Forschungsbericht 2018 - Max-Planck-Institut für Astrophysik

Kosmische Linsen bestätigen die schnelle Expansion des Universums

Autoren
Suyu, Sherry; Hilbert, Stefan; Yildirim, Akin
Abteilungen
Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching
Zusammenfassung
Unter Zuhilfenahme von Galaxien als riesige Gravitationslinsen führte eine internationale Gruppe von Astronomen, darunter Forscher am Max-Planck-Institut für Astrophysik, eine unabhängige Messung durch, wie schnell sich das Universum ausdehnt. Die neu gemessene Expansionsrate für das lokale Universum steht dabei im Einklang mit früheren Messungen. Erstaunlicherweise stimmen diese jedoch nicht mit Messungen aus dem frühen Universum überein. Dies deutet auf ein grundsätzliches Problem bei unserem Verständnis des Kosmos hin.

Die Hubble-Konstante, also die Geschwindigkeit mit der das Universum expandiert, ist eine der grundlegenden Größen, die unser Universum beschreiben. Eine Gruppe von Astronomen aus der H0LiCOW-Kooperation beobachtete mit dem Weltraumteleskop Hubble und weiteren Teleskope im All und auf der Erde fünf Galaxien und nutzten diese für eine unabhängige Messung der Hubble-Konstante. Das angewandte Verfahren ist völlig unabhängig von bisherigen Messungen der Hubble-Konstante im lokalen Universum, die sogenannte Cepheidensterne und Supernovae als Referenzpunkte verwendeten.

Angeführt wird das Konsortium von Sherry Suyu, die vom Institute of Astronomy and Astrophysics der Academia Sinica (ASIAA) in Taipeh (Taiwan) nach Garching wechselte, wo sie jetzt im Max Planck@TUM-Programm Gruppenleiterin und Tenure Track-Professorin am Max-Planck-Institut für Astrophysik und der Technischen Universität München ist.

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Abb. 1: Das System HE0435-1223 befindet sich in der Mitte dieser Aufnahme. Es gehört zu den fünf besten Linsenquasaren, die bisher entdeckt wurden. Die Vordergrundgalaxie erzeugt vier nahezu gleichmäßig verteilte Bilder des entfernten Quasars.

Der von Suyu und ihrem Team gemessene Wert sowie die mit Cepheiden und Supernovae gemessenen Werte der Hubble-Konstante unterscheiden sich von der Messung des europäischen Weltraumteleskops Planck in einer bestimmten Hinsicht: Planck maß die Hubble-Konstante für das frühe Universum durch Beobachtung des kosmischen Mikrowellenhintergrundes. Während dieser Planck-Wert für die Hubble-Konstante mit unserem gegenwärtigen Verständnis des Kosmos übereinstimmt, stehen die Werte der H0LiCOW-Kooperation für das lokale Universum  im Widerspruch zum akzeptierten theoretischen Modell des Universums. Nach diesen Messungen dehnt sich das Universum schneller aus, als man auf der Grundlage unseres kosmologischen Weltmodells erwarten würde.

Das Team schafft es inzwischen, die Expansionsrate des Universums in unterschiedlicher Weise mit einer solch hohen Genauigkeit zu messen, dass dabei auftretende Diskrepanzen möglicherweise auf eine neue Physik hinweisen, die über die gegenwärtige Kenntnis des Universums hinausgeht.

Die Ziele der Studie waren massereiche Galaxien zwischen den Beobachtern auf der Erde und sehr entfernten Quasaren - extrem  leuchtkräftigen Galaxienkernen. Die Galaxien krümmen den Raum um sich herum. Wenn nun Licht beispielsweise eines weit dahinter liegenden Quasars auf dem Weg zur Erde diese Raumkrümmung durchquert, wird es abgelenkt – ähnlich wie in einer Glaslinse. Der Schweizer Astronom Fritz Zwicky hatte bereits vor 80 Jahren dieses Phänomen, das man Gravitationslinse nennt, vorhergesagt. Eine Gravitationslinse erzeugt mehrere Bilder des Hintergrund-Quasars, von denen einige zu Bögen verzerrt erscheinen (Abbildung 1 und 2). 

Die Galaxien erzeugen aber keine perfekt sphärischen Verzerrungen im Raum, sondern sind gewissermaßen Linsen mit schlechter Abbildungsqualität. Außerdem sind die Linsengalaxien und Quasare nicht perfekt hintereinander ausgerichtet. Deswegen  legt das Licht der verschiedenen Bilder des Hintergrund-Quasars etwas unterschiedliche Wege zurück, die unterschiedlich lang sind.  Die Helligkeit von Quasaren ändert sich mit der Zeit und so beobachten die Astronomen, dass die verschiedenen Bilder wegen der unterschiedlich langen Wegstrecken des Lichts zu unterschiedlichen Zeiten aufflackern. Die Verzögerungen dazwischen sind dabei abhängig von der zurückgelegten Weglänge und stehen in direktem Zusammenhang mit dem Wert der Hubble-Konstante. Dies ist die einfachste und direkteste Methode, um die Hubble-Konstante zu messen, da sie nur Geometrie und Relativitätstheorie verwendet, und keine weiteren Annahmen benötigt.

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Abb. 2: Diese Montage zeigt die von der H0LiCOW-Kooperation untersuchten fünf Linsenquasare mit ihren Vordergrundgalaxien. Mit Hilfe dieser Objekte konnten die Astronomen eine unabhängige Messung der Hubble-Konstanten durchführen. Sie berechneten, dass sich das Universum tatsächlich noch schneller ausdehnt, als man auf der Grundlage unseres kosmologischen Modells erwarten würde.

Die genauen Messungen der Zeitverzögerungen zwischen den einzelnen Bildern sowie Computermodelle erlaubten es dem H0LiCOW-Team die Hubble-Konstante mit beeindruckend hoher Präzision von 3,8 % zu ermitteln. Dies ist auch deshalb möglich, weil das Team in der Analyse die Lichtablenkung durch alle anderen Galaxien in der Nähe der Linsengalaxie mit einbezog.

Die Hubble-Konstante ist für die moderne Astronomie von entscheidender Bedeutung, da sie bei der Beantwortung der Frage hilft, ob das derzeitige Bild des Universums - bestehend aus dunkler Energie, dunkler Materie und normaler Materie - korrekt ist oder ob etwas Grundsätzliches übersehen wurde.

Literaturhinweise

1.
S. H. Suyu, V. Bonvin, F. Courbin,
H0LiCOW I. H0 Lenses in COSMOGRAIL's Wellspring: Program Overview
Mon. Not. R. Astron. Soc. 468, 2590 (2017).
DOI
2.
D. Sluse, A. Sonnenfeld et al. (incl. S. Suyu)
H0LiCOW II. Spectroscopic survey and galaxy-group identification of the strong gravitational lens system HE0435-1223
Mon. Not. R. Astron. Soc. 470, 4838 (2017).
DOI
3.
Kenneth C. Wong, Sherry H. Suyu, Matthew W. Auger, et al.
H0LiCOW IV. Lens mass model of HE 0435-1223 and blind measurement of its time-delay distance for cosmology
Mon. Not. R. Astron. Soc. 465, 4895 (2017).
DOI
4.
V. Bonvin, F. Courbin, S. H. Suyu,
H0LiCOW IV. Lens mass model of HE 0435-1223 and blind measurement of its time-delay distance for cosmology
Mon. Not. R. Astron. Soc. 465, 4914 (2017).
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