Was ist die Hubble-Konstante?
Die Hubble-Konstante ist die Maßeinheit, mit der die Expansion des Universums beschrieben wird. Seit der Urknall vor etwa 13,82 Milliarden Jahren das Wachstum in Gang gesetzt hat, wird der Kosmos immer größer. Tatsächlich beschleunigt sich das Universum immer schneller, je größer es wird.
Interessant an der Expansion ist nicht nur die Geschwindigkeit, sondern auch die Auswirkungen, so die NASA. Wenn sich die Expansion verlangsamt, impliziert das, dass es etwas im Universum gibt, das das Wachstum verlangsamt – vielleicht dunkle Materie, die mit herkömmlichen Instrumenten nicht erfasst werden kann. Wenn sich das Wachstum jedoch beschleunigt, ist es möglich, dass die dunkle Energie die Expansion schneller vorantreibt.
Am Januar 2018 zeigten Messungen von mehreren Teleskopen, dass die Expansionsrate des Universums unterschiedlich ist, je nachdem, wohin man schaut. Das nahe Universum (gemessen mit dem Hubble-Weltraumteleskop und dem Gaia-Weltraumteleskop) hat eine Expansionsrate von 45,6 Meilen pro Sekunde (73,5 Kilometer pro Sekunde) pro Megaparsec, während das weiter entfernte Hintergrunduniversum (gemessen mit dem Planck-Teleskop) etwas langsamer ist und mit 41,6 Meilen pro Sekunde (67 km pro Sekunde) pro Megaparsec expandiert. Ein Megaparsec ist eine Million Parsec, oder etwa 3,3 Millionen Lichtjahre, also ist dies fast unvorstellbar schnell.
Entdeckung durch Hubble
Die Konstante wurde erstmals von Edwin Hubble (dem Namensgeber des Hubble-Weltraumteleskops) vorgeschlagen. Hubble war ein amerikanischer Astronom, der Galaxien untersuchte, insbesondere solche, die weit von uns entfernt sind.
Im Jahr 1929 – basierend auf einer Erkenntnis des Astronomen Harlow Shapley, dass sich Galaxien scheinbar von der Milchstraße wegbewegen – fand Hubble laut NASA heraus, dass sie sich umso schneller zu bewegen scheinen, je weiter diese Galaxien von der Erde entfernt sind.
Während die Wissenschaftler damals das Phänomen als sich voneinander entfernende Galaxien verstanden, wissen die Astronomen heute, dass das, was tatsächlich beobachtet wird, die Expansion des Universums ist. Egal, wo man sich im Kosmos befindet, würde man dasselbe Phänomen mit derselben Geschwindigkeit beobachten.
Hubbles ursprüngliche Berechnungen wurden im Laufe der Jahre verfeinert, da immer empfindlichere Teleskope für die Messungen eingesetzt wurden, darunter Hubble und Gaia (das eine Art veränderlicher Sterne, die sogenannten Cepheiden, untersuchte) und andere Teleskope, die die Konstante anhand von Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds extrapolierten – einer konstanten Hintergrundtemperatur im Universum, die manchmal als „Nachglühen“ des Urknalls bezeichnet wird.
Cepheide Veränderliche
Es gibt viele Arten von veränderlichen Sternen, aber derjenige, der für die Messung der Hubble-Konstante am nützlichsten ist, wird Cepheide Veränderliche genannt. Dabei handelt es sich um Sterne, die ihre Leuchtkraft regelmäßig auf einer Skala ändern, die normalerweise zwischen 1 und 100 Tagen liegt (Polaris gehört zu den berühmtesten Mitgliedern dieser Gruppe). Astronomen nehmen Entfernungsmessungen von diesen Sternen vor, indem sie die Variabilität ihrer Leuchtkraft messen.
Je heller der Cepheid von der Erde aus erscheint, desto einfacher ist es, ihn zu messen. Einige Cepheiden können von der Erde aus gesehen werden, aber für genauere Messungen ist es am besten, ins Weltall zu fliegen.
Während Edwin Hubble in der Lage war, Cepheiden in einer Entfernung von etwa 900.000 Lichtjahren zu messen – eine erstaunliche Entfernung für die damalige Zeit – ist das Universum noch relativ nah an der Erde. Weiter im Weltraum sind die Cepheiden schwächer und ziehen sich schneller zurück, hier konnte das Hubble Space Telescope in den 1990er Jahren nach seinem Start helfen. Im Jahr 2013 startete das Weltraumteleskop Gaia, um die Positionen und Helligkeiten von etwa 1 Milliarde Sternen genau zu kartieren. Seine Datenveröffentlichungen haben auch bei der Verfeinerung der Hubble-Konstante geholfen.
Cepheiden sind jedoch nicht perfekt für die Messung kosmischer Entfernungen. Neben anderen Schwierigkeiten befinden sie sich oft in staubigen Gebieten (die einige Wellenlängen auf Fotos verdecken) und die weiter entfernten sind schwer zu erkennen, weil sie aus unserer Perspektive so schwach sind.
Andere Techniken entstanden, um Cepheiden-Messungen zu ergänzen, wie die Tully-Fisher-Relation, die eine Korrelation zwischen der Leuchtkraft einer Spiralgalaxie und ihrer Rotationsgeschwindigkeit ist, so Shoko Sakai, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am National Optical Astronomical Observatory. „Die Idee ist, dass die Galaxie umso schneller rotiert, je größer sie ist“, schreibt er. „Das bedeutet, wenn man die Rotationsgeschwindigkeit der Spiralgalaxie kennt, kann man mit Hilfe dieser Tully-Fisher-Relation ihre intrinsische Helligkeit bestimmen (also wie hell die Galaxie wirklich ist). Indem man die intrinsische Helligkeit mit der scheinbaren Helligkeit vergleicht (was man tatsächlich beobachtet – denn je weiter die Galaxie entfernt ist, desto schwächer „erscheint“ sie), kann man ihre Entfernung berechnen.“
Teleskope, die den kosmischen Mikrowellenhintergrund messen – wie Planck – verwenden eine andere Technik, die Fluktuationen im kosmischen Mikrowellenhintergrund untersucht, um die Konstante zu bestimmen.