Wie schnell expandiert das All?

Seit sie existiert, macht sie Ärger – die Hubble-Konstante, von Kosmologen kurz H0 genannt. Sie bezeichnet die heutige Expansionsrate des Weltraums und wurde bereits 1929 von dem amerikanischen Astronomen Edwin P. Hubble definiert. Er hatte mit seinem Assistenten Milton Humason entdeckt, dass sich fast alle Galaxien voneinander entfernen – und zwar umso schneller, je größer ihre Distanz ist. Dies gilt als Indiz für die Ausdehnung des Weltraums – eine verblüffende Konsequenz aus der Allgemeinen Relativitätstheorie, die Albert Einstein zunächst nicht wahrhaben wollte, die aber von Kosmologen wie Willem de Sitter, Alexander Friedmann und Georges Lemaître noch vor Hubbles Entdeckung vorausgesagt worden war.

Unser Universum ist vor vielen Jahrmilliarden mit einem Urknall entstanden und expandiert seither. Aber nicht in einen Umgebungsraum hinein, sondern gleichsam innerlich: Die Abstände zwischen den Galaxienhaufen vergrößern sich. Das ist, als würde ein gigantisches Meterband aus Gummi fortwährend auseinandergezogen.

Hubble für Hubble

Die kosmische Expansion gilt seit Langem als wissenschaftliche Tatsache. Umstritten hingegen ist, wie schnell sie verläuft. Über den Wert der heutigen Ausdehnungsrate H0 gab es jahrzehntelang heftige Kontroversen. Das war keine astronomische „Erbsenzählerei“ , denn er hat eine geradezu kosmische Bedeutung: Von H0 hängen das Alter und die Zusammensetzung unseres Universums ab. Die Hubble-Konstante zu bestimmen, war einer der Hauptgründe für den Bau des ebenfalls nach dem Astronomen benannten, Milliarden Dollar teuren Hubble-Weltraumteleskops. Mit seiner Hilfe sowie mit weiteren Teleskopen ist es erst in den letzten Jahren gelungen, H0 zuverlässig einzugrenzen – dank verschiedener Methoden, etwa der präzisen Helligkeitsmessungen von Sternexplosionen (Supernovae) und den Cepheiden, einer speziellen Klasse variabler Sterne.

Der Wert wurde auf etwa 74 plus/minus 2 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec bestimmt. Demzufolge dehnt sich eine Strecke von einem Megaparsec (das sind 3,26 Millionen Lichtjahre) um 74 Kilometer pro Sekunde aus – jedenfalls in den Leerräumen zwischen den Galaxienhaufen, wo es praktisch keine störenden Schwerkrafteinflüsse mehr gibt.

Unabhängig von den Messungen der Dynamik unserer weiträumigen kosmischen Umgebung lässt sich H0 auch indirekt erschließen: aus den Temperaturschwankungen der Kosmischen Hintergrundstrahlung. Dieses „erste Licht“ nach dem Urknall durchflutet noch immer den Raum; und aus den winzigen Variationen dieser Mikrowellenstrahlung lässt sich H0 gleichsam geometrisch errechnen.

Das brachte im Frühjahr eine große Überraschung: Die Daten der europäischen Raumsonde Planck, die die Hintergrundstrahlung so präzise vermessen hat wie niemals zuvor, passen nicht zum etablierten Wert (siehe bild der wissenschaft 9/2013, „Der Himmels-Code“). Vielmehr ergaben sie 67,8 plus/minus 0,8, wenn man zusätzliche Messungen berücksichtigt, oder etwas unsicherere 67,4 plus/minus 1,4 für die Planck-Daten allein. Besonders irritiert die Forscher, dass sich bei den H0-Werten nicht einmal die Fehlerbalken überlappen (siehe Grafik „Kontroverse Konstante“ auf der Seite gegenüber).

Freilich sind die Bestimmungsmethoden für H0 sehr unterschiedlich. Plancks Datenbasis beruht auf den Eigenschaften des frühen Universums, während die anderen Messungen das heutige Weltall untersuchen. Dennoch sollten die Werte zueinander passen. Bei den direkten Messungen kommt jedoch erschwerend hinzu, was die Kosmologen manchmal „Gastrophysik“ nennen – zusammengesetzt aus den Begriffen „Galaxien“ und „Astrophysik“. Die Eigenbewegungen der Galaxien sowie die individuell verschiedenen Entwicklungen und Zusammensetzungen der Sterne und Galaxien erzeugen nämlich diverse Unsicherheiten, von denen sich viele oft nur schwer abschätzen lassen. Und „Gastro-“ hat noch eine hintersinnige Nebenbedeutung, die sich vom griechischen Wort „ gaster“ für „Magen“ ableitet.

