Astronomie

Dehnt sich das Universum wirklich immer schneller aus?

Dehnt sich das Universum wirklich immer schneller aus?



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Folgendes habe ich gerade von der Wikipedia-Seite zum Hubble-Weltraumteleskop gelesen:

Hubble half zwar dabei, Schätzungen des Alters des Universums zu verfeinern, ließ aber auch Theorien über seine Zukunft in Frage stellen. Astronomen des High-z-Supernova-Suchteams und des Supernova-Kosmologie-Projekts verwendeten bodengestützte Teleskope und HST, um entfernte Supernovae zu beobachten, und entdeckten Beweise dafür, dass sich unter dem Einfluss der Gravitation die Expansion des Universums könnte sich tatsächlich beschleunigen. Die Ursache dieser Beschleunigung bleibt wenig verstanden; die am häufigsten zugeschriebene Ursache ist dunkle Energie.

Ich nehme das nicht für bare Münze, weil wir erwarten sollten, dass weiter entfernte Objekte höher sind beobachtete Geschwindigkeiten und damit höher beobachtete Rotverschiebungen. Hier ist der Grund.

  1. Beginnen wir mit einem Modell, bei dem sich das Universum schon früh sehr schnell ausdehnte, sich aber seitdem aufgrund der Schwerkraft verlangsamt, wie man es normalerweise erwarten würde.

  2. Denken Sie daran, je weiter ein kosmisches Objekt entfernt ist, je weiter zurück in der Vergangenheit wir beobachten es. Ein 1.000 Lichtjahre entferntes Objekt, wenn sein Licht uns jetzt erreicht, wird in seinem Zustand beobachtet, der vor 1.000 Jahren existierte. Wir durchsuchen effektiv eine Zeitmaschine.

  3. Wenn wir also ein weiter entferntes Objekt beobachten, beobachten wir einen älteren Zustand dieses Objekts. Daher beobachten wir es zu einer Zeit, als sich das Universum schneller ausdehnte als jetzt, also hat es höhere Rotverschiebungen.

Und beobachten wir das nicht heute? Je weiter die Galaxie entfernt ist, desto höher ist ihre Rotverschiebung? Dies steht nicht im Widerspruch zu einem "normalen" Modell, bei dem die Expansion aufgrund der Schwerkraft verlangsamt wird.

Was vermisse ich? Warum versuchen Wissenschaftler, solche Dinge mit seltsamer dunkler Materie und dunkler Energie zu erklären, die sonst nie entdeckt oder nachgewiesen wurden und für kein anderes Modell benötigt werden und tatsächlich unseren Modellen der Physik und Quantendynamik in die Quere kommen? ?


Ich nehme dies nicht für bare Münze, weil wir erwarten sollten, dass weiter entfernte Objekte höhere beobachtete Geschwindigkeiten und daher höhere beobachtete Rotverschiebungen aufweisen.

Das stimmt. Das war die ursprüngliche Entdeckung von Hubble – je weiter weg die Dinge waren, desto schneller entfernten sie sich von uns.

Hier ist der Grund. Beginnen wir mit einem Modell, bei dem sich das Universum schon früh sehr schnell ausdehnte, sich aber seitdem aufgrund der Schwerkraft verlangsamt, wie man es normalerweise erwarten würde.

Ja - das dachten alle nach Hubbles Entdeckung.

Denken Sie daran, je weiter ein kosmisches Objekt entfernt ist, desto weiter zurück in der Vergangenheit beobachten wir es. Ein 1.000 Lichtjahre entferntes Objekt, wenn sein Licht uns jetzt erreicht, wird in seinem Zustand beobachtet, der vor 1.000 Jahren existierte. Wir durchsuchen effektiv eine Zeitmaschine.

Dies ist Astrophysikern nicht entgangen.

Wenn wir also ein weiter entferntes Objekt beobachten, beobachten wir einen älteren Zustand dieses Objekts. Daher beobachten wir es zu einer Zeit, als sich das Universum schneller ausdehnte als jetzt, also hat es höhere Rotverschiebungen.

Okay, 2 Punkte. Zweiter Punkt zuerst. Die Rotverschiebung hat mit relativer Geschwindigkeit zu tun, nicht mit Beschleunigung oder Verlangsamung. Etwas kann rotverschobener sein und verlangsamen und etwas weniger rotverschoben und beschleunigen, insbesondere da die Beschleunigung/Verzögerung im Vergleich zur Relativgeschwindigkeit vergleichsweise langsam ist.

und anderer Punkt - denken wir daran, wir wissen nicht, was eine Galaxie in 3 Milliarden Lichtjahren Entfernung jetzt macht. Wir können erraten und wir können Modelle ausführen, aber wir können nur sehen, was es vor 3 Milliarden Jahren tut.

Und beobachten wir das nicht heute? Je weiter die Galaxie entfernt ist, desto höher ist ihre Rotverschiebung? Dies steht nicht im Widerspruch zu einem "normalen" Modell, bei dem die Expansion aufgrund der Schwerkraft verlangsamt wird.

Ja, je weiter die Galaxie entfernt ist, desto höher ist ihre Rotverschiebung. Aber nein, das steht nicht im Widerspruch zur Expansion. Das ist, was Sie sehen würden, Expansion oder Kontraktion, denn die Rotverschiebung ist nur die relative Geschwindigkeit.

Was vermisse ich? Warum versuchen Wissenschaftler, solche Dinge mit seltsamer dunkler Materie und dunkler Energie zu erklären, die sonst nie entdeckt oder nachgewiesen wurden und für kein anderes Modell benötigt werden und tatsächlich unseren Modellen der Physik und Quantendynamik in die Quere kommen? ?

Viele dieser Ideen sind verwirrend. Sie sind auch für Wissenschaftler verwirrend, besonders wenn sie zum ersten Mal entdeckt wurden - Sie sind also nicht allein.

Dunkle Materie wurde beobachtet, weil sich Galaxien seltsam verhielten. Es wurde beobachtet, dass sich die Sterne in den äußeren Armen der Galaxie viel zu schnell und schneller bewegten als die Sterne mehr in Richtung der Mitte der Galaxie, und das ergab keinen Sinn. Die Galaxien wogen auch zu viel und die einzige Möglichkeit, dies zu erklären, war eine zusätzliche Masse in einer Art Halo um die Galaxie, aber diese zusätzliche Masse interagierte auch nicht mit elektromagnetischen Wellen wie die Masse hier auf der Erde - so nannten sie es diese zusätzliche Masse (und es gibt viel davon, mehr als normale Masse), aber da sie unsichtbar ist, nannten sie sie "dunkle Materie" und sie ist nicht dunkel wie Schmutz oder Kohle, sie ist dunkel wie in - unsichtbar. Es ist für Licht völlig transparent, aber es hat Masse und sie wissen immer noch nicht, was es ist. Sie haben einige OK-Theorien, aber nichts Bestimmtes.

Nun, dunkle Energie - denken Sie an den Urknall und alle Materie, die auseinanderfliegt - die doppelt so weit entfernten Galaxien entfernen sich doppelt so schnell, ABER wie Sie sagten, sollten wir aufgrund der Schwerkraft die Galaxien sehen, die sich doppelt so weit entfernen mehr als doppelt so schnell, denn je näher die Galaxie, desto länger musste sie langsamer werden - aha, dachten sie, wenn wir die Geschwindigkeit der Galaxien in 4 Milliarden Lichtjahren Entfernung mit der Geschwindigkeit der Galaxien in 2 Milliarden Lichtjahren vergleichen können compare auf die Geschwindigkeit von 1 Milliarde Lichtjahren entfernt - usw. usw. und alles sorgfältig messen, können wir die Geschwindigkeit messen, mit der die Schwerkraft das Universum verlangsamt. - das macht richtig Sinn.

Und mit sorgfältiger Vermessung von Typ 1A-Supernovae, die zeitweise ganze Galaxien überstrahlen - mit bemerkenswerter Konstanz (was sie eine Standardkerze nennen - eine sehr helle Standardkerze, aber trotzdem eine Standardkerze) - dachten sie, sie könnten die Gravitationsverlangsamung der Expansion - genau das, wovon Sie sprechen.

Das Problem war, dass die Messungen ihnen das Gegenteil von dem sagten, was sie erwartet hatten. Die Messungen sagten ihnen, dass sich die 2 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxien etwas mehr als halb so schnell bewegten wie die 4 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxien und so weiter. Sie haben das überprüft, weil es falsch sein musste, dann haben sie es erneut überprüft und noch einmal überprüft und die einzige Schlussfolgerung war, dass das Zeug da draußen schneller wird, nicht langsamer wird - denn das sagen uns die Teleskope.

Dunkle Energie war kein haarsträubender Plan, den verrückte Wissenschaftler sich ausdachten. Es war eine beobachtete Realität, die niemand erwartet hatte (naja, außer vielleicht für Einstein und seine kosmologische Konstante, aber das ist eine andere Geschichte).

Dunkle Energie ist sowieso nur ein Name. Sie müssen es etwas nennen, auch wenn sie sich nicht sicher sind, was es ist oder wie es funktioniert.


Laut diesem Artikel habe ich verstanden, dass Wissenschaftler herausgefunden haben, dass die Rotverschiebung (z) von Supernovae von der relativen Entfernung (x) gemäß folgender Formel abhängt:z = 2 sinh(x)/(1 + x). Und WENN nichts die Galaxien mit Kraft wegdrückt, dann sollte die Rotverschiebung mit abnehmender Entfernung zwischen den Galaxien linear abnehmen. Dies ist jedoch nicht der Fall, da die Beziehung z(x) nichtlinear ist.

Lassen Sie uns eine Grafik zeichnen: Mit anderen Worten - wenn sich die Entfernung zu einer Supernova halbiert, muss sich auch die Rotverschiebung halbieren (d. h. linear), wenn die Gravitation die Expansion stoppt. Dies ist jedoch nicht der Fall, wie in der Grafik zu sehen ist. Die einzig vernünftige Erklärung: Es gibt eine Kraft, die das nicht zulässt und die Expansionsrate ständig erhöht.


Wenn sie das Licht entfernter Galaxien betrachten, sehen sie Gipfel und Täler.

Die Peaks und Täler stammen aus den Spektren der Atome in den Galaxien - zum Beispiel Wasserstoff, Sauerstoff usw.

Aus der Frequenz und den Emissions- und Absorptionsmustern des Lichts – oder den Höhen und Tiefen – können sie das Element identifizieren.

Wenn sie die Spektren eines Elements aus den Galaxien mit den Spektren der Elemente im Labor vergleichen, stellen sie fest, dass sie ins Rot - oder Rotverschoben sind.

Der Punkt ist, dass sie keine Geschwindigkeit messen - sie leiten die Geschwindigkeit ab.

Um aus den Spektren auf Geschwindigkeitsmessungen zu schließen, muss man davon ausgehen, dass die Prozesse, die die Spektren im Stern vor Milliarden von Jahren erzeugten, mit den Prozessen identisch sind, die die Spektren im Labor erzeugten.

Und sie müssen davon ausgehen, dass es keine Nicht-Geschwindigkeits-Rotverschiebungen gibt.


