Measuring the Hubble Constant: The Tension

Messung der Hubble-Konstanten: Die Spannung

Diskrepanzen zwischen lokalen und frühuniversellen Messungen, die neue kosmologische Fragen aufwerfen

Die Bedeutung von H0

Die Hubble-Konstante (H0) legt die aktuelle Expansionsrate des Universums fest, typischerweise ausgedrückt in Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec (km/s/Mpc). Ein präziser Wert von H0 ist in der Kosmologie entscheidend, weil:

  1. Es bestimmt das Alter des Universums, wenn man von der Expansion zurück extrapoliert.
  2. Es kalibriert die Entfernungsskala für andere kosmische Messungen.
  3. Es hilft, Entartungen bei kosmologischen Parameteranpassungen zu durchbrechen (z. B. Materiedichte, Dunkle-Energie-Parameter).

Traditionell messen Astronomen H0 über zwei unterschiedliche Strategien:

  • Lokaler (Entfernungsleiter-)Ansatz: Aufbau von Parallaxe zu Cepheiden oder TRGB (Tip of the Red Giant Branch) und dann Verwendung von Typ-Ia-Supernovae, was eine direkte Expansionsrate im relativ nahen Universum ergibt.
  • Frühuniversumsansatz: Ableitung von H0 aus den Daten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) unter einem gewählten kosmologischen Modell (ΛCDM) sowie baryonischen akustischen Oszillationen oder anderen Einschränkungen.

In den letzten Jahren liefern diese beiden Ansätze signifikant unterschiedliche H0-Werte: eine höhere lokale Messung (~73–75 km/s/Mpc) vs. eine niedrigere CMB-basierte Messung (~67–68 km/s/Mpc). Diese Diskrepanz – genannt „Hubble-Spannung“ – deutet entweder auf neue Physik jenseits des Standard-ΛCDM oder auf ungelöste systematische Fehler in einer oder beiden Messmethoden hin.

2. Lokale Entfernungsleiter: Ein schrittweises Vorgehen

2.1 Parallaxe und Kalibrierung

Die Grundlage der lokalen Entfernungsleiter ist die Parallaxe (trigonometrisch) für relativ nahe Sterne (Gaia-Mission, HST-Parallaxe für Cepheiden usw.). Parallaxe legt die absolute Skala für Standardkerzen wie Cepheidenveränderliche fest, die eine gut charakterisierte Perioden-Leuchtkraft-Beziehung besitzen.

2.2 Cepheiden und TRGB

  • Cepheidenveränderliche: Die entscheidende Stufe zur Kalibrierung entfernterer Marker wie Typ Ia Supernovae. Freedman und Madore, Riess et al. (SHoES-Team) und andere verfeinerten lokale Cepheidenkalibrierungen.
  • Tip of the Red Giant Branch (TRGB): Eine weitere Methode nutzt die Leuchtkraft von Roten Riesen beim Heliumblitzbeginn in metallarmen Populationen. Das Carnegie–Chicago-Team (Freedman et al.) erreichte ~1% Präzision in einigen lokalen Galaxien und bietet eine Alternative zu Cepheiden.

2.3 Typ Ia Supernovae

Sobald Cepheiden (oder TRGB) in Wirtsgalaxien die Leuchtkraft von Supernovae verankern, kann man Supernovae bis zu Hunderten von Mpc messen. Durch den Vergleich der scheinbaren Helligkeit der Supernova mit der abgeleiteten absoluten Leuchtkraft erhalten wir Entfernungen. Die Darstellung der Fluchtgeschwindigkeit (aus der Rotverschiebung) gegen die Entfernung ergibt lokal H0.

2.4 Die lokalen Messungen

Riess et al. (SHoES) finden typischerweise H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (mit ~1,0–1,5% Unsicherheit). Freedman et al. (TRGB) finden Werte um 69–71 km/s/Mpc, etwas niedriger als Riess, aber immer noch über dem Planck-basierten ~67. Somit unterscheiden sich lokale Messungen zwar etwas untereinander, liegen aber typischerweise um 70–74 km/s/Mpc – höher als die ~67 von Planck.

3. Früh-Universum (CMB)-Ansatz

3.1 Das ΛCDM-Modell und CMB

Die kosmische Hintergrundstrahlung (CMB)-Anisotropien, gemessen von WMAP oder Planck, unter einem Standard-ΛCDM-Kosmologiemodell, liefern die akustischen Peak-Skalen und andere Parameter. Durch das Anpassen des CMB-Leistungsspektrums erhält man Ωb h², Ωc h² und weitere Parameter. Die Kombination dieser mit der Annahme der Flachheit und mit BAO- oder anderen Daten ergibt einen abgeleiteten H0.

