Messungen der Gravitationswellen von fast 50 Neutronensternpaaren werden im Laufe der nächsten zehn Jahre definitiv eine intensiv geführte Debatte zur Frage lösen, wie schnell unser Universum expandiert. Das ist das Ergebnis eines internationalen Teams, zu dem auch Kosmologen des University College London (UCL) und des Flatiron Institute gehören.
Das Universum expandiert seit 13,8 Milliarden Jahren. Aus seiner heutigen Expansionsrate, bekannt als die “Hubble-Konstante”, ergibt sich die seit dem Urknall verstrichene Zeit. Allerdings liefern die beiden besten Methoden, die zur Messung der Hubble-Konstante herangezogen werden, widersprüchliche Ergebnisse. Die Ergebnisse sprechen dafür, dass unser Wissen über die Struktur und Geschichte des Universums – das kosmologische Standardmodell – inkorrekt sein könnte.
Die Studie wurde am 14. Februar 2019 im Journal Physical Review Letters veröffentlicht und zeigt, wie neue unabhängige Daten über die von Neutronensternpaaren emittierten Gravitationswellen (Standardsirenen) den Stillstand zwischen den widersprüchlichen Messungen ein für alle Mal beenden werden.
“Wir haben berechnet, dass wir durch die Beobachtung von 50 Neutronensternpaaren in der nächsten Dekade genug Gravitationswellendaten haben werden, um unabhängig die beste Messung der Hubble-Konstanten vornehmen zu können”, sagte der Hauptautor Dr. Stephen Feeney vom Center for Computational Astrophysics am Flatiron Institute in New York City. “Wir sollten imstande sein, genug Verschmelzungen zu registrieren, um diese Frage innerhalb der nächsten 5-10 Jahre zu beantworten.”
Die Hubble-Konstante, ein Produkt der Arbeiten von Edwin Hubble und Georges Lemaître aus den 1920er Jahren, ist eine der wichtigsten Kennzahlen in der Kosmologie. Die Konstante sei entscheidend, um die Krümmung des Raums und das Alter des Universums zu schätzen und um dessen Schicksal zu erforschen, sagte die Co-Autorin Hiranya Peiris, Professorin für Physik und Astronomie am UCL.
“Wir können die Hubble-Konstante mit zwei Methoden messen: Bei einer werden veränderliche Sterne des Cepheiden-Typs und Supernovae im lokalen Universum beobachtet. Die andere Methode nutzt Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung im jungen Universum. Aber diese Methoden ergeben nicht dieselben Werte, was bedeutet, dass unser kosmologisches Standardmodell fehlerhaft sein könnte”, ergänzte Peiris.
Feeney, Peiris und ihre Kollegen entwickelten eine universell anwendbare Technik, mit der berechnet wird, wie Gravitationswellendaten das Problem lösen werden.
Gravitationswellen werden emittiert, wenn zwei Neutronensterne aufeinanderzuspiralen, bevor sie in einem hellen Lichtblitz kollidieren, der von Teleskopen registriert werden kann. Im August 2017 waren Forscher des UCL am erstmaligen Nachweis des Lichts von einem Gravitationswellenereignis beteiligt.
Neutronensternpaare sind selten, aber sie sind deshalb unschätzbar wertvoll, weil sie eine andere Möglichkeit bieten, um zu verfolgen, wie das Universum expandiert. Die von ihnen emittierten Gravitationswellen erzeugen Störungen in der Raumzeit, die von den Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) und VIRGO-Experimenten registriert werden können. Das ermöglicht eine präzise Messung der Entfernung des Systems zur Erde.
Durch die zusätzliche Beobachtung des Lichts von der begleitenden Explosion können Astronomen die Geschwindigkeit des Systems bestimmen und mittels dem Hubble-Gesetz daraus die Hubble-Konstante berechnen. Für diese Studie modellierten die Forscher, wie viele solcher Beobachtungen erforderlich wären, um das Problem der präzisen Messung der Hubble-Konstante zu lösen.
“Das wiederum wird zu dem genauesten Bild über die Expansion des Universums führen und uns helfen, das kosmologische Standardmodell zu verbessern”, schlussfolgerte Peiris.
An der Studie waren Forscher des Flatiron Institute (USA), des UCL, der Stockholm University, der Radboud University (Niederlande) und der University of Chicago beteiligt. Der Beitrag des UCL wurde vom European Research Council finanziert.
(THK)
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