Direkte Hinweise auf ein sich beschleunigendes Universum lieferten Beobachtungen von Typ-Ia-Supernovae durch das High-Z Supernova Search Team (Riess et al. 1998) und durch das Supernova Cosmology Project Team (Perlmutter et al. 1999).

Ihre Forschung zeigte, dass entfernte Supernovae 10 bis 25 % dunkler und daher weiter entfernt sind als erwartet im Vergleich zu den nahegelegenen (lokalen) Supernovae.

Standardleuchtkräfte von Typ-Ia-Supernovae halfen den Forschern, ihre Entfernungen zu bestimmen, während die beobachteten Rotverschiebungen eine Schätzung ihrer Rezessionsgeschwindigkeiten lieferten - die Beziehung zwischen Rotverschiebung und Entfernung half den Forschern, die Expansionsrate (km/s/Mpc) des Universums zu bestimmen .

Fernmessung ergibt eine Expansionsrate von 46 km/s/Mpc (Blanchard et al. 2003), die viel niedriger ist als die lokale Messung von 72 km/s/Mpc durch das Hubble Key Project (Freedman et al.).

Die Expansionsrate (km/s/Mpc) für entfernte Supernovae ist niedriger als die Expansionsrate für lokale Supernovae, daher sagen wir, dass sich das Universum jetzt beschleunigt und in der Vergangenheit langsamer expandiert hat.

Laut Durrer (2011) „kommt unser einziger Hinweis auf die Existenz von Dunkler Energie aus Entfernungsmessungen und deren Beziehung zur Rotverschiebung“.

Die Arbeit an der Forschung hat mich dazu gebracht, die Daten zu analysieren. Der von Experten begutachtete Artikel präsentiert eine neuartige Interpretation der Rotverschiebungs-Distanz-Beziehung beobachteter Supernovae, wie sie vom wissenschaftlichen Gutachter einer der renommiertesten Astronomiezeitschriften berichtet wurde.

Ich glaube, dass die Beschleunigung des Universums aufgrund eines unentdeckten Aspekts eine überraschende Entdeckung ist.

https://www.researchgate.net/publication/343484700


Antwort auf den Kommentar von PM 2Ring:

Die Expansionsgeschwindigkeit für lokale Strukturen liegt zwischen 68 km/s/Mpc und 74 km/s/Mpc, während die Expansionsgeschwindigkeit für entfernte Strukturen zwischen 40 km/s/Mpc und 60 km/s/Mpc liegt.

Was wir nicht wissen, ist die aktuelle (gegenwärtige) Expansionsrate für die entfernten Strukturen, und es wird einfach angenommen, dass die Expansionsrate, die von den lokalen Strukturen abgeleitet wird, die aktuelle Expansionsrate für das gesamte Universum ist.

Nach dem kopernikanischen Prinzip sind wir keine besonderen oder privilegierten Beobachter, daher scheint die Erzwingung oder einfache Annahme, dass die Expansionsrate für das gesamte Universum gleich der Expansionsrate für das lokale Universum ist, auch mit dem kopernikanischen Prinzip im Widerspruch zu stehen, da Die Expansionsrate des lokalen Universums wird gegenüber dem gesamten Universum priorisiert.

Es ist nicht richtig anzunehmen, dass die Expansionsrate für das gesamte Universum gleich ist, indem die lokale Expansionsrate über das gesamte Universum priorisiert wird, ohne die aktuelle (gegenwärtige) Expansionsrate für die entfernten Strukturen zu kennen.

Direkte Beweise für ein sich beschleunigendes Universum lieferten Beobachtungen von Supernovae vom Typ Ia, die zeigten, dass entfernte Supernovae weiter entfernt sind als erwartet, da sie 10 bis 25 % dunkler erschienen als die lokalen Supernovae.

Zu den Möglichkeiten gehörten ein durchdringender grauer Staubschirm zwischen dem lokalen und dem entfernten Universum und die Entwicklung von Typ-Ia-Supernovae. Diese Möglichkeiten wurden angesprochen und sind kein besorgniserregender Faktor mehr.

Wenn sich entfernte Strukturen in das Universum ausdehnen, bevor die Expansion für die lokalen Strukturen eingeleitet wurde, dann wären in diesem Fall auch entfernte Strukturen weiter entfernt als erwartet. Genau das beobachten wir – entfernte Supernovae sind tatsächlich weiter entfernt als erwartet im Vergleich zu den lokalen Supernovae.

Um nun zu beweisen, dass sich entfernte Strukturen in das Universum auszudehnen begannen, bevor die Expansion für die lokalen Strukturen eingeleitet wurde, benötigen wir eine Bestätigung, die diese Möglichkeit testen würde.

Eine direkte Bestätigung für diese Möglichkeit ergibt sich wiederum aus der Analyse dieser direkten Beobachtungen von Typ-Ia-Supernovae, die das Forschungsteam zu dem Schluss brachten, dass sich das Universum beschleunigt.

Entlegene Strukturen sind nicht nur weiter entfernt als erwartet, sondern bewirken auch bei hohen Rezessionsgeschwindigkeiten (Rezessionsgeschwindigkeiten im Bereich von 30% bis 60% der Lichtgeschwindigkeit) eine langsamere Expansionsrate im Vergleich zur höheren Expansionsrate der lokalen the Strukturen auch bei geringen Rezessionsgeschwindigkeiten (Rezessionsgeschwindigkeiten im Bereich von 1 % bis 10 % der Lichtgeschwindigkeit).

Es kann keinen anderen Grund für einen solchen Trend geben, bei dem ein Objekt mit hoher Rezessionsgeschwindigkeit nicht nur weiter entfernt ist als erwartet, sondern auch eine langsamere Expansionsrate aufweist als ein Objekt mit niedriger Rezessionsgeschwindigkeit . Dies ist nur möglich, wenn sich entfernte Strukturen in das Universum ausdehnen, bevor die Expansion für die lokalen Strukturen eingeleitet wurde.

Die Expansionsrate für abgelegene Strukturen liegt zwischen 40 km/s/Mpc und 60 km/s/Mpc - sie ist nicht für alle abgelegenen Strukturen gleich, sondern hängt von ihrer Entfernung und Rezessionsgeschwindigkeit ab, genauer gesagt, wann sie begannen, in die Universum.

Es ist nicht möglich, dass sich alle Strukturen gleichzeitig in das Universum ausgedehnt haben, Objekte mit hoher Rezessionsgeschwindigkeit, die vorher begonnen haben, sich auszudehnen, sind weiter entfernt als erwartet und zeigen eine langsamere Expansionsrate, während Objekte, die vergleichsweise später begonnen haben, eine schnellere Expansionsrate an.


Das Manuskript wurde überarbeitet; die Ergebnisse wurden durch Plotten weiter bestätigt,

  1. Expansionsrate vs. Zeitbeziehung,
  2. Expansionsfaktor vs. Zeitbeziehung und
  3. Skalierungsfaktor vs. Zeitbeziehung

https://www.researchgate.net/publication/343484700


Ep. 541: Seltsame Probleme: Die Expansionsrate des Universums

Gerade als das Universum begann, einen Sinn zu ergeben, wirft der Kosmos einen Curveball auf uns. Astronomen haben bereits in Hubble versucht, die Expansionsrate des Universums genau zu messen. Es war schwer, es festzunageln, und jetzt beginnen Astronomen herauszufinden, warum.

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Notizen anzeigen

Transkript

Fraser: Astronomy Cast Folge 541. Seltsame Themen: Die Expansionsrate des Universums.

Willkommen bei Astronomy Cast für eine wöchentliche faktenbasierte Reise durch den Kosmos, bei der wir Ihnen helfen, nicht nur zu verstehen, was wir wissen, sondern auch, wie wir wissen, was wir wissen. Ich bin Fraser Cain, Herausgeber von Universe Today. Mit mir wie immer Dr. Pamela Gay, leitende Wissenschaftlerin des Planetary Science Institute und Direktorin von CosmoQuest. Hallo Pamela, wie geht es dir?

Pamela: Mir geht es gut. Ich bin diese Woche tatsächlich am Planetary Science Institute und es war ein tolles Abenteuer, aber es bedeutet auch, dass der Ton heute etwas hohler klingen wird, weil ich mir das Eckbüro eines Freundes ausleihen konnte und es ist großartig , aber etwas hohl klingend.

Fraser: Nicht so schallisoliert wie das Homeoffice, in dem man normalerweise aufnimmt.

Fraser: Ja. Gerade als das Universum begann, einen Sinn zu ergeben, wirft der Kosmos einen Curveball auf uns. Astronomen haben bereits in Hubble versucht, die Expansionsrate des Universums genau zu messen. Es war schwer, es festzunageln, und jetzt beginnen Astronomen herauszufinden, warum.

In Ordnung, Pamela, bis dahin – ich meine, warum ist es wichtig, die Expansionsrate des Universums zu kennen?

Pamela: Es ist eines dieser Dinge, die wirklich die Wahrscheinlichkeit definieren, dass verschiedene Materieklumpen eine Chance haben, zusammenzukommen. Es ist das Ding, das die Dichte der Materie definierte, als Sterne bereit waren, sich zu bilden. Es ist die Sache, die letztendlich definieren wird, ob unser Universum sich selbst zerreißt oder wieder in sich zusammenfällt.

Wenn wir also die Expansionsrate zusammen mit anderen Faktoren wie der Geometrie des Universums verstehen, die keine Kontroverse ist, der Massendichte des Universums, von der wir denken, dass sie klar zu handhaben ist, ist die Expansionsrate das, was uns hilft, die Evolution zu finden unseres Universums.

Fraser: Ich meine, man kann sich das vorstellen – ich liebe diese Idee, egal ob es Hubble war oder andere Leute auch an dieser Idee arbeiteten, wo man diese Galaxien in alle Richtungen beobachtet, man die Rotverschiebung erkennt und das merkt man In jede Richtung, in die Sie schauen, entfernen sich Galaxien von uns.

Und dann wird dir sofort klar, dass du so sein musst, als hätte jeder Angst vor uns oder das gesamte Universum dehnt sich aus, und das bedeutet, dass es einmal an einem kleineren Ort in der Zeit rückwärts war und einen definitiven Punkt haben könnte.

War das also wie eine – ich weiß nicht, wie eine Offenbarung? Das muss eine große Sache gewesen sein, als alles zusammenkam.

Pamela: Es war definitiv ein Moment des – Universums, so sollte man sich nicht verhalten. Es –

Fraser: Weil es immer so ist, als ob es immer und ewig wäre, oder?

Pamela: Ja. Als diese Beobachtungen von Vesto Slipher zum ersten Mal gemacht wurden, war er derjenige, der uns wirklich in dieses Schlamassel gebracht hat war und immer sein würde, und wenn man sich die Galaxien ansieht, sollte man zufällige Bewegungen sehen.

Und es war von dieser Studie-State-Idee, dass Albert Einstein das Universum in seinen Gleichungen beließ, so dass es sich weder zusammenzog noch ausdehnte, sondern stattdessen einfach nur da saß und sagte: Ich bin ein Universum.

