Der Kosmos expandiert unverändert

NASA-Weltraumteleskop Chandra bestätigt aktuellen Wert der Hubble-Konstante

Die isotrope Fluchtbewegung der Galaxien manifestiert sich am deutlichsten in der so genannten Rotverschiebung, bei der das von fernen Galaxien zu uns kommende Licht infolge der Raumausdehnung auseinander gezogen wird. Kehrt man diese Bewegung im Gedankenexperiment um und lässt das Universum fiktiv kollabieren, endet alles in der Ur-Singularität aller Singularitäten: dem Urknall. Seitdem er die Welt in die Welt setzte, expandiert dieselbige mit einer Geschwindigkeit, über deren genauen Wert Kosmologen bis heute streiten. Jetzt haben NASA-Forscher mit dem Röntgenobservatorium Chandra – erstmals unabhängig von bisherigen Messmethoden – den alten Wert der so genannten Hubble-Konstante bestätigen können.

1923 gelang es Edwin Hubble, die von Immanuel Kant und Wilhelm Herschel postulierten „Welteninseln“, sprich die Galaxien des Kosmos, erstmals in Gestalt der Andromeda-Galaxie aufzulösen und den extragalaktischen Status der vermeintlichen nebelartigen Struktur anhand der Cepheiden-Variablen zu bestätigen sowie dessen Entfernung zur Erde zu messen.

Damit endete nicht nur eine jahrzehntelang währende Diskussion; innerhalb der Kosmologie begann zugleich auch ein neues Zeitalter. Was zuvor reine Spekulation gewesen war, etablierte sich in den astronomischen Lehrbüchern als „Island Universe Theory“. Dank der Erkenntnis, dass neben unserer Galaxis in der Weite des kosmischen Wüstenmeers noch unzählige andere galaktische Materieoasen drifteten, war nunmehr evident, dass das All viel größer sein musste als bislang angenommen.

Tanz der Galaxien – Materie ist immer noch ein seltenes Phänomen in diesem Universum (Bild: NASA, ESA, J. Blakeslee und H. Ford, Johns Hopkins University)

Mithilfe seines leistungsstarken Teleskops und mittels der Spektralanalyse des einfallenden Lichts der weit entfernten „Welteninseln“ beobachtete er 1929 eine Verschiebung der Spektrallinien zum roten Ende des elektromagnetischen Spektrums, also zu den größeren Wellenlängen hin.

Diese Rotverschiebung deutete Hubble als Doppler-Effekt, was wiederum nur einen Schluss zuließ: Die anvisierten Galaxien bewegen sich von der Erde fort, wobei nach der heute korrekten Sichtweise nicht die Milchstraßen auseinanderdriften, sondern vielmehr der Raum selbst expandiert – gleich einem Luftballon. Aus all dem ergab sich zwangsläufig die Überlegung, dass, wenn dieser Prozess umgekehrt, also die Expansionsbewegung gewissermaßen zurückgerechnet wird, man unweigerlich an einem Punkt anlangen müsse, in dem Materie, Raum und Zeit einst vereinigt gewesen, aus dem sie gewissermaßen zugleich in einer gigantischen „Explosion“ entsprungen sein mussten.

„Die Geschichte der Astronomie ist eine Geschichte der sich erweiternden Horizonte“ (Edwin Hubble) (Bild: NASA)

Mit welcher Geschwindigkeit sich dieser Prozess vollzieht, beschreibt das Hubble’sche Expansionsgesetz, demzufolge die Fluchtgeschwindigkeit v und die Entfernung d eines astronomischen Objekts durch die empirische Beziehung v = Ho d miteinander verknüpft sind, wobei der exakte Zahlenwert der so genannten Hubble-Konstante Ho, der für die Berechnung der Fluchtgeschwindigkeit zentral ist, bis heute strittig ist. Er bewegt sich zwischen 55 und 90 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec. Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops ergeben eine Expansionsrate von 72 km/s. Umgerechnet bedeutet dies, dass zwei Galaxien, die eine Million Lichtjahre voneinander entfernt sind, sich ungefähr mit einer Geschwindigkeit von 25 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec voneinander fortbewegen.

Um die Hubble-Konstante zu bestimmen, orientierten sich Astronomen bislang an den so genannten Cepheiden. Solcherlei Riesensterne strahlen derart hell, dass sich von der Erde aus bis zu einer Entfernung bis zu einigen Megaparsec, mit dem Hubble-Weltraumteleskop bis zu etwa 20 Megaparsec, beobachtet werden können. Aufgrund ihrer Helligkeit und gut bestimmbaren Leuchtkraft eignen sie sich bestens für die astronomische Entfernungsbestimmung.

Auf diesem Astrofoto sind sechs der von Chandra observierten 38 Galaxienhaufen zu sehen (Bild: NASA/CXC/MSFC/M.Bonamente et al.)

Noch in der letzten Woche wurden Wissenschaftler um Kris Stanek von der Ohio-State-University mit einer Theorie vorstellig, der zufolge die Hubble-Konstante bislang um bis zu 15 Prozent falsch berechnet wurde. Ausgehend von der Beobachtung eines Doppelsternsystems postulierten die Forscher, dass das Universum langsamer expandiere und damit größer sowie älter sei als angenommen. Dem widersprechen nun aber Massimiliano Bonamente und Marshall K. Joy, NASA Marshall Space Flight Center und Department of Physics, University of Alabama (Huntsville).

Diese bedienten sich nicht der Cepheiden-Option, sondern nutzten für ihre Messungen die Helligkeit von 38 Galaxienhaufen, die in Millionen Grad Celsius heißem Gas eingebettet sind. Mit bodengestützten Radioteleskopen und dem Chandra-Röntgenteleskop bestimmten die Astronomen den so genannten Sunjajew-Seldowitsch-Effekt. Um diesen Effekt nachzuweisen, mussten Bonamente und sein Team messen, in welcher Intensität die aus allen Richtungen eintreffende und alles durchdringende kosmische Hintergrundstrahlung von dem heißen Cluster-Gas gestreut bzw. beeinflusst wird bzw. inwieweit die Lichtteilchen von den energiereichen Elektronen des heißen Gases auf höhere, energiereichere Frequenzen angehoben werden.

Illustration des Sunyaev-Zeldovich Effekts (Bild: NASA/CXC/M.Weiss)

Als Bonamente und seine Kollegen die Eigenschaften des Gases mithilfe des NASA-Röntgenteleskops Chandra analysierten und dabei die Größe der Galaxienhaufen berechneten, die von der Erde 1,4 bis 9,3 Milliarden Lichtjahre entfernt sind, kamen sie auf einen Hubble-Konstantenwert von 76,9 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec. Dieser Wert stimmt mit früheren Bestimmungen überein. „Dieses Ergebnis ist deshalb so wichtig, weil wir die Hubble-Konstante benötigen, um die Größe des Universums, sein Alter und seinen Materiegehalt zu bestimmen", so Massimiliano Bonamente.

NASA Röntgenweltraumteleskop Chandra (Bild: NASA)

Nach Ansicht von Bonamentes Institutskollegen Marshall Joy spricht aber schon allein die Tatsache, dass zwei voneinander unabhängige Methoden das gleiche Ergebnis liefern, für die Gültigkeit des "klassischen" Wertes. „Diese neuen Resultate sind völlig unabhängig von allen vorangegangenen Meßmethoden der Hubble-Konstante zustande gekommen“, verdeutlicht Joy.

Näheres zu dieser Studie in der aktuellen Ausgabe des Astrophysical Journal (10. August 2006 ) und dem Preprint astro-ph/0512349 (Harald Zaun)

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