Hubble-Bubble soll unterschiedliche Messergebnisse zum Wachstum des Universums erklären

Foto: Wessel Valkenburg/Falcon

Simulation einer Hubble-Bubble: Unsere Heimat­galaxie läge etwa im Zentrum der markanten leeren Blase. Aufgrund der riesigen Aus­dehnung der Hubble-Bubble ist die Milchstraße jedoch nicht erkennbar. Die Materie am Rande der Blase zieht die Galaxien aus unserer Nach­bar­schaft an und prägt ihnen dadurch eine hohe Geschwindig­keit auf.

Unterschiedliche Messergebnisse zum Wachstum und damit zum Alter des Universums können zumindest teilweise durch die Existenz sogenannter Hubble-Bubbles erklärt werden. Davon geht ein Team von Physikern um Prof. Dr. Luca Amendola vom Institut für Theoretische Physik der Ruperto Carola aus. In Zusammenarbeit mit Kollegen aus den Niederlanden entwickelten die Heidelberger Physiker ein theoretisches Modell, nach dem die Milchstraße in einer solchen kosmischen Blase liegt. Auf diesem Weg lässt sich nach Angaben der Wissenschaftler ein Teil der Abweichungen erklären, die die aktuellen Messwerte des Planck-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation ESA gegenüber bisherigen Messungen aufweisen. Die Forschungsergebnisse wurden im Fachjournal „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Der von uns beobachtbare Teil des Universums expandiert seit dem Urknall und dehnt sich bis heute stetig weiter aus. Dies führt dazu, dass Galaxien von unserer Milchstraße fort getrieben werden. Die aktuelle Geschwindigkeit dieses Wachstums wird als Hubble-Konstante bezeichnet. Sie zu bestimmen, gehört zu den Aufgaben der modernen Kosmologie, da sie unter anderem für die Berechnung grundlegender Eigenschaften des Universums, wie etwa seines Alters, bedeutsam ist. Für die Bestimmung der Hubble-Konstante gibt es zwei gebräuchliche Messmethoden, deren Ergebnisse jedoch nicht deckungsgleich sind, wie Dr. Valerio Marra vom Institut für Theoretische Physik der Ruperto Carola erläutert: „Dies führt in der Wissenschaft seit langem zu intensiven und anhaltenden Diskussionen.“

Ein Weg, die Hubble-Konstante und damit die Expansionsrate des Universums zu bestimmen, beruht darauf, die als kosmischer Mikrowellenhintergrund bekannte Strahlung im Weltall zu messen. Diese wurde rund 400.000 Jahre nach dem Urknall freigesetzt und durchzieht das gesamte Universum. Messergebnisse aus dieser uralten Strahlung ermittelte vor wenigen Monaten das Weltraumteleskop Planck der ESA. Im Vergleich dazu lässt sich die Hubble-Konstante ebenfalls aus der – größtenteils auf die Expansion des Universums zurückgehenden – Bewegung von Galaxien in der Nachbarschaft der Milchstraße ableiten. „Vergleicht man die Messwerte beider Methoden, ergibt sich eine Abweichung von rund neun Prozent“, sagt Dr. Marra.

Auf der Suche nach einer Erklärung dieses Unterschieds der Daten gingen die Heidelberger Forscher davon aus, dass es sich nicht um einen bisher unerkannten Messfehler handelt, sondern die Abweichungen auf einen physikalischen Effekt zurück gehen. Eine Ursache dafür könnte nach Ansicht von Dr. Marra die Existenz von Hubble-Bubbles sein. Hiermit werden Regionen im Universum bezeichnet, in denen die Dichte der Materie unter dem kosmischen Mittelwert liegt. „Die Kenntnis unserer kosmischen Nachbarschaft ist bisher zu ungenau, um feststellen zu können, ob wir uns in solch einer Blase befinden“, erklärt Dr. Marra. „Nehmen wir jedoch einmal an, dass unsere Milchstraße in einer Hubble-Bubble liegt. Dann würde die Materie außerhalb der Blase die Galaxien in unserer Nachbarschaft stark anziehen, so dass sich diese überdurchschnittlich stark bewegen. In diesem Fall würden wir eine erhöhte Hubble-Konstante messen, die zwar für unsere kosmologische Nachbarschaft gilt, nicht jedoch für das Universum als Ganzes.“ Dies könnte nach den Worten Dr. Marras zum Teil den „Konflikt“ der unterschiedlichen Messergebnisse erklären: Bei der vom Planck-Satelliten gemessenen Hubble-Konstante handele es sich dann um einen räumlichen Mittelwert, der für das Universum als Ganzes gelte. Die anhand der Galaxienbewegung bestimmte Hubble-Konstante gälte dann jedoch nur in der Umgebung der Milchstraße. „Wer erwartet, dass die Messungen aus unserer kosmischen Nachbarschaft dieselben Ergebnisse wie die der Mikrowellenstrahlung ergeben, der nimmt dabei implizit an, dass wir in einer typischen Region des Kosmos leben. Das muss jedoch nicht sein“, erklärt Prof. Amendola, dessen Arbeitsgruppe sich seit vielen Jahren mit der Expansion des Kosmos beschäftigt.

Mit ihrem Forschungsansatz können die Wissenschaftler bislang rund ein Viertel der Abweichung zwischen den beiden Hubble-Konstanten begründen. Von einer detaillierteren Analyse erwarten Dr. Marra und seine Kollegen, dass sich die Diskrepanz noch weiter reduzieren lässt. „Bisher arbeiten wir in unserem Modell mit einer kugelförmigen Hubble-Bubble. Aber es ist viel wahrscheinlicher, dass eine solche Blase eine asymmetrische Form aufweist, wodurch sich die abweichenden Messwerte wahrscheinlich noch besser erklären lassen“, sagt Dr. Ignacy Sawicki, der ebenfalls am Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg forscht. „Sollte sich der Unterschied der Daten stattdessen manifestieren, wäre dies ein wichtiger Hinweis darauf, dass in der bisherigen naturwissenschaftlichen Vorstellung des Kosmos noch eine Zutat fehlt“, betont Dr. Sawicki.

An den Forschungsarbeiten im Team von Prof. Amendola hat neben Dr. Marra und Dr. Ignacy Sawicki auch Dr. Wessel Valkenburg vom Instituut-Lorentz der Universität Leiden mitgewirkt. Die Arbeiten wurden durch den Sonderforschungsbereich/Transregio „The Dark Universe“ unterstützt.

Originalveröffentlichung:
V. Marra, L. Amendola, I. Sawicki, and W. Valkenburg; Cosmic Variance and the Measurement of the Local Hubble Parameter, Physical Review Letters 110, 241305 (2013), DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.241305