Kollisionen von Neutronensternen geben Aufschluss über die Expansion des Universums

In den letzten Jahren befand sich die Astronomie in einer kleinen Krise: Obwohl wir wissen, dass sich das Universum ausdehnt, und obwohl wir ungefähr wissen, wie schnell es voranschreitet, stimmen die beiden grundlegenden Methoden zur Messung dieser Expansion nicht überein. Jetzt schlagen Astrophysiker des Niels-Bohr-Instituts eine neue Methode vor, die helfen könnte, dieses Spannungsverhältnis zu lösen.

Das Universum dehnt sich aus

Wir wissen das, seit Edwin Hubble und andere Astronomen vor etwa 100 Jahren die Geschwindigkeiten einer Reihe umgebender Galaxien maßen. Die Galaxien im Universum werden durch diese Expansion „auseinandergedrückt“ und entfernen sich dadurch voneinander.

Je größer der Abstand zwischen zwei Galaxien ist, desto schneller bewegen sie sich auseinander, und die genaue Geschwindigkeit dieser Bewegung ist eine der grundlegendsten Größen in der modernen Kosmologie. Die Zahl, die die Expansion beschreibt, wird Hubble-Konstante genannt und kommt in vielen verschiedenen Gleichungen und Modellen des Universums und seiner Komponenten vor.

Galaxien sind im Weltraum mehr oder weniger stationär, aber der Weltraum selbst dehnt sich aus. Dadurch entfernen sich Galaxien immer schneller voneinander. Wie schnell genau, ist jedoch ein Rätsel. Bildnachweis: ISO/L. Calada. Galaxien sind im Weltraum mehr oder weniger stationär, aber der Weltraum selbst dehnt sich aus. Dadurch entfernen sich Galaxien immer schneller voneinander. Wie schnell genau, ist jedoch ein Rätsel. Bildnachweis: ISO/L. Calada

Hubble-Problem

Um das Universum zu verstehen, müssen wir die Hubble-Konstante möglichst genau kennen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, es zu messen; Die Methoden sind voneinander unabhängig, liefern aber glücklicherweise fast das gleiche Ergebnis.

Das heißt, es ist fast…

Der einfachste intuitive Weg, dies zu verstehen, ist im Prinzip dieselbe Methode, die Edwin Hubble und seine Kollegen vor einem Jahrhundert angewendet haben: eine Gruppe von Galaxien zu lokalisieren und ihre Entfernungen und Geschwindigkeiten zu messen. In der Praxis geschieht dies durch die Suche nach Galaxien mit explodierenden Sternen, sogenannten Supernovae. Ergänzt wird diese Methode durch eine weitere Methode, die Unregelmäßigkeiten im sogenannten analysiert Kosmische Hintergrundstrahlung; Eine uralte Form des Lichts, die kurz danach entstand die große Explosion.

Die beiden Methoden – die Supernova-Methode und die Hintergrundstrahlungsmethode – lieferten stets leicht unterschiedliche Ergebnisse. Aber jede Messung ist mit Unsicherheiten verbunden, und vor ein paar Jahren waren die Unsicherheiten so groß, dass wir diese Ungleichheiten dafür verantwortlich machen konnten.

Die linke Hemisphäre zeigt den expandierenden Überrest der 1572 von Tycho Brahe entdeckten Supernova, hier im Röntgenbild betrachtet (Quelle: NASA/CXC/Rutgers/J.Warren & J.Hughes et al.). Rechts ist eine Karte der kosmischen Hintergrundstrahlung zu sehen, die vom halben Himmel ausgeht und in Mikrowellen beobachtet wird. Bildnachweis: NASA/WMAP-Wissenschaftsteam

Da sich die Messtechniken jedoch verbessert haben, sind die Unsicherheiten geringer geworden, und wir sind nun an einem Punkt angelangt, an dem wir mit einem hohen Maß an Sicherheit sagen können, dass keines von beiden wahr sein kann.

Die Wurzel dieses „Hubble-Problems“ – ob unbekannte Effekte eines der Ergebnisse systematisch verfälschen oder ob es auf neue, noch nicht entdeckte Physik hinweist – ist derzeit eines der heißesten Themen in der Astronomie.