Aber als Vesto Slipher zum ersten Mal heraussah und anfing, Spektroskopie von Galaxien durchzuführen und ihre Bewegungen am Himmel zu messen, wussten wir zu diesem Zeitpunkt noch nicht, wie man Entfernungen misst. Aber er erwartete eine Bewegungsverteilung, bei der einige auf uns zukommen, andere mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten von uns weggehen.

Und was er gefunden hat, ja, es kommen ein paar auf uns zu, Andromeda, wir sehen dich an, aber die Mehrheit dieser 20 seltsamen Systeme, die er sich angesehen hat, bewegten sich weg, und das ist nichts, was sie gemacht hat Sinn, und dies waren Daten, die Hubble nahm und mit der Arbeit von Milton Humason, der viele der Beobachtungen für Hubble machte, kombinierten sie ihre Rotverschiebungsbestimmungen. Dieses Maß dafür, wie schnell sich die Dinge von uns entfernen, mit Henrietta Lovettes Arbeit, die es uns ermöglicht, Entfernungen von zwei Dingen relativ zu messen, indem wir pulsierende variable Sterne von Cepheiden verwenden.

Und er konnte erstmals messen, wie weit die Galaxien im Vergleich zueinander sind. Und das ist da Bewegung im Vergleich zueinander. Und je weiter sie weg sind, desto Pastor gehen sie.

Fraser: Und wie definieren Astronomen das? Wenn Sie beispielsweise sagen: Wenn Sie einen Astronomen fragen, wie schnell sich das Universum ausdehnt, wie groß ist die Expansionsrate des Universums? Wie beschreiben sie diese Expansionsrate?

Pamela: Nun, wie so viele Dinge im Universum, da wir nicht das ganze verflixte Universum sehen können, sagen wir nicht, dass sich das Universum ausdehnt und geben die Geschwindigkeit an, mit der sich das gesamte Universum ausdehnt. Stattdessen zerlegen wir es in überschaubare Teile.

Und in diesem Fall sind die überschaubaren Stücke noch richtig groß. Und was wir sagen, ist das Universum für jeden Megaparsec Raum, den du hast, dieser Megaparsec wird jede Sekunde um die Expansionsrate größer.

Und diese Expansionsrate ist der Punkt, an dem wir uns in Schwierigkeiten bringen, aber ihr Wert liegt im Allgemeinen zwischen 0 und 1000 Kilometer pro Sekunde, je nachdem, wer die Messungen vorgenommen hat. Es sind also 60, 70 Kilometer pro Sekunde für jedes Megaparsec Raum.

Fraser: Okay. Also, lass mich einfach mal sehen, ob ich das verstehe. Sie haben also ein Megaparsec, und das ist ein riesiger Platz, oder? Ein Megaparsec ist Hunderttausende von Lichtjahren? Millionen –

Fraser: Millionen Lichtjahre? Ja. Wie ein Parsec wie drei Lichtjahre und damit, weißt du, eine Menge. Und jede Sekunde, die – du weißt schon, wenn du die eine Seite davon bist – ein Kästchen, das ein Megaparsec definiert, und dann ist jemand anderes auf der anderen Seite dieses Kästchens, das den Megaparsec definiert, eine Sekunde später bist du jetzt ungefähr 70 Kilometer weiter voneinander entfernt.

Fraser: Und eine Sekunde später sind Sie jetzt 140 Kilometer voneinander entfernt. Eine Milliarde Jahre später haben sich die Dinge wirklich bewegt.

Pamela: Und es summiert sich. Wenn du also 3 Megaparsec zwischen dir und deinem Freund hast, sprichst du erstens nie mit ihnen, zweitens dehnt sich diese 3 Mark Megaparsec mit 210 Kilometern pro Sekunde auseinander. Wenn Sie vier Megaparsec haben, sind Sie jetzt bei 280 Kilometern pro Sekunde. Und es summiert sich, so dass wir beim Blick auf die weiteren Stadien unseres Universums Dinge sehen, die versuchen, sich mit Lichtgeschwindigkeit von uns wegzubeschleunigen.

Und es ist nicht so, dass sie sich schneller als Lichtgeschwindigkeit bewegen, sondern dass all diese verschiedenen einzelnen Megaparsecs alle größer werden und dabei die Dinge aus dem Weg räumen.

Fraser: Und ich bin froh, dass Sie diese Klarstellung am Anfang gemacht haben, wo ich gesagt habe, wie schnell das Universum wirklich irgendwie größer wird, und ich denke, wir stellen uns vor, wenn jemand einen Ballon aufbläst oder eine Blase aufbläst? , können Sie sich vorstellen, dass die Blase immer größer und größer wird, und Sie könnten messen, die Blase hatte in der Sekunde einen Durchmesser von dieser Zahl, und eine Sekunde später hat die Blase in dieser Sekunde einen Durchmesser, und diese Zahlen sind größer.

Aber wenn das Universum unendlich ist, kann man nicht sagen, dass es größer wird, denn es ist ewig her und es ist immer noch ewig.

Fraser: Und selbst wenn das Universum endlich ist, wissen wir nicht, wie groß das Endliche ist. Es macht also keinen Sinn zu sagen, wie groß dieser Ball ist, den Sie sich in Ihrem Kopf vorstellen, und ich weiß, dass Sie alle sind, dass Sie sich darauf nicht verlassen können. Und deshalb gehen Astronomen einfach los und messen einfach die Dinge, die wir messen können, nämlich kleinere Teile des Universums.

Pamela: Und das tun wir. Und weil wir die Dinge mehrere Megaparsec entfernt sehen können, können wir systematisch Ja sagen, wir sehen diese Veränderung.

Jetzt wird es trickreich, obwohl wir die Möglichkeit haben, mehrere Megaparsecs weit zu sehen, aber wir sind nicht immer so gut darin, genau zu messen, wie viele Megaparsecs auf uns zukommen, und dies hat über die Jahrzehnte hinweg zu endlosen Schwierigkeiten geführt.

Fraser: Richtig. Und so gehen Sie zurück zu Hubbles ursprünglicher Messung, der Hubble-Konstante, die dies wirklich definiert, und was ist das? Wir schließen 100 Jahre –

Fraser: – seit Hubble diese Messungen gemacht hat? Und Astronomen streiten sich noch heute darüber, was die Hubble-Konstante ist. Und tatsächlich, wissen Sie, ein Teil des Grundes, warum das hier so ist – wir sind an dieser seltsamen Stelle, ist, dass es etwas wirklich Kompliziertes ist, zu versuchen, es zu verstehen.

Können Sie uns die Herausforderung erklären und warum sie so kompliziert geworden ist?

Pamela: Und alles läuft darauf hinaus, Entfernungen zu messen, und der Weltraum ist kein Ort, an dem wir einfach mit dem Lineal rausgehen und von Punkt A nach Punkt B messen können. Es ist kein Ort, an dem wir ständig rausgehen und Verwenden Sie Radar, um Entfernungen zu messen.

Mit Asteroiden und anderen Planeten können wir gelegentlich damit durchkommen, aber um die Entfernung zu anderen Sternen zu messen, müssen wir wirklich Parallaxenmessungen verwenden. Hier warten wir, bis sich die Erde auf einer Seite der Sonne befindet, wir messen einen Stern gegen Hintergrundgalaxien, wir warten, bis die Erde auf die andere Seite der Sonne kommt, wir messen die Position des Sterns gegen den Hintergrund Galaxien, und unsere Bewegung von einer Seite zur anderen wird dazu führen, dass sich der Stern relativ zu diesem Hintergrundobjekt zu bewegen scheint.

Das ist also die Art von Dingen, die Sie selbst erleben können, indem Sie einfach Ihren Daumen ausgestreckt und zwischen zwei Augen blinzeln und sehen, wie sich Ihr Daumen gegen Bäume, Berge oder was auch immer im Hintergrund zu bewegen scheint.

Fraser: Ja. Oder wie wenn Sie mit dem Auto richtig schnell fahren und die Bäume an Ihnen vorbeiziehen und die Berge nicht?

Pamela: Genau. Und dieser Parallaxeneffekt erfordert, dass sich die Objekte entweder ziemlich nahe befinden, damit Sie diesen Sprung sehen können, oder erfordert, dass wir extrem hochauflösende Detektoren haben.

Nun leben variable Cepheid-Sterne, obwohl sie in vielerlei Hinsicht wunderbar sind, nicht in der Nähe des Planeten Erde, und so konnten wir bis vor kurzem keine qualitativ hochwertigen Parallaxenmessungen von ihnen erhalten. Und es sind die Debatten, die wir geführt haben, um die Entfernung zum nächsten Cepheiden herauszufinden, die zu vielen Streitereien in unserer Gemeinschaft geführt haben.

Jetzt haben wir Gaia. Gaia leistet wunderbare Arbeit. Neue Methoden zur Verwendung des Hubble-Weltraumteleskops wurden entwickelt, und die Leute beginnen endlich, Ergebnisse zu erzielen, von denen wir glauben, dass sie mit diesem ersten Indikator, den wir zur Messung von Entfernungen zu Galaxien verwenden, innerhalb von ein paar Prozent genau sind.

Sobald wir also die Entfernung zu den nächsten Cepheiden genau messen können, erhalten wir den gut 0-Punkt unseres Lineals.

Fraser: Richtig. Das ist eine Leiter, oder? Wir bauen ein Lineal, bei dem das erste Stück diese Parallaxenmessung ist, die es uns ermöglicht, die Sterne zu vermessen – wohin? Wie die nächsten 2.000 Lichtjahre entfernt?

Fraser: Und dann ist es diese erstaunliche Beziehung zu Cepheid-Variablen, wie sie schwingen, sagt dir ihre intrinsische Helligkeit, und dann kannst du das verwenden, um zu sagen, wie weit sie entfernt sind, und dann führte das zu einer Leiter bis jetzt – weil du Cepheid verwenden kannst Variablen in Andromeda, und Sie können sie in anderen Galaxien weit entfernt sehen.

Pamela: Und bis zu unseren letzten Raumsondenmessungen konnten wir immer anhand der scheinbaren Helligkeit sagen, was näher und was weiter war, genauso wie man in ein Feld von Blitzwanzen schauen und wissen kann, welche Blitzwanzen in der Nähe sind und welche weit entfernt sind entfernt, je nachdem, wie hell sie erscheinen. Jetzt ist es cool zu wissen –

Fraser: Weil Sie wissen, wie hell ein Blitzkäfer ist.

Pamela: Nun, Sie müssen nicht einmal genau wissen, wie hell Blitzkäfer sind, Sie müssen nur wissen, dass alle Blitzkäfer im Grunde die gleiche Lichtmenge abgeben. Und solange alle Blitzkäfer die gleiche Lichtmenge abgeben, ist es weit, wenn Sie einen schwachen sehen, wenn Sie einen hellen sehen, passen Sie auf.

Und so mussten wir nicht einmal genau wissen, wie hell Cepheiden sind, um die relativen Entfernungen zu Galaxien zu kennen. Und hier konnte Hubble sein erstes Distanzkonzept entwickeln, von dem ich weiß, dass dieser näher ist, ich weiß, dass dieser weiter entfernt ist, aber dann genau herausgefunden hat, wie viel näher, genau wie viel weiter, dies der Stoff für Legendäre war Schlachten auf dem Gebiet der Astronomie.