3.2 Plancks Messung

Die endgültigen Daten der Planck-Kollaboration ergeben typischerweise H0 = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (abhängig von den genauen Priors), etwa 5–6σ niedriger als die lokale SHoES-Messung. Dieser Unterschied, bekannt als Hubble-Spannung, hat eine Signifikanz von ~5σ, was darauf hindeutet, dass es unwahrscheinlich ein Zufall ist.

3.3 Warum die Diskrepanz wichtig ist

Wenn das Standard-ΛCDM-Modell korrekt ist und die Planck-Daten systematisch robust sind, müssen lokale Entfernungsleiter-Methoden einen unerkannte systematischen Fehler enthalten. Alternativ, wenn lokale Entfernungen genau sind, könnte das Früh-Universum-Modell unvollständig sein – neue Physik könnte die kosmische Expansion beeinflussen oder eine zusätzliche relativistische Spezies oder frühe dunkle Energie verändert den abgeleiteten H0.

4. Mögliche Ursachen der Diskrepanz

4.1 Systematische Fehler in der Entfernungsleiter?

Ein Verdacht ist, dass Cepheiden-Kalibrierungen oder Supernova-Photometrie unerkannte systematische Fehler enthalten könnten – wie Metallizitätseffekte auf Cepheiden-Leuchtkräfte, lokale Flusskorrekturen oder Selektionsverzerrungen. Die starke interne Konsistenz über mehrere Teams hinweg verringert jedoch die Wahrscheinlichkeit eines großen Fehlers. TRGB-Methoden konvergieren ebenfalls zu moderat hohen H0-Werten, wenn auch etwas niedriger als Cepheiden, aber immer noch höher als Planck.

4.2 Unerkannte systematische Fehler in CMB oder ΛCDM?

Eine weitere Möglichkeit ist, dass Plancks CMB-Interpretation unter ΛCDM einen entscheidenden Faktor übersieht, z. B.:

  • Erweiterte Neutrino-Physik oder eine zusätzliche relativistische Spezies (Neff).
  • Frühe dunkle Energie nahe der Rekombination.
  • Nicht-flache Geometrie oder zeitlich veränderliche dunkle Energie.

Planck sieht keine starken Anzeichen dafür, aber leichte Hinweise tauchen in einigen erweiterten Modellanpassungen auf. Keine davon löst die Spannung bisher überzeugend, ohne andere Anomalien zu verursachen oder die Komplexität zu erhöhen.

4.3 Zwei verschiedene Hubble-Konstanten?

Einige argumentieren, dass die Expansionsrate bei niedriger Rotverschiebung vom globalen Durchschnitt abweichen könnte, wenn große lokale Strukturen oder Inhomogenitäten (die „Hubble-Blase“) existieren, aber Daten aus mehreren Richtungen, anderen kosmischen Skalen und die allgemeine Homogenitätsannahme machen eine signifikante lokale Leere oder lokale Umgebungs-Erklärung weniger wahrscheinlich, um die Spannung vollständig zu erklären.

5. Bemühungen zur Lösung der Spannung

5.1 Unabhängige Methoden

Forscher testen alternative lokale Kalibrierungen:

  • Masers in Megamaser-Galaxien (wie NGC 4258) als Anker für Supernova-Distanzen.
  • Starke Linsen-Zeitverzögerungen (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Oberflächenhelligkeitsschwankungen in elliptischen Galaxien.

Bisher unterstützen diese im Allgemeinen H0 im Bereich der hohen 60er bis niedrigen 70er, die nicht alle auf denselben genauen Wert konvergieren, aber typischerweise über 67 liegen. Somit hat kein einziger unabhängiger Weg die Spannung beseitigt.

5.2 Mehr Daten von DES, DESI, Euclid

BAO, gemessen bei verschiedenen Rotverschiebungen, können H(z) rekonstruieren, um zu testen, ob zwischen z = 1100 (CMB-Epoche) und z = 0 Abweichungen von ΛCDM auftreten. Wenn Daten eine Entwicklung zeigen, die ein höheres lokales H0 ergibt und gleichzeitig Planck bei hohen z entspricht, könnte das auf neue Physik (wie frühe dunkle Energie) hinweisen. DESI strebt eine ~1%-Distanzmessung bei mehreren Rotverschiebungen an, was den kosmischen Expansionsverlauf klären könnte.