Tatsächlich liegt Plancks Wert von H0 Kosmologen und Astronomen gleichermaßen schwer im Magen und sorgt für heftiges Rumoren zwischen den Fachbereichen. Denn die Diskrepanz scheint auf systematische Fehler zu verweisen. Allerdings sind die (G)Astronomen nicht bereit, ohne Weiteres nachzubessern. Gingen die Fehler hingegen auf Planck zurück, gäbe es womöglich Spannungen im kosmologischen Standardmodell, LCDM genannt. CDM steht dabei für Kalte Dunkle Materie (cold dark matter) – vermutlich unbekannte Elementarteilchen, die zusammen sechsmal so viel Masse haben wie die sichtbare normale Materie (bild der wissenschaft 12/2011, „Dunkle Materie“). Und fast 70 Prozent der Gesamtenergie des Alls werden von der „Dunklen Energie“ geliefert, für die Albert Einsteins Kosmologische Konstante Lambda (L) in der Allgemeinen Relativitätstheorie die einfachste Erklärung wäre – aber immer noch äußerst bizarr (bild der wissenschaft 4/2010, „Dunkle Energie“).

Kosmologische Korrektur?

Rechnet man mit H0 innerhalb der Fehlergrenzen des SH0ES-Projekts, wären Korrekturen im Planck-LCDM-Modell nötig. SH0ES (Supernovae and H0 for the Equation of State) ist eine der besten aktuellen astronomischen Messkampagnen für H0 und L. Geleitet wird sie von dem Physik-Nobelpreisträger Adam Riess. Stimmt der aktuelle SH0ES-Wert, dann wäre die Dichte der Materie kleiner und die der Dunklen Energie größer. Das würde auch besser zum WMAP-LCDM-Modell der Raumsonde WMAP passen, die vor Planck die genauesten Messungen der Hintergrundstrahlung gemacht hatte.

Den WMAP-Daten zufolge sollte es etwas mehr Dunkle Energie und etwas weniger normale und Dunkle Materie im All geben. Daraus errechnete sich ein Alter des Universums – das nicht nur von H0 abhängt, sondern unter anderem auch von L – von 13,7 Milliarden Jahren. Plancks Daten zufolge liegt der Urknall noch etwas länger zurück: 13,8 Milliarden Jahre mit einer Ungenauigkeit von nur plus/minus 50 Millionen Jahren. Das ist eine Präzision, die noch vor zwei Jahrzehnten den Fachleuten utopisch erschien. Damals wurden 11 bis über 30 Milliarden Jahre als Weltalter diskutiert.

Falls die H0-Diskrepanz bleibt, könnte das neue kosmologische Einsichten eröffnen. Vielleicht ist die Auswirkung der Dunklen Energie, die dann keine Kosmologische Konstante sein könnte, komplizierter als gedacht, spekuliert Planck-Teammitglied Martin White von der University of California in Berkeley: „Das wäre ziemlich radikal, aber auch ziemlich aufregend.“ Es würde das LCDM-Modell sprengen und zusätzliche kosmologische Parameter erfordern – also ganz neue, noch unbekannte physikalische Größen.

Wendy Freedman, Direktorin der Carnegie Observatories, die das Hubble Space Telescope Key Project zur Bestimmung der Hubble-Konstante geleitet hatte, sieht die Lage entspannter. „So groß ist die Diskrepanz auch wieder nicht – vor allem im historischen Rückblick –, und kein Grund, neue physikalische Effekte zu fordern“, sagte sie auf der Planck-Konferenz im holländischen Noordwijk.

Kurz vor dem Start des Hubble-Teleskops schwankten die Werte noch zwischen 30 und 110. Edwin Hubble selbst favorisierte zunächst sogar 500, was einem Weltalter von weniger als zwei Milliarden Jahren entsprochen hätte – wobei schon damals bekannt war, dass die Erde viel älter ist. Wendy Freedman ist zuversichtlich: „Viele weitere Messungen laufen bereits oder sind geplant, und die Genauigkeit wird immer besser.“ ■

von Rüdiger Vaas