Fraser: Richtig. Aber natürlich stellte sich 1998 mit der Entdeckung der Dunklen Energie heraus, dass sich die Expansionsrate des Universums im Laufe der Zeit ändert. Sie müssen also nicht nur eine möglichst genaue Messung durchführen, sondern buchstäblich einen Weg finden, Entfernungen zu verschiedenen Zeitpunkten zu messen.

Pamela: Also, wir gingen von mehreren Jahrzehnten aus, sind es 50 oder ist es 100, weil im Grunde zwei verschiedene Personen, Alan Sandage und Gerard de Vaucouleurs, unerschütterlich argumentierten, und man musste sich auf die Seite eines von ihnen oder dir stellen waren ein Übeltäter.

Und wenn Sie sich auf die Seite des Falschen gestellt haben, sind Sie immer noch ein Übeltäter. Es war sehr parteiische Politik, was die Hubble-Konstante betraf, und zum Glück hatte ich Lehrer, die so waren, als ob wir sie nicht kennen würden. Verwenden Sie einfach 100. Es macht die Mathematik einfacher.

Und dann mit dem Schlüsselprojekt Cepheid, das in den 90er Jahren mit Parkas Daten mit zunehmender Genauigkeit von unserem Raumfahrzeug, fingen wir in den frühen 90er Jahren an, wirklich zu verfeinern, bis es so aussah, als ob es irgendwo zwischen 65 und 75 wäre. Und dann, wie Sie sagten, im Jahr '98 war es wie ein Kraftausdruck. Wenn Sie die Dinge weiter und weiter darstellen, erhalten Sie mehr Genauigkeit, wenn es sich um eine Konstante handelt, da Sie die Linie besser anpassen können, wenn Sie eine längere Linie haben, die Sie anpassen möchten.

Aber es war keine Linie. Es stellte sich heraus, dass es eine leichte Kurve war, und als wir mit Supernovae, die mit den Cepheiden kalibriert wurden, in immer größere Entfernungen gingen, sahen wir diese Kurve, die nur dadurch erklärt werden konnte, dass das Universum in sich selbst beschleunigt wurde.

Fraser: Also, wie viel Einfluss hat das? Wie hier sind wir, und natürlich ist unsere nächste Episode der Grund, warum es so schwierig war, über das Alter des Universums zu sprechen, aber hier sind wir eine Reihe von niedrigen Teenagern, die Milliarden von Jahren im Alter des Universums sind. Hat diese dunkle Energie einen großen Einfluss auf die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt?

Pamela: Es ist keine große Wirkung, aber –

Fraser: Wie in dieser Geschwindigkeitszahl?

Pamela: Ja. Es hat keinen großen Einfluss auf die Geschwindigkeitszahl, aber es reicht aus, dass die Leute sich unbehaglich fühlen und anfangen, sich ernsthaft zu fragen, ob dunkle Energie real ist, weil keines unserer Teilchenphysik-Modelle dies erfordert oder es erklären kann. Ist das ein Fehler in unseren Messungen? Haben Supernovae vom Typ 1a, mit denen wir abweichende Galaxien kalibrieren, tatsächlich alle die gleiche tatsächliche Leuchtkraft oder kommen sie in einer Vielzahl von wechselnden Leuchtstärken oder in der Geschichte der Geschichte des Universums vor, die uns veranlasst, eine falsche Beschleunigung zu messen? Oder ist da noch etwas los, das wir uns gar nicht vorstellen können?

Wenn wir es also sehen, wirft es all diese Fragen auf. Und dann befinden wir uns jetzt in einer Ära, in der wir auch damit beginnen können, die Expansionsrate des Universums von den ersten Prinzipien aus zu messen, wo wir auf den kosmischen Mikrowellenhintergrund schauen und alles in Ordnung bringen, wir wissen, was erforderlich ist, um dorthin zu gelangen der kosmische Mikrowellenhintergrund. Prüfen. Wir sehen es.

Wir messen jetzt die Klumpen und Beulen darin. Die heißeren Orte und die kälteren Orte, die die Schallwellen reflektieren, die sich durch das frühe Universum bewegen, und wir messen diese, kommen zur Geometrie des Universums.

Und dann schauen wir uns an, wann wir verschiedene Strukturen auftauchen sehen, und bauen ein sogenanntes Lambda-Kalt-Dunkle-Materie-Modell des Universums, in dem Lambda unsere dunkle Energiekomponente ist. Wir gehen von einem Temperaturgradienten zur Dunklen Materie aus, der die Bildung von Galaxien ermöglichte, wenn wir Galaxien entstehen sehen. Es ermöglichte, dass sich Cluster bilden, wenn wir sehen, wie sich Cluster bilden. Wir messen einige andere Parameter des Universums. Und all dies kann zusammengefügt werden, um einen Hubble-Wert zu erhalten, und er passt nicht ganz zusammen.

Es ist eher 72. Und 72 und 68 sind nicht dieselbe Zahl. Aber bis vor kurzem stimmte alles innerhalb der Fehlerbalken überein. Erst jetzt, da wir anfangen, wirklich gute kleine Fehlerbalken zu bekommen, sind wir auf dieses Problem gestoßen. Sie können zu früheren Episoden der Show zurückkehren, und ich habe sehr fest gesagt, dass das Alter des Universums 16,8 plus oder minus 0,2 Milliarden beträgt – und nein. Nein, wir wissen es nicht. Wir kennen das Alter des Universums im Moment nicht.

Fraser: Ja. Es war wie 13.77. Es wurde richtig genau. Dort war es zeitweise 13.7. Wir haben es aufgerundet. Und dann wurde es dank Planck, glaube ich, etwas genauer.

Fraser: Ja. Wir haben es auf 13.8 aktualisiert, und jetzt haben sich die Fehlerbalken wieder erweitert und wir müssen 14-ish gehen.

Pamela: Nun, und es sind nicht wirklich die Fehlerbalken in unseren Messungen, die problematisch sind, und das ist der frustrierende Teil.

Pamela: Es ist ein Ort, an dem wir etwas Grundlegendes nicht verstehen, was beunruhigend ist. Soweit irgendjemand sagen kann, sind alle unsere Messungen der Expansion des Universums basierend auf dem, was wir sehen und messen können, in Ordnung.

Wir glauben also, dass wir endlich die Parallaxenmessungen geschafft haben, die Entfernungen zu Cepheiden erhalten, mit anderen Arten von Objekten bestätigt haben, wir haben die Entfernungen zu nahegelegenen Galaxien mit Cepheiden gemessen, wir haben sie mit roten Variablen, planetarischen Nebeln usw. verglichen Diese anderen Methoden, die wir entwickelt haben, um Entfernungen mit einem mehr oder weniger eingebauten Fehler zu messen, passen alle gut zusammen.

Wir haben uns mit Supernova ausgeweitet und sie, wo immer wir können, mit all diesen anderen Entfernungsmessungen kalibriert. Alles scheint zu funktionieren. Und dann vergleichen wir diese Messungen mit Messungen des frühen Universums, die auf dem kosmischen Mikrowellenhintergrund und den Bildungsraten sowie der Expansion des Universums basieren – nun, das ist, was Sie berechnen, die Expansion des Universums, und diese Zahl stimmt nicht überein.

Und so stellt sich die Frage, ob das Universum vielleicht schon früh eine Mischung aus Temperaturen ist. Gibt es eine Mischung aus kalter und warmer dunkler Materie? War es verschwommen, wie es in einer kürzlich erschienenen Zeitung stand?

Fraser: Ja. Das ist ganz neu. Ist es nicht? Ja.

Pamela: Ja. Und es gibt Fragen dazu, ob sich die Dunkle Materie verändert? Verändert sich dunkle Energie im Laufe der Zeit? Wahrscheinlicher ist, dass dunkle Energie der variable Schuldige ist, aber wir wissen nicht, was zum Teufel es ist, also sagen Sie alles, was Sie wirklich nicht tun können.

Wir sind also an diesem Punkt, an dem wir wissen, dass das Universum grundlegend anders ist, als wir dachten.

Fraser: Hm-mm. Lassen Sie uns in den wenigen Minuten, die uns noch bleiben, einige dieser Möglichkeiten untersuchen, um zumindest ein wenig zu verstehen, woher dies kommen könnte. Beginnen wir also damit, dass sich die Expansionsrate im Laufe der Zeit auf eine Weise ändert, die Astronomen nicht vorhergesagt haben

Also, was würde das verursachen – weißt du, wie könnte das aussehen?

Pamela: Die sich im Laufe der Zeit ändernde Expansionsrate scheint derzeit also davon abhängig zu sein, dass jeder Kubikmeter des Universums ein paar Protonen an Energie enthält. Und soweit wir in letzter Zeit feststellen können, ist diese Energiemenge pro Kubikmeter konstant geblieben, und wenn sich das Universum ausdehnt, landet man immer mehr dieser dunklen Energie im Universum.

Frag nicht. Wir wissen es nicht. Wir können es nicht erklären. Aber dies scheint beobachtet zu werden. Nun gibt es Hinweise, die sich als real erweisen können oder nicht, dass sich die Energie pro Kubikmeter zu verschiedenen Zeiten im Universum geändert haben könnte. In diesem Fall hätten Sie treibende Faktoren gehabt, die die Expansion mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten beeinflusst haben. Und wir wissen, dass die Expansionsrate nicht immer konstant gewesen sein kann, denn es gab ein Inflationsepos, das uns in den ersten Momenten nach dem Urknall vom Nichts auf die Größe eines Sonnensystems brachte.

Inflation scheint notwendig zu sein, um das Universum zu verstehen. Es ist also nicht ungewöhnlich, sich vorzustellen, dass das Universum eine variable Expansionsrate hat, es ist einfach nicht etwas, das wir erklären können.

Fraser: Also, ich bilde mir nur ein, bevor wir uns vorstellten, dass das Universum mit dem Urknall begann und sich dann ausdehnte, entfernte sich alles mit einer bestimmten Geschwindigkeit, die sich dank der Schwerkraft aller verlangsamte Diese Dinge ziehen sie zusammen, und es sollte eine ziemlich einfache, wenn auch sehr komplizierte Messung sein.

1998 wirft das dunkle Energie ein. So okay. Jetzt haben Sie diesen Beschleunigungsprozess. Das Universum hat also seinen Fuß aufs Gaspedal, und die Dinge werden nicht langsamer. Tatsächlich beschleunigen sie, aber rechnen Sie etwas, Sie sollten in der Lage sein, diese Beschleunigungsrate zu messen.

Aber es könnte sein, dass es eine Variable ist, dass es tatsächlich früh etwas mit der dunklen Energie gibt, das sie vielleicht schneller ausdehnt und dann verlangsamt und später dann beschleunigt hat.

Also, wenn du diese eine Messung schon früh hast und du jetzt diese andere Messung hast, und beide sind genau und sie stimmen nicht überein, dann hat das Universum zwischen den Zeiten, in denen du did konnten diese Messungen vom Anfang des Universums bis heute durchführen.