5.3 Distanzleiter der nächsten Generation

Lokale Teams verfeinern weiterhin Parallaxen-Kalibrierungen mittels Gaia-Daten, verbessern Cepheiden-Nullpunkte und überprüfen systematische Fehler in der Supernova-Photometrie erneut. Wenn die Spannung mit kleineren Fehlerbalken bestehen bleibt, wird der Fall für neue Physik jenseits von ΛCDM stärker. Wenn sie sich auflöst, bestätigen wir die Solidität von ΛCDM.

6. Die Implikationen für die Kosmologie

6.1 Wenn Planck richtig ist (niedriges H0)

Ein niedriges H0 ≈ 67 km/s/Mpc stimmt mit dem Standard-ΛCDM von z = 1100 bis jetzt überein. Dann müssen lokale Distanzleiter-Methoden systematisch falsch liegen oder wir befinden uns in einer ungewöhnlichen lokalen Region. Dieses Szenario deutet darauf hin, dass das Alter des Universums ~13,8 Milliarden Jahre beträgt. Vorhersagen zur großräumigen Struktur bleiben konsistent mit Galaxienhaufen-Daten, BAOs und Gravitationslinsen.

6.2 Wenn die lokale Leiter richtig ist (hohes H0)

Wenn H0 Wenn ≈ 73 korrekt ist, dann muss die Standard-ΛCDM-Anpassung an Planck unvollständig sein. Wir könnten brauchen:

  • Zusätzliche frühe Dunkle Energie, die vor der Rekombination vorübergehend die Expansion beschleunigt und so die Spitzenwinkel verändert, wodurch die auf Planck basierende Inferenz von H0 gesenkt wird.
  • Zusätzliche relativistische Freiheitsgrade oder neue Neutrino-Physik.
  • Ein Zusammenbruch der Annahme eines flachen, rein ΛCDM-Universums.

Solche neue Physik könnte die Spannung auf Kosten komplexerer Modelle lösen, könnte aber durch andere Daten (CMB-Lensing, Strukturwachstumsbeschränkungen, Urknall-Nukleosynthese) getestet werden.

6.3 Zukunftsausblick

Die Spannung lädt zu robusten Gegenprüfungen ein. CMB-S4 oder Daten der nächsten Stufe kosmischer Scherung können prüfen, ob das Strukturwachstum mit einer hohen oder niedrigen H0-Expansion übereinstimmt. Bleibt die Spannung bei ~5σ konsistent, signalisiert dies stark, dass das Standardmodell überarbeitet werden muss. Eine bedeutende theoretische Entwicklung oder eine systematische Lösung könnte schließlich das Urteil fällen.

7. Fazit

Die Messung der Hubble-Konstanten (H0) steht im Zentrum der Kosmologie und verbindet lokale Beobachtungen der Expansion mit dem Rahmen des frühen Universums. Aktuelle Methoden liefern zwei unterschiedliche Ergebnisse:

  1. Lokale Entfernungsleiter (über Cepheiden, TRGB, SNe) ergibt typischerweise H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. ΛCDM basierend auf CMB-Anpassungen mit Planck-Daten ergeben H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

Diese „Hubble-Spannung“ mit etwa 5σ Signifikanz deutet entweder auf unerkannte systematische Fehler in einem Ansatz oder neue Physik jenseits des Standard-ΛCDM-Modells hin. Laufende Verbesserungen bei der Parallaxen-Kalibrierung (Gaia), dem Supernova-Nullpunkt, Linsenzeitverzögerungs-Distanzen und hochrotverschobenen BAO testen jede Hypothese. Wenn die Spannung anhält, könnte sie exotische Lösungen enthüllen (frühe Dunkle Energie, zusätzliche Neutrinos usw.). Wenn sie abnimmt, bestätigen wir die Solidität von ΛCDM.

Jedes Ergebnis prägt unsere kosmische Erzählung tiefgreifend. Die Spannung treibt neue Beobachtungskampagnen (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) und fortgeschrittene theoretische Modelle an und zeigt die dynamische Natur der modernen Kosmologie – wo präzise Daten und anhaltende Anomalien unsere Suche vorantreiben, das frühe und gegenwärtige Universum zu einem kohärenten Bild zu vereinen.

Literatur und weiterführende Lektüre

  1. Riess, A. G., et al. (2016). „Eine 2,4%ige Bestimmung des lokalen Werts der Hubble-Konstanten.“ The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). „Planck 2018 Ergebnisse. VI. Kosmologische Parameter.“ Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). „Das Carnegie-Chicago Hubble Programm. VIII. Eine unabhängige Bestimmung der Hubble-Konstanten basierend auf der Spitze des Roten Riesenast.“ The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). „Spannungen zwischen dem frühen und dem späten Universum.“ Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). „Hubble-Konstanten-Jägerleitfaden.“ Physics Today, 73, 38.

 

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