Das James-Webb-Teleskop könnte die Krise der Kosmologie endlich gelöst haben

Eine von der University of Chicago durchgeführte analytische Studie zur Messung der Expansionsrate des Universums kam zu dem Schluss, dass es möglicherweise keine „Hubble-Spannung“ gibt.

Die „Krise der Kosmologie“, die durch unterschiedliche Messungen der Ausdehnung des Universums ausgelöst wurde, könnte dank … kurz vor ihrer Lösung stehen. James Webb-WeltraumteleskopNeue von Wissenschaftlern analysierte Daten deuten darauf hin, dass die Hubble-Turbulenzen möglicherweise nicht so intensiv sind wie bisher angenommen. Dies könnte bedeuten, dass unser aktuelles Modell des Universums weiterhin korrekt ist.

Diskussion über die Expansionsrate des Universums

Wir wissen viel über unser Universum, aber Astronomen diskutieren immer noch darüber, wie schnell es sich ausdehnt. Tatsächlich haben die beiden Hauptmethoden zur Messung dieser Zahl – bekannt als Hubble-Konstante – in den letzten zwei Jahrzehnten unterschiedliche Antworten geliefert, was einige zu der Frage veranlasst, ob in unserem Modell der Funktionsweise des Universums etwas fehlt.

Neue Erkenntnisse vom James Webb-Weltraumteleskop

Doch neue Messungen des leistungsstarken James-Webb-Weltraumteleskops deuten darauf hin, dass es möglicherweise doch keinen Konflikt gibt, der auch als „Hubble-Spannung“ bekannt ist.

In einem Papier eingereicht bei Astrophysikalisches Journal, Universität von Chicago Die Kosmologin Wendy Friedman und ihre Kollegen analysierten die neuen Daten von NASAMit dem leistungsstarken James-Webb-Weltraumteleskop konnten Wissenschaftler die Entfernung zu zehn nahegelegenen Galaxien messen und außerdem einen neuen Wert für die aktuelle Expansionsrate des Universums ermitteln.

Gemessen mit 70 Kilometern pro Sekunde Megaparsecdie sich mit der anderen Hauptmethode der Hubble-Konstante überschneidet.

„Basierend auf diesen neuen Daten des James-Webb-Teleskops und unter Verwendung dreier unabhängiger Methoden finden wir keine eindeutigen Beweise für die Existenz der Hubble-Spannung“, sagte Friedman, ein renommierter Astronom und Professor für Astronomie und Astrophysik an der University of Chicago , unser kosmologisches Standardmodell zur Erklärung der Entwicklung des Universums, ist standhaft.“

Hubble-Stress?

Wir wissen seit 1929, dass sich das Universum mit der Zeit ausdehnt, als Edwin Hubble (Absolvent der University of Chicago 1910, Ph.D. 1917) Messungen an Sternen durchführte, die darauf hindeuteten, dass sich weiter von der Erde entfernte Galaxien schneller von der Erde entfernten als nahegelegene Galaxien . Aber es ist überraschend schwierig, eine genaue Zahl darüber anzugeben, wie schnell sich das Universum derzeit ausdehnt.

Diese als Hubble-Konstante bekannte Zahl ist für das Verständnis der Hintergrundgeschichte des Universums von entscheidender Bedeutung. Es ist ein grundlegender Teil unseres Modells, wie sich das Universum im Laufe der Zeit entwickelt.

„Die Bestätigung der Realität des Hubble-Konstantensors wird erhebliche Konsequenzen für die Grundlagenphysik und die moderne Kosmologie haben“, erklärte Friedman.

Verschiedene Messmethoden

Angesichts der Bedeutung und Schwierigkeit dieser Messungen testen Wissenschaftler sie auf unterschiedliche Weise, um sicherzustellen, dass sie so genau wie möglich sind.

Ein wichtiger Ansatz besteht darin, das Restlicht aus dem Kielwasser zu untersuchen Urknallbekannt als kosmischer Mikrowellenhintergrund. Die derzeit beste Schätzung der Hubble-Konstante mit dieser Methode, die sehr genau ist, beträgt 67,4 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec.