Pamela: Im Grunde könnte uns die dunkle Energie also wirklich vermasseln. Und die andere Sache, die uns wirklich vermasseln könnte, ist dunkle Materie, denn alle –

Fraser: Richtig. Und das war das andere, was Sie gesagt haben, oder? Die Temperatur, die – also, können Sie das einfach erklären? Was ist das? Wie kalte dunkle Materie, eine dunkle Materie, warum ist diese Materie von Bedeutung?

Pamela: Die Temperatur bestimmt, wie schnell sich Teilchen bewegen. Und wenn sich Teilchen zu schnell bewegen, werden sie sich nicht in höflich kollabierenden Klumpen niederlassen, die Sterne und Galaxien bilden.

Wenn Sie also ein Universum haben, das anfänglich mit heißer, dunkler Materie gefüllt ist, wird es nicht diese schönen Halos bilden, die notwendig sind, um sich in dem Material zu sammeln, das die ersten Sterne, Galaxien und Haufen bildete.

Wenn Sie stattdessen eine außerordentlich zu kalte dunkle Materie haben, wird sie zu schnell kollabieren. Sie müssen also dunkle Materie haben, die genau die richtige Temperaturverteilung hat, die wir immer noch als kalt einstufen.

Und basierend auf dieser kalten dunklen Materie sind wir in der Lage, den kontrollierten frühen Kollaps von Material in Halos und Strukturen zu bringen, die das Universum so erklären können, wie wir es sehen.

Fraser: Jetzt haben wir eine zweite Episode, die wir in Kürze veröffentlichen werden. Ich denke, für die Leute, die das hören, ist es als Podcast, es kommt in einer Woche. Und es geht – es ist sehr verbunden und sehr verwandt, und wenn es sich anfühlt, als hätten wir dieses Problem nicht von jedem Grad aus betrachtet, ist das in Ordnung. Wir werden eine weitere Episode damit verbringen, es auch aus einer anderen Perspektive zu betrachten. Machen Sie sich also keine Sorgen. Nächste Woche geht die Geschichte weiter.

Pamela, bevor wir gehen, hast du noch ein paar Namen zum Vorlesen?

Pamela: Das tue ich. Ich möchte unseren Gönnern auf danken. Patreon.com/AstronomyCast. Ohne Sie könnten wir alles, was wir tun, nicht tun. Ich danke dir sehr. Wir wissen, dass im Grunde jeder zehnte von euch da draußen für diese Show spendet, und –

Pamela: Oh. Du hast recht. Du hast recht.

Pamela: Verdammt. Ich kann nicht rechnen.

Pamela: Ja. 1 von 1.000 von Ihnen spendet.

Fraser: Was cool ist. Ich meine, das ermöglicht jedem 1 von 1.000 von Ihnen, der für die Show spendet, dass andere 1.000 Menschen eine kostenlose Ausbildung in Astronomie von einem promovierten Astrophysiker erhalten. Also vielen Dank.

Pamela: Und das Mindeste, was wir tun können, ist Danke zu sagen. Und ich wünschte, wir könnten mehr tun. Aber jetzt bedanke ich mich beim Namen.

Vielen Dank an Jessica Felts, Arthur Latz-Hall, Tyrone Thong, Brandon Wolverton, Jay Alex Anderson, Joshua Pearson, Omar Del Riviera, William Lauer, Jack, Jeremy Kerwin, Brian Kilby, Brent Krenop, Jill Wilkinson, Mark Stephen Resnak, Dustin A. Ralph, Kevin Nitka, Chad Collopy, Claudia Mastroianni und Nuder Dude.

Vielen Dank für alles, was Sie tun, und ich wünschte, ich könnte es Ihnen eines Tages ins Gesicht sagen.


Eine Debatte über die Expansionsrate des Universums könnte die Physik entwirren. Ist es eine Krise?

ERWEITERUNGSFRAKTIONEN Das Universum dehnt sich aus &ndash, aber wie schnell? Einige Messungen mit einer Technik, die als „Abstandsleiter&rdquo (dargestellt) bekannt ist, stimmen nicht mit Schätzungen aus dem frühen Universum überein.

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SANTA BARBARA, Kalifornien. — Das Wort „Krise“ hing von Anfang an in der Luft.

In einem Raum in Santa Barbara, nur wenige Schritte vom Meer entfernt, rutschten Astronomen und Physiker unruhig auf ihren Stühlen hin und her. Sonnenschein und Meeresbrise lockten, aber die Wissenschaftler hatten sich eingesperrt, um über eines der größten Dilemmas der Physik zu diskutieren: wie schnell sich das Universum ausdehnt.

Schätzungen auf der Grundlage explodierender Sterne oder Supernovae hatten ergeben, dass das Universum etwa 10 Prozent schneller wächst als das Licht, das kurz nach dem Urknall vor etwa 13,8 Milliarden Jahren emittiert wurde. Nun hatte eine Messung, die auf Beobachtungen von leuchtenden Objekten namens Quasaren beruhte, das Problem über einen statistischen Benchmark namens Five Sigma hinaus getrieben, was bedeutete, dass das Problem ernst zu nehmen war.

An der Vorderseite des Raums debattierten am 15. Juli zwei Nobelpreisträger der Physik-Titanen über die angemessene Alarmstufe. Der Kosmologe Adam Riess vom Space Telescope Science Institute in Baltimore befragte den theoretischen Teilchenphysiker David Gross: Wie würden Teilchenphysiker eine so große Diskrepanz bezeichnen?

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„Wenn wir so etwas finden würden … würden wir es nicht als Spannung oder Problem bezeichnen, sondern eher als Krise“, sagte Gross vom Kavli Institute for Theoretical Physics an der University of California, Santa Barbara.

Die Wissenschaftler des Treffens verwendeten sofort das Wort „Krise“, um den Unterschied in den Expansionsschätzungen zu beschreiben. Aber nicht alle sind sich einig, dass das Problem real ist. In der Physiker-Version eines Mikrofons tauchte an diesem Abend eine Studie online auf, die die Erzählung in Frage stellte. Eine neue Version der Supernova-Technik fand einen Wert der Hubble-Konstanten, dem Parameter, der die Expansion des Universums quantifiziert, der mit den Messungen aus dem frühen Universum übereinstimmte. Also – Krise oder noch nicht?

Es steht viel auf dem Spiel, einschließlich des grundlegenden Verständnisses der Wissenschaftler darüber, was das Universum enthält und wie es sich im Laufe der Zeit entwickelt. Bisher ist es einer Theorie, die als kosmologisches Standardmodell bekannt ist, gelungen, eine Vielzahl von kosmischen Beobachtungen zu erklären. Aber die Diskrepanz bei den Messungen der Expansion des Universums könnte bedeuten, dass das Modell selbst drastisch geändert werden muss.

Wenn sich die Sackgasse nicht durch experimentelle Fehler erklären lässt, sagt die theoretische Physikerin Vivian Poulin vom CNRS und dem Laboratoire Univers et Particules de Montpellier in Frankreich, „würde das bedeuten, dass es wirklich etwas sehr Wichtiges gibt, das wir nicht von Anfang an verstehen Universum." Wenn im Säuglingskosmos unbekannte Phänomene auftraten – wie eine andere Art dunkler Energie oder neue subatomare Teilchen – könnte dies unser Verständnis der Entwicklung des Universums verändern und möglicherweise die beiden Messungen wieder in Einklang bringen.

Ein expandierendes Thema

Eine Technik zur Messung der aktuellen Expansion des Universums besteht darin, ein „Babybild“ des Kosmos zu machen und auf den heutigen Tag zu extrapolieren. Dieses Säuglingsbild ist der kosmische Mikrowellenhintergrund, Licht, das nur 380.000 Jahre nach dem Urknall emittiert wird. Um diese Informationen in eine Expansionsrate des modernen Universums zu übersetzen, verwenden Wissenschaftler das kosmologische Standardmodell, um eine Vorhersage zu treffen.

KOSMISCHE FOSSILIEN Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, die vom Planck-Satelliten beobachtet wurden, zeigen Muster im ältesten Licht des Universums (siehe Abbildung), die verwendet werden können, um die aktuelle Expansionsrate des Universums vorherzusagen. ESA und die Planck-Kollaboration

Mit dieser Strategie haben Wissenschaftler des Planck-Experiments geschätzt, dass sich das Universum mit einer Geschwindigkeit von 67,4 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec oder etwa 3 Millionen Lichtjahre Entfernung zwischen Objekten ausdehnt (SN: 21.03.15, p. 7). Die Zahl lässt wenig Spielraum für Uneinigkeit: Der experimentelle Fehler beträgt nur 0,5 km/s/Mpc.

Aber Supernova-Messungen haben sich auf eine größere Expansionsrate von 74,0 km/s/Mpc mit einem Fehler von 1,4 km/s/Mpc festgesetzt. Das hinterlässt eine unerklärliche Lücke zwischen den beiden Schätzungen. Jetzt „hat die Community begonnen, dieses [Problem] extrem ernst zu nehmen“, sagt der Kosmologe Daniel Scolnic von der Duke University, der an dem von Riess geleiteten Supernova-Projekt SH0ES arbeitet.

Es sei unwahrscheinlich, dass ein experimenteller Fehler bei der Planck-Messung die Diskrepanz erklären könnte: Diese Aussicht sei „kein möglicher Ausweg aus unserer aktuellen Krise“, sagte der Kosmologe Lloyd Knox von der University of California, Davis, bei dem Treffen. Außerdem stimmt eine andere Technik mit ihrer Basis im frühen Universum, die Messung von Schallwellen, die als baryonische akustische Oszillationen bekannt sind, in Kombination mit anderen Messungen mit dem Planck-Ergebnis überein.

Daher haben sich die Sorgen auf die Möglichkeit konzentriert, dass die Supernova-Messungen nicht berücksichtigte systematische Fehler enthalten – Verzerrungen, die die SH0ES-Schätzung auf einen höheren Wert treiben. „Was mich nachts wach hält, ist, welche Systematik wir vielleicht nicht kennen, wenn wir nur eine Methode anwenden?“ sagt die Kosmologin Wendy Freedman von der University of Chicago.

Freedman nahm es auf sich, das zu überprüfen.

Fernweh

Um zu messen, wie schnell sich das Universum derzeit ausdehnt, müssen Wissenschaftler zwei Informationen kombinieren: wie schnell sich entfernte Objekte von uns zu entfernen scheinen und wie weit sie entfernt sind. Ersteres ist relativ einfach. Wissenschaftler suchen nach einer Rotverschiebung, einer Dehnung der Wellenlängen des von einem Objekt emittierten Lichts.

Das Messen von Entfernungen ist viel schwieriger. Astronomen verwenden „Standardkerzen“, Himmelsobjekte, die eine konsistente, quantifizierbare Helligkeit ausstrahlen, wie Explosionen einer Supernova-Art namens Typ 1a. Wie bei einer echten Kerze können wir bei bekannter Helligkeit eines Objekts feststellen, wie weit es entfernt ist, indem wir es aufgrund der Entfernung gedimmt haben.