Das anhaltende Hubble-Paradoxon

Die Ausdehnung des Universums wird in „Geschwindigkeit pro Entfernung“ gemessen, die etwas mehr als 20 Kilometer pro Sekunde und eine Million Lichtjahre beträgt. Das bedeutet, dass sich eine 100 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie mit einer Geschwindigkeit von 2000 km/s von uns entfernt, während sich eine andere 200 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie mit einer Geschwindigkeit von 4000 km/s von uns entfernt.

Die Verwendung von Supernovae zur Messung von Entfernungen und Geschwindigkeiten von Galaxien ergibt jedoch 22,7 ± 0,4 km/s, während die Analyse der kosmischen Hintergrundstrahlung 20,7 ± 0,2 km/s ergibt.

Sich um eine so kleine Meinungsverschiedenheit zu kümmern, mag langweilig erscheinen, kann aber sehr wichtig sein. Die Zahl erscheint beispielsweise bei der Berechnung des Alters des Universums, und die beiden Methoden ergeben ein Alter von 12,8 bzw. 13,8 Milliarden Jahren.

Kilonova: ein neuer Ansatz zur Messung

Eine der größten Herausforderungen besteht darin, die Entfernungen zu Galaxien genau zu bestimmen. Doch in einer neuen Studie schlägt Albert Snippen, Doktorand der Astrophysik am Zentrum für kosmische Morgenröte am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen, eine neue Methode zur Entfernungsmessung vor, die zur Beilegung des anhaltenden Streits beitragen könnte.

„Wenn zwei extrem kompakte Neutronensterne – selbst Supernova-Überreste – einander umkreisen und schließlich verschmelzen, explodieren sie in einer neuen Explosion; das nennt man Kilonova“, erklärt Albert Snepen. „Wir haben kürzlich gezeigt, wie bemerkenswert symmetrisch diese Explosion ist, und das auch.“ Es stellt sich heraus: „Diese Symmetrie ist nicht nur schön, sie ist auch unglaublich nützlich.“

In Dritte Studie Der soeben veröffentlichte, produktive Doktorand zeigt, dass Kilonovas, obwohl sie komplex sind, mit einer einzigen Temperatur beschrieben werden können. Es stellt sich heraus, dass die Symmetrie und Einfachheit der Kilonova es den Astronomen ermöglicht, genau abzuleiten, wie viel Licht sie aussendet.

Durch den Vergleich dieser Helligkeit mit der Lichtmenge, die die Erde erreicht, können Forscher berechnen, wie weit die Kilonova entfernt ist. Damit erhielten sie eine neue, unabhängige Methode zur Berechnung der Entfernung zu Galaxien, die Kilonovae enthalten.

Darach Watson ist außerordentlicher Professor am Cosmic Dawn Center und Mitautor der Studie. „Supernovae, die bisher zur Messung von Abständen zwischen Galaxien verwendet wurden, strahlen nicht immer die gleiche Lichtmenge aus“, erklärt er. „Außerdem erfordern sie zunächst, dass wir den Abstand mithilfe einer anderen Art von Sternen, sogenannten Cepheidensternen, kalibrieren.“ die wiederum ebenfalls kalibriert werden müssen.“ Mit Kilonovas können wir diese Komplikationen umgehen, die zu Messunsicherheiten führen.

Vorläufige Ergebnisse und zukünftige Schritte

Um ihr Potenzial zu beweisen, wandten Astrophysiker diese Methode auf eine 2017 entdeckte Kilonova an. Das Ergebnis ist eine Hubble-Konstante, die näher an der Hintergrundstrahlungsmethode liegt, aber ob die Kilonova-Methode das Hubble-Problem lösen kann, wagen Forscher noch nicht zu sagen:

„Bisher haben wir nur eine Fallstudie und wir brauchen weitere Beispiele, bevor wir zu einem überzeugenden Ergebnis kommen können“, warnt Albert Sneben. „Aber unsere Methode umgeht zumindest einige bekannte Unsicherheitsquellen und ist ein sehr ‚sauberes‘ System für die Untersuchung. Es erfordert keine Kalibrierung oder Korrekturfaktoren.

Referenz: „Messung der Hubble-Konstante in Kilonovaten mithilfe der Methode der expandierenden Photosphäre“ von Albert Snepen, Darach Watson, Dovi Poznanski, Oliver Gast, Andreas Bauszyn und Radoslaw Wojtak, 2. Oktober 2023, Astronomie und Astrophysik.
doi: 10.1051/0004-6361/202346306