die Entfernung des Andromedanebels auf fünf Prozent Genauigkeit ermitteln. Damit ließen sich sowohl die Cepheiden- als auch die Klumpenriesen-Skala weiter präzisieren.

Rüdiger Vaas

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