Das Einstellen der Entfernungsskala erfordert eine „Entfernungsleiter“, die nahegelegene Objekte mit gleichmäßiger Helligkeit als Brücke zu weiter entfernten Supernovae verwendet. Als eine Sprosse dieser Entfernungsleiter verwendet das SH0ES-Team Sterne, die als Cepheiden bekannt sind und deren Helligkeit regelmäßig so variiert, dass Wissenschaftler ihre Gesamthelligkeit abschätzen können.

Um die vorherigen Supernova-Ergebnisse zu überprüfen, warf Freedman diese Entfernungsleiter aus. Anstelle von Cepheiden verwendeten sie und ihre Kollegen Sterne, sogenannte Rote Riesen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt ihres Lebens eine maximale Helligkeit erreichen, die für jeden Stern gleich ist. Das Ergebnis sei „von Grund auf völlig anders“, sagt Freedman.

In einem gut getimten, dramatischen Aufschwung, der die Versammlung normalerweise unerschütterlicher Forscher erschütterte, enthüllte Freedman die Ergebnisse ihres Teams in einem Vortrag am zweiten Tag des Treffens sowie in einer Studie, die in der Astrophysikalisches Journal. Das Ergebnis lag mit 69,8 km/s/Mpc genau zwischen den widersprüchlichen Schätzungen von SH0ES und Planck. Mit ruhiger Entschlossenheit drängt Freedman Krisenerklärungen zurück und sagt, dass das Ergebnis ihres Teams die Forscher zum Innehalten veranlassen sollte (SN Online: 16.07.19).

Heilige Kuh, H0LiCOW

Aber selbst als Freedmans Enthüllung die Argumente für eine Krise schwächte, hatte sich bereits eine Dynamik in Richtung seiner Erklärung aufgebaut. Nur wenige Tage vor dem Treffen veröffentlichte die H0LiCOW-Kollaboration auf arXiv.org zwei Studien über eine Messung der Hubble-Konstante basierend auf Gravitationslinsen von Quasaren, hellen Lichtquellen, die von einem supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum einer Galaxie angetrieben werden.

Genau wie eine Linse können massive Objekte den Weg des Lichts verbiegen. Die Forscher untersuchten Quasare, die durch solche Gravitationslinsen in mehrere Bilder aufgespalten wurden, sodass ein Quasar wie zwei oder mehr aussieht. Das Phänomen ähnelt dem doppelten Bild eines Fisches, den Sie möglicherweise sehen, wenn er in der Nähe der Ecke eines Aquariums schwimmt.

QUASAR AUSFRAGEN Die Überwachung des Flackerns von Quasaren, die aufgrund von Gravitationslinsen (siehe Abbildung) mehrfach auftreten, kann Wissenschaftlern helfen, die Expansionsrate des Universums zu messen. K. C. Wong et al/arXiv.org 2019

Die Untersuchung, wie diese Quasarbilder flackern, ergab eine Hubble-Konstante von 73,3 km/s/Mpc, was die Idee einer Krise unterstützt. „Nach unserem Ergebnis scheint dies realer zu sein“, sagt der Kosmologe Geoff Chih-Fan Chen von der University of California, Davis.

Entscheidend ist, dass die Forscher ihre Arbeit „blind“ verrichteten, was bedeutete, dass sie die Antwort vor sich selbst versteckten, bis die Analyse abgeschlossen war. Diese Technik kann verhindern, dass Analysatoren unbeabsichtigt ihre Ergebnisse mit zuvor gemessenen Werten der Hubble-Konstante abgleichen. Trotz dieser Blendung war das Ergebnis wie ein „Echo“ des SH0ES-Ergebnisses, sagt Chen.

In der Zwischenzeit berichtete der Astronom Mark Reid vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics über eine Hubble-Konstantenmessung basierend auf Megamasern – Gaswolken, die um ein Schwarzes Loch herumwirbeln und Licht einer bestimmten Wellenlänge emittieren, ähnlich wie bei einem Laser. Diese Schätzung entsprach ebenfalls dem höheren Wertebereich von etwa 74 km/s/Mpc.

Auf dem Treffen wurden auch Messungen präsentiert, die auf Variationen der Helligkeit einer Galaxie über die Pixel eines Bildes (76,5 km/s/Mpc) basieren, und eine weitere Variation der Supernova-Technik, bei der Sterne namens Miras anstelle von Cepheiden oder Roten Riesen verwendet wurden (73,6 km/s/Mpc).

Inzwischen erregt ein weiteres kosmologisches Rätsel zunehmend Aufmerksamkeit, sagt Hendrik Hildebrandt von der Ruhr-Universität Bochum. Es gibt Hinweise auf Meinungsverschiedenheiten bei der Messung der Klumpenbildung von Materie im Universum, gemessen durch einen als Sigma-8 bekannten Parameter. Um diese Klumpen zu erkennen, untersuchen die Wissenschaftler den Himmel und suchen nach einer schwachen Variante von Gravitationslinsen, bei denen Galaxien leicht aufeinander ausgerichtet zu sein scheinen. Diese Linsenbildung kann verwendet werden, um auf die Massenverteilung im Universum zu schließen. Aber ähnlich wie bei der Hubble-Konstantenmessung stimmt diese Zahl, gemessen durch eine Untersuchung namens Kilo-Degree Survey, nicht mit Schätzungen überein, die auf dem kosmischen Mikrowellenhintergrund basieren.

„Die Sigma-8-Spannung ist das zweite Fragezeichen, das wir haben“, sagt Hildebrandt. Aber die Diskrepanz ist nicht so signifikant, stellt er fest, und sie wurde nicht so genau untersucht. „Es ist nicht so ausgereift, wie es noch nicht so lange in der Literatur steht. Aber es scheint auch nicht wirklich wegzugehen.“

Früh vs. spät

Schätzungen der Expansionsrate des Universums auf der Grundlage der Physik des frühen Universums haben tendenziell niedrigere Werte als die des späten Universums, einschließlich Supernovae vom Typ 1a (rot) in Verbindung mit Sternen, die als Cepheiden, Rote Riesen und Miras bekannt sind. Andere Schätzungen des späten Universums basieren auf Objekten, die Megamaser und Quasare genannt werden, und darauf, wie die Helligkeit innerhalb von Galaxien variiert.

Schätzungen, wie schnell sich das Universum ausdehnt, stimmen nicht überein

C. Chang C. Chang

Einige Wissenschaftler fragen sich, ob es einen Zusammenhang zwischen dieser möglichen Diskrepanz und dem Dilemma der Expansionsrate gibt. Wenn Forscher feststellen, dass es ein zweites potenzielles Problem mit ihrem Verständnis des Universums gibt, würde dies den Fall verstärken, dass etwas ganz und gar nicht stimmt.

Das Universum spricht?

Wenn die Abweichungen nicht auf Messfehler zurückzuführen sind, wird eine neue Theorie benötigt, die mit allen Daten konsistent ist. Aber Wissenschaftler haben sich schwer getan, eine schlüssige Erklärung zu finden. Fast jede Änderung an der Geschichte des Universums – zum Beispiel das Hinzufügen neuer Arten von subatomaren Teilchen – würde mit anderen Messungen in Konflikt geraten und die Physik in Aufruhr stürzen.

„Wir haben so viele verschiedene Möglichkeiten, das Universum zu untersuchen, dass es sehr schwierig ist, eine elegante Theorie aufzustellen, die alle Tests besteht, ohne neue Spannungen zu erzeugen“, sagt Dillon Brout von der University of Pennsylvania.

Eine mögliche Lösung besteht darin, die mysteriöse dunkle Energie hinzuzufügen, die die Expansion des Universums beschleunigt. Eine „frühe dunkle Energie“ könnte in der Jugend des Universums gewirkt haben und die Expansion um die Zeit herum verändert haben, als der kosmische Mikrowellenhintergrund freigesetzt wurde, berichteten Poulin und Kollegen auf dem Treffen und am 7. Physische Überprüfungsschreiben.

Und Meinungsverschiedenheiten über die Hubble-Konstante haben einen Präzedenzfall: Die Schätzung hat eine Geschichte verwirrender Ergebnisse, sagt Lucas Macri von der Texas A&M University in College Station. In diesen früheren Fällen „versuchte das Universum, Ihnen zu sagen, dass Sie nicht das ganze Bild hatten“. In einem Fall schienen zum Beispiel einige Sterne älter als das Alter des Universums. Die Auflösung kam schließlich in der Enthüllung der Existenz dunkler Energie.

Nach tagelangen Diskussionen waren alle Beweise zusammengetragen worden. Die Organisatoren baten um Handzeichen: Sollten die ständigen Probleme von Hubble als Spannung, Problem oder Krise bezeichnet werden? Es stellte sich heraus, dass Kosmologen ein wenig zögerten, das, was sie über das Universum zu wissen glaubten, wegzuwerfen. Für „Krise“ gingen nur ein paar Hände hoch. Argumente, dass eine Lösung gefunden werden könnte, ohne die Physik zu überarbeiten, schienen sich durchgesetzt zu haben.

Wenn das ständige Hubble-Puzzle jedoch weiterhin besteht, könnte dies bedeuten, dass das Universum erneut versucht, sich zu äußern.

Fragen oder Anmerkungen zu diesem Artikel? Senden Sie uns eine E-Mail an [email protected]

Eine Version dieses Artikels erscheint in der Ausgabe vom 14. September 2019 von Wissenschaftsnachrichten.

Zitate

L. Verde, T. Treu und A. G. Riess. Spannungen zwischen dem frühen und dem späten Universum. arXiv:1907.10625. Gepostet am 24. Juli 2019.

A. Riess. Lokales H0 von SH0ES. KITP-Konferenz: Spannungen zwischen dem frühen und dem späten Universum. Santa Barbara, Kalifornien, 15. Juli 2019.

V. Poulinet al. Early Dark Energy kann die Hubble-Spannung auflösen. Physische Überprüfungsschreiben. vol. 122, 7. Juni 2019, S. 22 221301. doi: 10.1103/PhysRevLett.122.221301.

W. L. Freedmanet al. Das Carnegie-Chicago Hubble-Programm. VIII. Eine unabhängige Bestimmung der Hubble-Konstanten basierend auf der Spitze des Roten Riesenzweigs. Das Astrophysikalische Journal. Im Druck, 2019.

W. Freier. Das Carnegie Chicago Hubble-Programm. Spannungen zwischen dem frühen und dem späten Universum. Santa Barbara, Kalifornien, 16. Juli 2019.


Messung der alten Geschichte

Um die Expansionsrate des Universums zu messen, beobachteten die Teams keine Galaxien, sondern explodierende Sterne, sogenannte Supernovae vom Typ Ia. Dies sind extrem energiereiche Ereignisse, so dass sie in viel größeren Entfernungen als typische Galaxien nachgewiesen werden können. Sterne, die zu Supernovae vom Typ Ia werden, beginnen alle mit etwa der gleichen Masse. Daher explodiert jeder mit der gleichen Energiemenge. Somit hängt die Helligkeit von Typ-Ia-Supernovas nur von einem Faktor ab: ihrer Entfernung von der Erde. Je dunkler die Supernova, desto weiter ist sie von der Erde entfernt. Es ist das gleiche Prinzip, das bestimmt, wie viel Sie in die Scheinwerfer eines entgegenkommenden Autos blinzeln. Die Scheinwerfer eines entfernten Autos erscheinen dunkler als die eines Autos, das näher an Ihnen ist. Somit liefert die Helligkeit einer Supernova eine Schätzung ihrer Entfernung.

