Astronomen sind völlig verwirrt: Das Universum expandiert anders als gedacht – und das stellt die Physik auf den Kopf

Warum Astronomen gerade völlig verwirrt sind: Das Universum macht nicht das, was es soll

Wisst ihr, was richtig nervig ist? Wenn man jahrelang denkt, man hätte etwas verstanden, und dann kommt die Realität und sagt: „Nope, versuch’s nochmal.“ Genau das passiert gerade den schlauesten Köpfen der Astronomie mit der Hubble-Konstante, dem James Webb Space Telescope und dem guten alten Hubble Teleskop, und es ist ehrlich gesagt ziemlich spektakulär.

Das James Webb Space Telescope und Hubble haben zusammen etwas gemessen, das Wissenschaftler weltweit die Haare raufen lässt. Die Hubble-Konstante – also die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt – zeigt Werte von etwa 73 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec. Das Problem? Unsere besten theoretischen Modelle der Planck-Kollaboration sagen etwas völlig anderes voraus: etwa 67,4 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec.

Klingt langweilig? Ist es nicht. Das ist, als würde man jahrelang mit seinem Tacho 100 km/h messen und plötzlich zeigt ein neues, super-präzises Gerät 110 km/h an. Nur dass es hier nicht um Autos geht, sondern um das gesamte Universum.

Die Hubble-Spannung: Wenn das Universum trollt

Diese Diskrepanz hat einen Namen bekommen, der klingt wie ein schlechter Superhelden-Film: die „Hubble-Spannung“. Aber keine Sorge, das Universum hat keinen Nervenzusammenbruch. Es zeigt uns nur, dass wir noch lange nicht so schlau sind, wie wir dachten.

Die Hubble-Konstante ist quasi der Puls des Universums. Sie verrät uns, wie schnell sich der Raum selbst ausdehnt. Denkt euch einen Luftballon vor, der aufgeblasen wird – die Hubble-Konstante wäre die Geschwindigkeit, mit der sich die Oberfläche vergrößert. Nur dass unser „Ballon“ das komplette beobachtbare Universum ist, was schon ziemlich krass ist.

Jahrzehntelang haben Astronomen verschiedene Methoden benutzt, um diese Konstante zu messen. Die eine Methode beobachtet explodierende Sterne in fernen Galaxien und nutzt spezielle Sterne namens Cepheiden als kosmische Maßstäbe. Die andere analysiert das Echo des Urknalls – die kosmische Hintergrundstrahlung, die uns die Planck-Satellitenmission geliefert hat. Beide Methoden sollten theoretisch dasselbe Ergebnis liefern. Tun sie aber nicht. Und das ist ein Problem.

Webb und Hubble: Die Detektive des Weltraums

Als das James Webb Space Telescope 2021 ins All geschossen wurde, hofften Wissenschaftler, es würde endlich Klarheit schaffen. Das Ding kann weiter und schärfer ins Universum blicken als jedes Teleskop zuvor. Seine Infrarot-Augen sehen durch kosmischen Staub und erkennen Details, die für andere Instrumente komplett unsichtbar sind.

Die Ergebnisse waren… nun ja, nicht das, was sich viele erhofft hatten. Statt die Diskrepanz zu beseitigen, bestätigte Webb die Messungen des Hubble-Teleskops. Adam Riess von der SH0ES-Kollaboration und sein Team veröffentlichten 2022 und 2023 Studien, die zeigen: Das Universum expandiert lokal tatsächlich mit etwa 73 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec – deutlich schneller als die 67,4 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec, die das kosmologische Standardmodell auf Basis der Planck-Daten vorhersagt.

Diese Bestätigung ist sowohl frustrierend als auch aufregend. Frustrierend, weil sie bedeutet, dass irgendwo ein fundamentaler Fehler in unserem Verständnis steckt. Aufregend, weil sie darauf hindeutet, dass wir vor einer großen Entdeckung stehen könnten.

