Zone geringerer Materiedichte könnte Diskrepanzen bei der kosmischen Expansion erklären Kosmos: Leben wir in einer Blase? - scinexx | Das Wissensmagazin
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Kosmos: Leben wir in einer Blase?

Zone geringerer Materiedichte könnte Diskrepanzen bei der kosmischen Expansion erklären

Milchstraße
Wie repräsentativ ist die kosmische Umgebung der Milchstraße? Verfälscht sie womöglich die Messungen der kosmischen Expansion? © LuCaAr/ iStock

Kosmische Leere: Liegt unsere Milchstraße in einer enormen Blase mit nur halb so vielen Sternen, Gasen und Galaxien wie im Rest des Kosmos? Wenn ja, könnte dies eines der großen Rätsel der Astronomie lösen. Denn diese Ausdünnung unserer kosmischen Nachbarschaft würde erklären, warum Messungen der kosmischen Expansion je nach Methode auf ganz unterschiedliche Werte kommen, wie nun ein Forscher berichtet.

Seit dem Urknall dehnt sich das Universum aus – Galaxien, Gaswolken und Sterne streben seither in immer schnellerem Tempo auseinander. Als mögliche Antriebskraft für diese kosmische Expansion gilt die rätselhafte Dunkle Energie, eine Art Gegenspieler der Gravitation. Die Rate der Ausdehnung lässt sich über die Hubble-Konstante ermitteln.

Unerklärliche Diskrepanzen

Doch genau hier liegt das Problem: Astronomen kommen bisher zu stark abweichenden Werten für die Hubble-Konstante. Daten aus der Frühzeit des Universums in Form der kosmischen Hintergrundstrahlung ergeben eine Hubble-Konstante von rund 67 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec. Doch Messungen anhand von Supernovae, Gravitationslinsen und veränderlichen Sternen, den sogenannten Cepheiden, ergeben Hubble-Werte von 72 bis 74 – und damit eine deutlich schnellere Expansion.

Und je mehr Messungen die Astronomen durchführen, desto mehr scheint sich diese Diskrepanz zu bestätigen. „Die beiden Werte sind in den letzten Jahren immer genauer geworden und trotzdem bleiben sie klar verschieden“, erklärt Lucas Lombriser von der Universität Genf. Das wirft nicht nur die Frage auf, ob irgendwo ein grundlegender Fehler liegt – es stellt auch gängige kosmologische Modelle in Frage. Denn nach diesen dürfte die Expansion im frühen Kosmos nicht substanziell anders sein als heute.

Doch wie sind diese Diskrepanzen zu erklären? Einige Forscher vermuten, dass eine neue Physik – Prozesse jenseits unseres heutigen Standardmodells – hinter diesen Abweichungen stecken könnte. So könnte beispielsweise der Effekt der Dunklen Energie weniger konstant sein als bislang angenommen.

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Lokaler Kosmos
Galaxien und andere kosmische Strukturen im Umkreis von rund 200 MIllionen Lichtjahren um die Milchstraße. © Richard Powell / atlasoftheuniverse.com, CC-by-sa 2.5

Ist das lokale Universum leerer als der Rest?

Eine andere Erklärung schlägt nun Lombriser vor. Er hat untersucht, ob vielleicht Schwankungen in der Materiedichte des Kosmos diese Diskrepanzen erklären können. Denn bisher gehen Astronomen beim Eichen ihrer „Messlatten“ für die Entfernung von Cepheiden und anderen Objekten davon aus, dass die Materiedichte überall im Kosmos etwa gleich ist – zumindest wenn man sich große Raumausschnitte anschaut. Das bestätigen auch die Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung.

Doch in kleinerem Maßstab kann es durchaus leerere Bereiche geben. So haben spektroskopische Kartierungen von Galaxienbewegungen schon vor einigen Jahren Indizien dafür gefunden, dass unsere Milchstraße in einem lokalen Void liegt – einem rund eine Milliarde Lichtjahre großem Gebiet mit unterdurchschnittlicher Materiedichte. Und genau dies greift nun Lombriser auf, um damit die merkwürdigen Abweichungen bei der Hubble-Konstante zu erklären.

250 Millionen Lichtjahre groß

Den Berechnungen des Astronomen zufolge müsste die „leere“ Blase rund 250 Millionen Lichtjahre groß sein und eine nur halb so große Materiedichte haben wie der Rest des Kosmos. Das würde ausreichen, um die Entfernungsmessungen von Cepheiden und Supernovae zu verfälschen. Denn die Bezugsobjekte für diese Messungen liegen im lokalen Universum und damit inmitten dieses ausgedünnten Bereichs.

„Die Wahrscheinlichkeit, dass es eine solche Materiefluktuation in diesem Maßstab gibt, liegt bei 1:5 bis 1:20“, berichtet Lombriser. „Das bedeutet, dass dies alles andere als ein theoretisches Luftschloss ist – es gibt eine ganze Reihe von Regionen wie die unsrige im Universum.“ Würde man diese lokale Blase bei der Eichung der kosmischen Messlatten mit einbeziehen, dann könnte dies die Diskrepanzen bei der Hubble-Konstante beheben. Denn dann würde man auch bei Messungen auf Basis von Cepheiden oder Supernovae auf Werte wie beim kosmischen Mikrowellenhintergrund kommen.

Hoffnung auf das ELT

Neu ist diese Idee einer Blase als Störfaktor nicht – schon früher haben Wissenschaftler dies als mögliche Erklärung für merkwürdige Expansionswerte postuliert. Bisher aber fehlt der eindeutige Beweis, dass die Diskrepanzen bei der Hubble-Konstante wirklich auf einen solchen lokalen Effekt zurückgehen. Mehr Aufschluss erhoffen sich die Astronomen von künftigen Teleskopen wie dem Extremely Large Telescope (ELT) in der Atacamawüste. Denn dieses soll ab 2024 erstmals eine direkte Messung der kosmischen Expansion quasi in Echtzeit erlauben.

Bis dahin jedoch bleibt das Rätsel um die Hubble-Konstante und die kosmische Expansion wohl ungelöst. (Physics Letters B, 2020; doi: 10.1016/j.physletb.2020.135303)

Quelle: Universität Genf

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