Dank der Daten einer vergrößerten, mehrfach abgebildeten Supernova hat ein Team unter der Leitung von Forschern der University of Minnesota Twin Cities erfolgreich eine einzigartige Technik eingesetzt, um die Expansionsrate des Universums zu messen. Ihre Daten liefern Einblick in eine langjährige Debatte auf diesem Gebiet und könnten Wissenschaftlern helfen, das Alter des Universums genauer zu bestimmen und den Kosmos besser zu verstehen.
Die Arbeit ist in zwei Aufsätze unterteilt, die jeweils in veröffentlicht wurden Wissenschafteine der weltweit führenden peer-reviewten Fachzeitschriften, und Der Astrophysikalisches Journaleine von Experten begutachtete wissenschaftliche Zeitschrift für Astrophysik und Astronomie.
In der Astronomie gibt es zwei genaue Messungen der Ausdehnung des Universums, auch „Hubble-Konstante“ genannt. Eine wird aus nahegelegenen Beobachtungen von Supernovae berechnet, und die zweite nutzt den „kosmischen Mikrowellenhintergrund“ oder die Strahlung, die kurz nach dem Urknall frei durch das Universum zu strömen begann.
Allerdings unterscheiden sich diese beiden Messungen um etwa 10 Prozent, was unter Physikern und Astronomen zu heftigen Debatten geführt hat. Wenn beide Messungen korrekt sind, bedeutet das, dass die aktuelle Theorie der Wissenschaftler über den Aufbau des Universums unvollständig ist.
„Wenn neue, unabhängige Messungen diese Unstimmigkeit zwischen den beiden Messungen der Hubble-Konstante bestätigen, würde dies zu einem Riss in der Rüstung unseres Verständnisses des Kosmos werden“, sagte Patrick Kelly, Hauptautor beider Arbeiten und Assistenzprofessor an der Universität der Minnesota School of Physics and Astronomy. „Die große Frage ist, ob es möglicherweise ein Problem mit einer oder beiden Messungen gibt. Unsere Forschung geht dieses Problem an, indem wir eine unabhängige, völlig andere Methode zur Messung der Expansionsrate des Universums verwenden.“
Das von der University of Minnesota geleitete Team konnte diesen Wert anhand von Daten einer von Kelly im Jahr 2014 entdeckten Supernova berechnen – dem ersten Beispiel einer mehrfach abgebildeten Supernova überhaupt, was bedeutet, dass das Teleskop vier verschiedene Bilder desselben kosmischen Ereignisses aufgenommen hat. Nach der Entdeckung sagten Teams auf der ganzen Welt voraus, dass die Supernova im Jahr 2015 an einer neuen Position wieder auftauchen würde, und das Team der University of Minnesota entdeckte dieses zusätzliche Bild.
Diese Mehrfachbilder entstanden, weil die Supernova durch die Gravitationslinse eines Galaxienhaufens beeinträchtigt wurde, ein Phänomen, bei dem die Masse des Galaxienhaufens das Licht beugt und verstärkt. Mithilfe der Zeitverzögerungen zwischen dem Erscheinen der Bilder von 2014 und 2015 konnten die Forscher die Hubble-Konstante anhand einer 1964 vom norwegischen Astronomen Sjur Refsdal entwickelten Theorie messen, die zuvor nicht in die Praxis umgesetzt werden konnte.
Die Ergebnisse der Forscher klären die Debatte nicht vollständig, sagte Kelly, aber sie liefern mehr Einblick in das Problem und bringen die Physiker der genauesten Messung des Alters des Universums näher.
„Unsere Messung begünstigt den Wert des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, obwohl er nicht im großen Widerspruch zum Supernova-Wert steht“, sagte Kelly. „Wenn Beobachtungen zukünftiger Supernovae, die ebenfalls durch die Gravitationslinse von Galaxienhaufen beeinflusst werden, ein ähnliches Ergebnis liefern, dann würde dies ein Problem mit dem aktuellen Supernova-Wert oder mit unserem Verständnis der dunklen Materie von Galaxienhaufen identifizieren.“
Anhand derselben Daten fanden die Forscher heraus, dass einige aktuelle Modelle der Dunklen Materie von Galaxienhaufen ihre Beobachtungen der Supernovae erklären konnten. Dies ermöglichte es ihnen, die genauesten Modelle für die Standorte der Dunklen Materie im Galaxienhaufen zu bestimmen, eine Frage, die Astronomen seit langem beschäftigt.
Diese Forschung wurde hauptsächlich von der NASA über das Space Telescope Science Institute und die National Science Foundation finanziert.
Neben Kelly gehörten dem Team auch Forscher des Minnesota Institute for Astrophysics der University of Minnesota an; die University of South Carolina; die University of California, Los Angeles; Universität in Stanford; die Eidgenössische Technische Hochschule Lausanne; Universität Sorbonne; die University of California, Berkeley; die University of Toronto; Rutgers-Universität; die Universität Kopenhagen; die Universität Cambridge; das Kavli-Institut für Kosmologie; Ben-Gurion-Universität des Negev; Universität des Baskenlandes; die Universität Kantabrien; Consejo Superior de Investigaciones Cientificas (der spanische Nationale Forschungsrat); die Observatorien der Carnegie Institution for Science; die Universität von Portsmouth; Universität Durham; die University of California, Santa Barbara; die Universität Tokio; das Space Telescope Science Institute; das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam; die University of Michigan; Australische Nationaluniversität; Stony Brook University; Universität Heidelberg; und Chiba-Universität.