Die mysteriösen Verdächtigen: Dunkle Materie und Dunkle Energie

Um zu verstehen, warum diese Messungen so wichtig sind, müssen wir über die seltsamsten Charaktere im kosmischen Drama sprechen: Dunkle Materie und Dunkle Energie. Diese beiden machen zusammen etwa 95 Prozent des Universums aus – und wir haben ehrlich gesagt keine Ahnung, was sie wirklich sind.

Dunkle Materie ist wie unsichtbarer Klebstoff, der Galaxien zusammenhält. Wir können sie nicht sehen, aber wir spüren ihre Gravitationskraft. Laut der Planck-Kollaboration macht sie etwa 27 Prozent der kosmischen Energiedichte aus. Dunkle Energie ist noch mysteriöser – sie macht 68 Prozent aus und treibt die beschleunigte Expansion des Universums an, als würde jemand ständig mehr Luft in unseren kosmischen Ballon pumpen.

Die Hubble-Spannung könnte ein Hinweis darauf sein, dass diese dunklen Komponenten komplexer sind als gedacht. Vielleicht verändert sich die Dunkle Energie mit der Zeit. Vielleicht gibt es zusätzliche Teilchen oder Kräfte, die wir noch nicht entdeckt haben. Oder vielleicht ist die Expansion des Universums nicht so gleichmäßig, wie wir angenommen haben.

Warum kleine Zahlen riesige Probleme bedeuten

Für Außenstehende mag der Unterschied zwischen 67,4 und 73 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec winzig erscheinen. In der Kosmologie ist das aber ein gigantischer Sprung. Es ist, als würde man herausfinden, dass die Erde nicht 365, sondern 400 Tage braucht, um die Sonne zu umkreisen – plötzlich würde nichts mehr stimmen.

Diese Diskrepanz hat weitreichende Konsequenzen für unser Verständnis des Universums. Sie beeinflusst, wie alt wir das Universum schätzen, wie groß es ist, und sogar, was in der Zukunft passieren wird. Wird das Universum ewig expandieren? Wird es sich irgendwann zusammenziehen? Die Antworten hängen von der genauen Expansionsrate ab.

Mit einer höheren Hubble-Konstante wäre das Universum jünger als die derzeit geschätzten 13,8 Milliarden Jahre. Mit einer niedrigeren wäre es älter. Das klingt vielleicht nach akademischem Kram, aber es verändert unsere gesamte Vorstellung davon, wie sich Sterne, Galaxien und letztendlich das Leben entwickelt haben.

Die Jagd nach neuer Physik

Die hartnäckige Hubble-Spannung deutet darauf hin, dass wir möglicherweise neue Physik brauchen, um das Universum zu verstehen. Das ist nicht das erste Mal in der Geschichte der Wissenschaft – und wird definitiv nicht das letzte Mal sein.

Denkt an Albert Einstein, der die Relativitätstheorie entwickelte, weil die klassische Physik bestimmte Beobachtungen nicht erklären konnte. Oder an die Quantenmechanik, die entstand, weil das Verhalten von Atomen völlig verrückt erschien. Jetzt stehen wir möglicherweise vor einem ähnlichen Moment in der Kosmologie.

Einige Wissenschaftler spekulieren über ziemlich wilde Lösungen:

• Frühe Dunkle Energie: Vielleicht gab es zusätzliche Energieformen im jungen Universum, die wir noch nicht verstehen
• Wechselwirkende Dunkle Materie: Möglicherweise verhält sich Dunkle Materie komplexer als gedacht und interagiert auf unbekannte Weise
• Zusätzliche Dimensionen: Vielleicht leckt Gravitationsenergie in verborgene Dimensionen, die wir nicht wahrnehmen können
• Lokale Inhomogenitäten: Möglicherweise sind unsere Grundannahmen über die Gleichmäßigkeit des Universums komplett falsch

Was Knox und Millea über die Hubble-Konstantenjagd sagen

Lloyd Knox und Marius Millea haben in ihrem Übersichtsartikel verschiedene Ansätze zur Lösung der Hubble-Spannung analysiert. Sie betonen, dass die Diskrepanz möglicherweise auf systematische Fehler in den Messungen zurückzuführen sein könnte – aber die Wahrscheinlichkeit dafür wird immer geringer, je mehr unabhängige Studien die Ergebnisse bestätigen.