Das Licht einer Supernova dient als Zeitmaschine. Nehmen wir an, eine Supernova soll fünf Milliarden Lichtjahre entfernt sein. Das heißt, es dauerte fünf Milliarden Jahre, bis das Licht die Erde erreichte, also ereignete sich die Supernova tatsächlich vor fünf Milliarden Jahren. "Wir sehen [die Supernovas] so, wie sie vor Milliarden von Jahren waren", sagt Filippenko. „Das erlaubt uns im Wesentlichen, einen Film über die vergangene Geschichte des Universums zu sehen.“

Das Licht einer Supernova bietet auch einen Hinweis auf die Expansionsrate zum Zeitpunkt der Explosion. Da sich das Universum ausdehnt, scheinen sich die Supernovas von uns wegzubewegen. Die Ausdehnung dehnt tatsächlich die Wellenlängen des Lichts aus, die uns von den Supernovae erreichen. Astronomen nennen den Betrag der Dehnung "Redshift" und messen ihn mit einem Gerät namens Spektrograph. Die Rotverschiebung entspricht der Geschwindigkeit, mit der sich ein Objekt von der Erde entfernt – der Expansionsrate des dazwischenliegenden Raums.

Die beiden Teams trugen die Rotverschiebung einer Reihe von Supernovas in eine Grafik ein. Einige waren sehr hell, also in der Nähe und erst vor relativ kurzer Zeit aufgetreten. Andere waren sehr dunkel, daher sehr weit entfernt und traten viel früher in der Geschichte des Universums auf. Folglich zeigte die Grafik die Änderung der Expansionsrate des Universums im Laufe der Zeit.

Als die beiden Teams ihre Daten analysierten, verlief die Expansionsrate wie erwartet für die ersten acht Milliarden Jahre der Geschichte des Universums. Es verlangsamte sich im Laufe der Zeit aufgrund der entgegenwirkenden Wirkung der Schwerkraft. Aber seltsamerweise kehrte sich die Expansionsrate vor fünf Milliarden Jahren um. Es begann zu beschleunigen und tut es immer noch. "Eine abstoßende Wirkung unbekannten Ursprungs begann zu wirken", sagt Filippenko. Dunkle Energie, argumentierten sie, trieb die kosmische Beschleunigung voran.


Dehnen sich einige Teile des Universums schneller aus als andere? Maaaaaaybe.

Eine neue Reihe umfassender Beobachtungen weit entfernter Galaxienhaufen hat Astronomen zu einer ebenso weitreichenden Aussage gebracht: Es ist möglich – möglich – dass einige der grundlegenden Annahmen, die wir über die Art und Weise, wie wir das Universum sehen, gemacht haben, falsch sind.

Um es klar zu sagen: Das geht nicht bedeuten, dass wir uns in Bezug auf die Expansion des Universums, die Beschleunigung dieser Expansion oder ähnliches irren. Wenn sich herausstellt, dass die Ergebnisse korrekt sind, bedeutet dies, dass es Details in unserem Verständnis des Verhaltens des Universums gibt, die einer sorgfältigeren Untersuchung und möglicherweise einer Aktualisierung bedürfen. Vielleicht ein großes.

Die Grundidee ist also, dass wir denken, dass das Universum auf sehr großen Skalen das ist, was wir isotrop nennen: überall gleich. Also ungefähr die gleiche Dichte, Temperatur und so weiter.

Wir wissen seit einem Jahrhundert, dass sich das Universum ausdehnt. Wir sind auch davon ausgegangen, dass die Expansion überall gleich ist, egal wo man in den Himmel schaut. Sie werden Dinge sehen, die den gleichen Expansionsregeln gehorchen wie überall sonst.

Diese Idee eines isotropen Universums ist eine der grundlegendsten Annahmen in der Kosmologie (der Untersuchung des Gesamtverhaltens und der Geschichte des Universums). Und weil es so grundlegend ist, haben einige Astronomen beschlossen, dass es eine gute Idee wäre, es zu testen.

Wohlgemerkt, das ist gute Wissenschaft! Hinter dieser Annahme verbergen sich viele Beweise, einschließlich des frühesten Lichts, das wir im Universum sehen können, das als kosmischer Mikrowellenhintergrund bezeichnet wird. Dieses Licht umgibt uns in alle Richtungen, und man kann es sich als das verbleibende Glühen des Urknalls vorstellen, das auf etwa 3 Kelvin (-270°C) abgekühlt ist. Dieses Licht ist überall extrem glatt, die gleiche Helligkeit egal wohin wir schauen, bis zu einem Teil von 100.000! Dieses Licht kommt buchstäblich aus dem ganzen Universum, also ist es ein ziemlich guter Indikator dafür, dass das Universum wirklich isotrop ist.

Zumindest bei großen Entfernungen. Dieses Licht kommt aus über 13 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Kann man mit Sicherheit sagen, dass das Universum auf kleineren Skalen isotrop ist?

Das wollten die Astronomen testen. Dazu betrachteten sie Galaxienhaufen, gigantische Ansammlungen von Hunderten oder sogar Tausenden von Galaxien, die sich alle umkreisen. Zwischen diesen Galaxien befindet sich extrem heißes Gas, das so heiß ist, dass es Röntgenstrahlen aussendet.

Die kollidierenden Galaxienhaufen Abell 1033. Optisches Licht (rot/grün/blau) zeigt Galaxien, Röntgenstrahlen (lila) superheißes Gas und Radio (blau) viel energieärmeres Gas, das aus einer Galaxie ausgeblasen wird. Bildnachweis: Röntgen: NASA/CXC/Leiden Univ./F. de Gasperin et al Optisch: SDSS Funk: LOFAR/ASTRON, NCRA/TIFR/GMRT

Hier wird es lustig. Wenn wir uns die Arten der emittierten Röntgenstrahlen ansehen, können wir die Temperatur dieses Gases bestimmen. Diese Temperatur ist dem Gas eigen, und wir müssen keine Entfernung oder etwas zum Cluster annehmen, um sie zu messen. Nun, wenn wir wissen wollen, Helligkeit dieses Gases, die Gesamtmenge des von ihm emittierten Röntgenlichts, dann wir tun Sie müssen die Entfernung zum Cluster kennen. Es ist, als ob Sie eine entfernte Glühbirne sehen, Sie können sehen, wie hell sie für Sie aussieht, aber Sie müssen wissen, wie weit sie entfernt ist, um zu wissen, wie viel Licht sie tatsächlich ausstrahlt.

Eine Möglichkeit, die Leuchtkraft des Clustergases zu ermitteln, besteht darin, seine Entfernung zu messen, indem man weiß, wie schnell sich das Universum ausdehnt. Seit den 1920er Jahren wissen wir, je schneller wir sehen, dass sich etwas von uns entfernt, desto weiter entfernt ist es. Wenn wir also seine scheinbare Geschwindigkeit messen können, können wir seine Entfernung berechnen. Wir bezeichnen die Geschwindigkeit der Expansion durch eine nach Edwin Hubble benannte Zahl: Die Hubble-Konstante.

Das ist in Ordnung, aber beachten Sie, dass es von der Rotverschiebung abhängt. Wenn wir das falsch machen, werden unsere Messungen falsch sein! Gibt es eine Möglichkeit, die Leuchtkraft des Gases zu erhalten, ohne es aufzurufen?

Es stellt sich heraus, ja. Beim Betrachten von Hunderten und Aberhunderten von Röntgenstrahlen emittierenden Haufengasen am ganzen Himmel haben Astronomen eine sehr enge Korrelation zwischen Leuchtkraft und Temperatur festgestellt. Auch wenn dies von der Rotverschiebung abhängt, werden sich alle Probleme damit glätten, wenn man so viele Cluster am ganzen Himmel betrachtet. Das Schöne daran ist, dass Sie jetzt zwei Möglichkeiten haben, die Gashelligkeit zu erhalten, eine mit Rotverschiebung und eine ohne. Wenn der einzige Unterschied die Rotverschiebung ist, können Sie die Mathematik lösen, um die Rotverschiebung zu erhalten, und sehen, ob sie, wie wir angenommen haben, wirklich überall gleich ist. Isotrop.

Eine Himmelskarte, die die Position von vier Galaxienhaufen zeigt, die auf Röntgenemission untersucht wurden, wobei vier hervorgehoben sind (ihr Röntgengas ist lila dargestellt). Bildnachweis: NASA/CXC/Univ. von Bonn/K. Migkaset al.

Das hat also ein Team von Astronomen getan. Sie untersuchten über 300 Cluster mit den Röntgenobservatorien Chandra und XMM-Newton, kartierten das heiße Gas und ermittelten die Temperaturen. Was sie fanden, ist erstaunlich: In einer Teil des Himmels sieht es so aus, als ob die Hubble-Konstante höher ist, und in Ein weiterer Teil des Himmels sieht es so aus, als ob die Hubble-Konstante niedriger ist. Sie verwendeten auch ältere Beobachtungen von über 500 solcher Cluster und kamen zum gleichen Ergebnis!

Als wäre die Hubble-Konstante nicht so konstant, und die Änderung hängt davon ab, wo am Himmel Sie hinschauen. Das impliziert, dass unsere Annahme der Isotropie nicht gut ist. Das Universum ist anisotrop.

Eine All-Himmel-Karte, die eine Änderung der Expansionsrate des Universums über den Himmel an einigen Stellen schneller (rot-gelb) und an anderen langsamer (violett-schwarz) zeigt. Quelle: K. Migkas et al. 2020, CC BY-SA 3.0 IGO

Ein Ergebnis wie dieses ist so verblüffend, dass sie sich vergewissern wollten, dass ihnen nichts stolpert. Sie erstellten eine Liste von Dingen, die ihre Beobachtungen beeinflussen und ihre Ergebnisse verzerren könnten. Zum Beispiel könnten Gas und Staub außerhalb unserer eigenen Galaxie einige Röntgenstrahlen von einem Teil des Himmels blockieren, wodurch Cluster in dieser Richtung dunkler aussehen. Sie untersuchten dies so gut sie konnten und hielten dies für unwahrscheinlich. Nicht unmöglich und es lohnt sich, weiter zu untersuchen, aber ihrer Meinung nach wahrscheinlich nicht der Fall.

Eine andere Möglichkeit ist, dass Superhaufen – die größten Strukturen im Universum, buchstäblich Ansammlungen von Galaxienhaufen, die sich über Hunderte von Millionen Lichtjahren über den Kosmos erstrecken – die Dinge durcheinander bringen könnten. Ein oder zwei davon in eine Richtung könnten mit ihrer Schwerkraft an Clustern ziehen, ihnen mehr Geschwindigkeit verleihen und die Rotverschiebungsberechnungen vermasseln. Sie können dies nicht außer Acht lassen, und es sind weitere Beobachtungen erforderlich, um zu sehen, wie groß die Auswirkungen sein können.