Die zweite Hauptmethode, auf die sich Friedman spezialisiert hat, besteht darin, die Ausdehnung von Galaxien in unserer lokalen kosmischen Nachbarschaft direkt zu messen, indem wir Sterne verwenden, deren Helligkeit wir kennen. So wie Autolichter in größerer Entfernung schwächer erscheinen, erscheinen Sterne in immer größerer Entfernung schwächer. Indem wir die Entfernungen und Geschwindigkeiten messen, mit denen sich Galaxien von uns entfernen, können wir daraus schließen, wie schnell sich das Universum ausdehnt.

In der Vergangenheit haben auf diese Weise durchgeführte Messungen einen höheren Wert für die Hubble-Konstante ergeben – näher bei 74 Kilometern pro Sekunde und Megaparsec.

Hubble-Spannungsrätsel

Dieser Unterschied ist so groß, dass einige Wissenschaftler spekulieren, dass in unserem Standardmodell der Entwicklung des Universums möglicherweise etwas Wichtiges fehlt. Da sich beispielsweise eine Methode mit den Anfängen des Universums und die andere mit der aktuellen Ära befasst, könnte sich im Laufe der Zeit etwas Großes im Universum verändert haben. Diese scheinbare Diskrepanz ist als „Hubble-Spannung“ bekannt geworden.

Betreten Sie das James Webb-Weltraumteleskop

Das James Webb Space Telescope (JWST) bietet der Menschheit ein leistungsstarkes neues Werkzeug für den Blick tief in den Weltraum. Als Nachfolger des Hubble-Teleskops im Jahr 2021 gestartet, hat es atemberaubend scharfe Bilder aufgenommen, neue Aspekte ferner Welten enthüllt, beispiellose Daten gesammelt und neue Fenster zum Universum geöffnet.

Friedman und ihre Kollegen nutzten das Teleskop, um Messungen an zehn nahegelegenen Galaxien durchzuführen, die die Grundlage für die Messung der Expansionsrate des Universums bilden.

Um ihre Ergebnisse zu überprüfen, verwendeten sie drei unabhängige Methoden. Die erste Methode verwendet einen Sterntyp, der als Cepheiden-Variablenstern bekannt ist und dessen Helligkeit sich im Laufe der Zeit vorhersehbar ändert. Die zweite Methode ist als „Spitze des Roten Riesenzweigs“ bekannt und nutzt die Tatsache, dass massearme Sterne eine feste Obergrenze ihrer Helligkeit erreichen. Die dritte und neueste Methode verwendet eine Art Stern namens Kohlenstoffsterne, der im nahen Infrarotlichtspektrum konstante Farben und Helligkeit aufweist. Die neue Analyse ist die erste, die alle drei Methoden gleichzeitig in denselben Galaxien verwendet.

Neubewertung der Hubble-Konstante

In jedem Fall lagen die Werte innerhalb der Fehlergrenze des durch die Methode des kosmischen Mikrowellenhintergrunds ermittelten Wertes von 67,4 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec.

„Eine gute Übereinstimmung von drei sehr unterschiedlichen Arten von Sternen ist für uns ein starker Indikator dafür, dass wir auf dem richtigen Weg sind“, sagte Friedman.

„Zukünftige Beobachtungen mit dem James-Webb-Teleskop werden entscheidend sein, um den Hubble-Tensor zu bestätigen oder zu widerlegen und die Auswirkungen auf die Kosmologie abzuschätzen“, sagte der Co-Autor der Studie, Barry Madore von der University of British Columbia. Carnegie-Stiftung für Wissenschaft und Gastdozent an der University of Chicago.

Referenz: „Chicago-Carnegie Hubble Program (CCHP) Status Report: Three Independent Astrophysical Estimates of the Hubble Constant Using the James Webb Space Telescope“ von Wendy L. Friedman und Barry F. Madore, In-Sung Jang und Taylor J. Hoyt und Abigail J. Lee und Kayla A. Owens, 12. August 2024, Astrophysik > Kosmologie und nichtgalaktische Astrophysik.
arXiv:2408.06153

Weitere Co-Autoren dieses Artikels waren der UChicago-Forscher In Sung Jang, Taylor Hoyt (Ph.D. ’22, jetzt am Lawrence Berkeley National Laboratory) und die UChicago-Doktoranden Kayla Owens und Abby Lee.

Finanzierung: NASA.