Verde, Treu und Riess haben in ihrer umfassenden Analyse der „Spannungen zwischen dem frühen und späten Universum“ gezeigt, dass die Hubble-Konstante nur die Spitze des Eisbergs sein könnte. Es gibt weitere Inkonsistenzen zwischen verschiedenen kosmologischen Beobachtungen, die darauf hindeuten, dass unser Standardmodell möglicherweise grundlegend überarbeitet werden muss.

Die Zukunft der kosmischen Vermessung

Die Hubble-Spannung bedeutet eine aufregende Zeit für die Astronomie. Neue Teleskope und Instrumente werden entwickelt, um das Rätsel zu lösen. Das Vera Rubin Observatory und das Nancy Grace Roman Space Telescope werden in den kommenden Jahren noch präzisere Messungen durchführen und möglicherweise neue Hinweise liefern.

Gleichzeitig arbeiten Theoretiker daran, neue Modelle zu entwickeln, die die widersprüchlichen Beobachtungen erklären können. Es ist wie ein gigantisches Puzzle, bei dem wir gerade feststellen, dass einige Teile nicht passen – was bedeutet, dass das fertige Bild möglicherweise völlig anders aussieht als erwartet.

Die verschiedenen Forschungsgruppen verwenden immer raffiniertere Methoden, um systematische Fehler auszuschließen. Sie kalibrieren ihre Instrumente neu, verwenden verschiedene Arten von Standardkerzen und analysieren die Daten mit unterschiedlichen statistischen Methoden. Bisher haben alle diese Ansätze die Diskrepanz bestätigt.

Ein Universum voller Überraschungen

Die Geschichte der Astronomie ist voller Überraschungen, die unser Weltbild revolutioniert haben. Wir dachten, die Erde sei das Zentrum des Universums – komplett falsch. Wir dachten, das Universum sei statisch und unveränderlich – wieder falsch. Wir dachten, die Expansion würde sich verlangsamen – nope, sie beschleunigt sich sogar.

Die Hubble-Spannung könnte die nächste große Überraschung sein. Vielleicht expandiert das Universum nicht so gleichmäßig, wie wir angenommen haben. Vielleicht gibt es fundamentale Aspekte der Physik, die wir noch nicht verstehen. Oder vielleicht ist die Lösung überraschend einfach und wir übersehen sie momentan völlig.

Was auch immer die Antwort ist, sie wird unser Verständnis des Kosmos verändern. Und das ist das Schöne an der Wissenschaft: Sie bleibt nie stehen. Jede Antwort führt zu neuen Fragen, jede Entdeckung öffnet neue Türen zu noch größeren Mysterien.

Die Planck-Kollaboration hat uns mit ihren präzisen Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung eine Seite der Geschichte geliefert. Die SH0ES-Kollaboration um Adam Riess hat uns mit ihren lokalen Messungen eine andere Seite gezeigt. Beide Seiten sind wissenschaftlich fundiert und sorgfältig überprüft. Dass sie nicht übereinstimmen, ist das eigentliche Problem – und möglicherweise der Schlüssel zu einer neuen Physik.

Die Hubble-Spannung erinnert uns daran, dass das Universum ein seltsamer, wunderbarer und überraschender Ort ist. Wir mögen fortgeschrittene Teleskope und ausgeklügelte Theorien haben, aber der Kosmos hat offensichtlich noch viele Geheimnisse für uns bereit. Und mal ehrlich – wäre es nicht stinklangweilig, wenn wir schon alles wüssten? Das Universum hält uns auf Trab, und das ist verdammt aufregend.