Astronomen haben eine neue Technik zur Berechnung der Hubble-Konstante demonstriert, bei der die Intervalle zwischen verschiedenen Fotos einer Linsen-Supernova gemessen werden.
Der Veränderliche Cepheid, ein pulsierender Stern im Andromeda-Nebel, wurde dieses Jahr vor 100 Jahren von Edwin Hubble erstmals entdeckt. Die sehr geringe Leuchtkraft des Sterns deutete darauf hin, dass er sehr weit entfernt gewesen sein musste und dass Andromeda eine andere Galaxie gewesen sein musste – der erste Hinweis darauf, dass die Milchstraße nicht die einzige Galaxie im Universum war. Als Hubble weitere Galaxien entdeckte, stellte er fest, dass sie sich alle kosmisch ausdehnten und sich von uns entfernten, wie die sogenannte Hubble-Konstante zeigt.
Die Ausdehnung wurde nun von Astronomen anhand von Daten eines anderen Sterns untersucht, einer explodierenden Supernova, deren Licht auf dem Weg zur Erde abgelenkt wurde. Das Team erhielt einen niedrigeren Wert der Hubble-Konstante als auf Cepheiden und anderen Entfernungsmarkern basierende Schätzungen. Dieser Wert wurde durch die Bestimmung einer zeitlichen Verzögerung zwischen verschiedenen Fotos der Supernova ermittelt. Weitere Beobachtungen sind erforderlich, bevor Wissenschaftler Linsensupernovae als präzise Beschleunigungsmesser für die kosmische Expansion verwenden können, da die Fehlergrenzen für das neue Ergebnis hoch sind.
Die Gravitationskraft, die das Licht beugt, führt zu einer Linsensupernova. Das Licht einer Supernova wird durch die Schwerkraft der Galaxie um die Galaxie herumgelenkt, während es sich von der Erde aus gesehen hinter der Galaxie befindet.
Ähnlich einer Lupe vergrößert und verzerrt diese Bewegung das Bild des Sterns. Diese Linsenwirkung kann gelegentlich mehrere Bilder des Sterns erzeugen, die jeweils an einer anderen Position am Himmel erscheinen. Eine solche Sammlung von Bildern führt dazu, dass Licht auf verschiedenen Wegen zur Erde wandert und die Erde zu unterschiedlichen Zeiten erreicht. Die Idee, die Hubble-Konstante mithilfe von Zeitverzögerungen zu bestimmen, wurde 1964 vom Astronomen Sjur Refsdal eingeführt. Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, eine Supernova mit mehreren Bildern zu finden.
Fünfzig Jahre nach Refsdals Vorschlag lächelte ihm endlich das Glück zu. Patrick Kelly, damals an der University of California in Berkeley und jetzt an der University of Minnesota, entdeckte im Dezember 2014 eine Vier-Linsen-Ansicht derselben Supernova in einem Bild, das vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommen wurde.
Während das Team nicht in der Lage war, die genauen Zeitabstände zwischen diesen Fotos zu bestimmen, konnten Kelly und ihre Kollegen auf der Grundlage früherer Arbeiten in dieser Himmelsregion die Entstehung eines fünften Bildes vorhersagen. Diese Annahme beruhte auf der Tatsache, dass die entdeckte Supernova hinter einem Galaxienhaufen und nicht hinter einer einzelnen Galaxie verborgen war, was alternative Wege für das Supernova-Licht zur Erde bot. Das fünfte Bild entstand im Dezember 2015, etwa 376 Tage nach den ersten vier Bildern, als die Astronomen ihre Beobachtung fortsetzten. Die enorme Massendichte des Clusters verursachte diese lange Zeitverzögerung, die für die Messung der kosmischen Expansion von Vorteil ist.
Der Wert der Hubble-Konstante sei umgekehrt proportional zur Zeitverzögerung, argumentiert Kelly, weshalb es angemessen sei, ein Jahr zu warten.
Die Zeitverzögerung allein reicht jedoch nicht aus, um die Hubble-Konstante zu berechnen. Darüber hinaus müssen Astronomen den genauen Weg bestimmen, den das Supernova-Licht nimmt, um die Erde zu erreichen. Dazu nutzen sie Massenverteilungsmodelle im gesamten Galaxienhaufen. Da ein Großteil dieser Masse von unsichtbarer Dunkler Materie verdeckt wird, sind die Ergebnisse der Modelle inkonsistent. Um dieses Problem zu umgehen, untersuchten Kelly und Kollegen die Vorhersagen der Modelle für die Position des neuesten Fotos und die relative Helligkeit nachfolgender Supernova-Bilder.
Basierend auf dieser Einschätzung entwickelten sie ein optimales Massenverteilungsmodell, das sie dann zur Berechnung der Hubble-Konstante von 65 km/s/Mpc verwendeten, wobei Mpc für Megaparsec steht.
Die Fehlerquote beträgt etwa 6 % oder 4 km/h/Mpc.
Kosmologen sind an neuen Techniken zur Messung der Hubble-Konstante interessiert, da die Ergebnisse der beiden am häufigsten verwendeten Ansätze nicht schlüssig sind. Die erste Technik baut auf Hubbles Forschungen vor einem Jahrhundert auf und nutzt Cepheiden und andere gut charakterisierte Objekte wie Maser und Typ-1a-Supernovae, um kosmische Entfernungen zu bestimmen. Laut Nobelpreisträger Adam Riess von der Johns Hopkins University in Maryland „wäre Hubble überrascht, wenn er sehen würde, dass wir immer noch Cepheiden verwenden.“
Solche kosmischen Distanzbeobachtungen ermöglichten Riess und seinen Kollegen die genaue Berechnung der Hubble-Konstante, die sie auf 73 km/s/Mpc bestimmten. Diese Messung unterscheidet sich von der Messung mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund, die 67 km/h/Mpc ergibt. Die Hubble-Spannung oder dieser Unterschied von 9 % ist immer noch ein großes Rätsel.
Der Hubble-Spannungsbereich ist für das Linsen-Supernova-Ergebnis von Kelly et al. niedrig. Aufgrund der Größe der Fehlerbalken überschneidet sich dieser Wert jedoch mit den beiden anderen. „Ich glaube nicht, dass [die Linsen-Supernova-Messung] etwas Signifikantes über die Hubble-Konstante aussagt“, sagt Riess derzeit.
Eine Möglichkeit, die Fehlerbalken in der neuesten Hubble-Vorhersage zu reduzieren, besteht darin, die Massenverteilungsmodelle im Cluster zu verbessern, der die Linse für das sichtbare Supernova-Licht ist. Laut Kelly könnten zukünftige Beobachtungen des JWST (dem Teleskop, das Hubble ersetzen wird) dabei helfen, die Masse des Clusters zu bestimmen. Es besteht auch die Hoffnung, weitere Linsensupernovae zu sehen. Eine separate Linsensupernova wurde kürzlich von Wissenschaftlern mithilfe von JWST entdeckt. Laut Kelly „bin ich sehr zuversichtlich, dass diese Supernova etwas Interessantes enthüllen wird.“
Laut Sherry Juice vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Deutschland sollten zukünftige Forschungen, wie sie in den kommenden Jahren am Rubin-Observatorium in Chile geplant sind, Hunderte weitere Linsensupernovae finden. Laut Suyu seien Linsen-Supernovae seitdem äußerst selten geworden. „Lentrische Supernovae läuten eine aufregende Ära ein!“
Quelle: physical.aps.org/articles/v16/85
📩 19/05/2023 15:35