Sie haben sich auch andere Dinge angeschaut und nichts gefunden, was ein Showstopper war. Das bedeutet nicht, dass sie Recht haben, aber es impliziert stark etwas es geht voran. Aber was?

Nun, das ist nicht klar. Es kann sein, dass sie nur etwas übersehen haben, das ihre Ergebnisse beeinflusst, und das Universum ist wirklich isotrop. Oder vielleicht haben sie Recht, und es gibt etwas über das Universum selbst, das wir vermissen!

Ich weiß noch nicht, in welche Richtung ich wetten würde. Die Idee des Superclusters ist sinnvoll und sehr schwer zu erklären. Auf der anderen Seite gab es andere Beobachtungen mit Dingen wie explodierenden Sternen und Beobachtungen einzelner Galaxien, die auf ein Problem mit der Isotropie hindeuteten. Noch interessanter ist, dass die Himmelsrichtungen der Anisotropien zwischen diesen verschiedenen Methoden konsistent sind! Das ist… unheimlich. Noch nicht überzeugend, aber genug für mich, um zu sagen, ja, wir müssen uns das genauer ansehen.

Ich bin noch nicht bereit, die Kosmologie wegzuwerfen. Und selbst wenn es wahr ist, ändert es nicht wirklich unsere grundlegendsten Ideen. Es gab immer noch einen Urknall, das Universum dehnt sich immer noch aus und diese Expansionsrate nimmt aufgrund der dunklen Energie jeden Tag zu. Aber die Einzelheiten von all diesen kann sich ändern, und das ist in Ordnung! Das ist schließlich Wissenschaft. Wir haben große, übergreifende Vorstellungen davon, wie Dinge funktionieren, und manchmal sind diese so gut verstanden, dass wir sie Gesetze nennen. Aber was im Detail passiert, das kann sich im Laufe der Zeit ändern, wenn wir mehr und bessere Beobachtungen erhalten.

Wie die Autoren selbst sagen: "Die Bedeutung der kosmischen Isotropie für das kosmologische Standardparadigma ist unbestritten. Die Entwicklung von Prüfmethoden zum Testen dieser Hypothese ist von entscheidender Bedeutung, da durch solche Tests viele neue Informationen über das Universum aufgedeckt werden können."

Was wir hier haben, ist der erste anständige Indikator, bei dem möglicherweise einige Details falsch sind. Vielleicht ist der Indikator falsch. Vielleicht sind unsere Angaben. Wir fangen hier gerade erst an, also werden wir mit der Zeit sehen. Eine Sache, die ich garantieren kann, ist mit einem so großen Anspruch, a Menge der Astronomen werden darauf springen, um zu sehen, was was ist.


Kosmische Expansion: Ein genauer Blick auf eine ‘Standardkerze’

Die Astronomie stützt sich auf sogenannte „Standardkerzen“, um entscheidende Entfernungsmessungen durchzuführen. Cepheiden-Variablen zum Beispiel, die vielleicht berühmtesten Sterne in dieser Kategorie, wurden 1908 von Henrietta Swan Leavitt im Rahmen ihrer Studie über veränderliche Sterne in den Magellanschen Wolken untersucht und die Beziehung zwischen dieser Art von Sternperiode und Leuchtkraft aufgezeigt. Edwin Hubble verwendete auf dieser Beziehung basierende Entfernungsberechnungen, um abzuschätzen, wie weit der damalige „Andromeda-Nebel“ von unserer Galaxie entfernt war, was die wahre Natur des „Nebels“ enthüllte.

In jüngster Zeit haben Astronomen Supernovae vom Typ Ia in ähnlicher Weise verwendet, um die intrinsische Helligkeit einer Quelle mit dem, was am Himmel beobachtet wird, zu vergleichen und die Entfernung ebenfalls zu bestimmen. Das am häufigsten beschriebene Supernova-Modell vom Typ Ia tritt in Doppelsternsystemen auf, in denen einer der Sterne ein Weißer Zwerg ist, und die Astronomen gehen davon aus, dass diese Supernova-Kategorie eine konsistente Spitzenleuchtkraft erzeugt, die verwendet werden kann, um interstellare und intergalaktische, Entfernungen.

Durch die Untersuchung von Typ-Ia-Supernovae entstand die Idee der Dunklen Energie, um die scheinbare Beschleunigung der Expansion des Universums zu erklären, aber wir können auch auf unsere Methoden zur Messung der Hubble-Konstanten verweisen, die uns helfen, die aktuelle Expansionsrate des Kosmos.

Angesichts der Bedeutung von Standardkerzen für die Astronomie müssen wir sie richtig machen. Jetzt haben wir neue Arbeiten aus dem Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg. Ein Team um Maria Bergemann stellt unsere Annahmen über diese Supernovae in Frage, und das könnte eine Neubewertung der kosmischen Expansionsrate bewirken. Thema: Sind alle Supernovae vom Typ 1a gleich?

Bergemanns Arbeit an Sternatmosphären konzentriert sich seit 2005 auf neue Modelle, um die dort beobachteten Spektrallinien zu untersuchen, die entscheidenden Messungen, die zu Daten über Temperatur, Oberflächendruck und chemische Zusammensetzung eines Sterns führen. Computersimulationen der Konvektion innerhalb eines Sterns und der Wechselwirkungen von Plasma mit der Strahlung des Sterns haben sogenannte Nicht-LTE-Modelle erzeugt und verstärkt, die kein lokales thermisches Gleichgewicht annehmen, was zu neuen Wegen zur Erforschung chemischer Häufigkeiten führte, die unsere bisherigen Ergebnisse in einigen Fällen verändern Elemente.

Das Team am MPIA hat sich mit Beobachtungsdaten im nahen Ultraviolett auf das Element Mangan konzentriert und die Analyse über einzelne Sterne hinaus auf das kombinierte Licht zahlreicher Sterne in einem Sternhaufen ausgeweitet, was die Untersuchung anderer Galaxien ermöglicht. Es braucht eine Supernova-Explosion, um Mangan zu produzieren, und verschiedene Arten von Supernova produzieren Eisen und Mangan in unterschiedlichen Verhältnissen. So produziert eine massereiche Stern-Supernova, eine „Kernkollaps-Supernova“, Mangan und Eisen anders als eine Supernova vom Typ 1a.

Bild: Durch die Untersuchung der Häufigkeit des Elements Mangan hat eine Gruppe von Astronomen unsere besten Schätzungen für die Prozesse hinter Supernovae vom Typ Ia revidiert. Credit: R. Hurt/Caltech-JPL, Komposition: MPIA Grafikabteilung.

Das Team arbeitet mit einem Kern von 42 Sternen in der Milchstraße und hat im Wesentlichen die Entwicklung von Eisen und Mangan rekonstruiert, die durch Supernova-Explosionen vom Typ Ia erzeugt wurden. Die Forscher verwendeten die Eisenhäufigkeit als Indikator für das Alter jedes Sterns im Vergleich zu den anderen. Diese Ergebnisse ermöglichen es ihnen, die Geschichte des Mangans in der Milchstraße zu verfolgen. Sie entdecken, dass das Verhältnis von Mangan zu Eisen über das Alter unserer Galaxie konstant war. Das gleiche konstante Verhältnis zwischen Mangan und Eisen findet sich in anderen Galaxien der Lokalen Gruppe und erscheint als eine scheinbar universelle chemische Konstante.

Dies ist ein Ergebnis, das sich von früheren Erkenntnissen unterscheidet. Frühere Manganmessungen verwendeten das ältere LTE-Modell, wobei man davon ausging, dass Sterne perfekte Kugeln sind, mit Druck und Gravitationskraft im Gleichgewicht. Solche Arbeiten trugen dazu bei, die Idee zu untermauern, dass Supernovae vom Typ Ia am häufigsten mit einem weißen Zwerg-Zeichenmaterial von einem riesigen Gefährten auftraten. Die Daten in Bergemanns Arbeit, die Nicht-LTE-Modelle (No Local Thermal Equilibrium) verwenden, stammen aus dem Very Large Telescope der ESO und dem Keck-Observatorium. Eine andere Schlussfolgerung ergibt sich darüber, wie Typ Ia auftritt.

Die Annahme war, dass diese Supernovae auftreten, wenn ein Weißer Zwerg, der einen Riesenstern umkreist, Wasserstoff auf seine eigene Oberfläche zieht und instabil wird, nachdem er die Grenzmasse erreicht hat, die 1930 von Subrahmanien Chandrasekhar entdeckt wurde (die „Chandrasekhar-Grenze“). Diese Grenzmasse bedeutet, dass die Gesamtmasse des explodierenden Sterns von einer Typ-Ia-Supernova zur anderen gleich ist, was die Helligkeit der Supernova bestimmt und unsere "Standardkerze" erzeugt. Der Nobelpreis für Physik 2011 für Saul Perlmutter, Brian Schmidt , und Adam Riess kommt aus der Verwendung von Typ Ia als Entfernungsmarker, wobei die Messwerte zeigen, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt, aus der wir „dunkle Energie“ gewinnen.

Die Arbeit von Bergemann und seinem Team zeigt jedoch, dass andere Möglichkeiten zur Herstellung einer Typ-Ia-Supernova besser zu den Ergebnissen des Mangan-Eisen-Verhältnisses passen. Diese Mechanismen mögen wie im Szenario Weißer Zwerg/Roter Riese erscheinen, aber da sie anders funktionieren, variiert ihre Helligkeit. Zwei Weiße Zwerge können sich umkreisen, was zu einer Verschmelzung mit resultierender Explosion führt, oder es können in einigen Fällen Doppeldetonationen auftreten, wenn Materie auf den Weißen Zwerg akkumuliert, mit einer zweiten Explosion im Kohlenstoff-Sauerstoff-Kern. In beiden Fällen untersuchen wir ein anderes Szenario als den Standardtyp Ia.

Das Problem: Diese alternativen Supernova-Szenarien folgen nicht unbedingt dem Standard-Kerzenmodell. Doppeldetonationsexplosionen benötigen keinen Stern, um die Massengrenze von Chandrasekhar zu erreichen. Explosionen unterhalb dieser Grenze werden nicht so hell sein wie das Standard-Typ-Ia-Szenario, was bedeutet, dass die genau definierte Eigenhelligkeit, die wir bei diesen Ereignissen suchen, kein zuverlässiges Maß ist. Und es scheint, dass das konstante Verhältnis von Mangan zu Eisen, das die Forscher gefunden haben, darauf hindeutet, dass nicht standardmäßige Supernovae vom Typ Ia keine Ausnahme, sondern die Regel sind. Bis zu drei von vier Supernovae vom Typ 1a können von dieser Art sein.

Dies ist das dritte Papier in einer Reihe, die darauf abzielt, Beobachtungsbeschränkungen zum Ursprung von Elementen und ihrer Entwicklung innerhalb der Galaxie bereitzustellen. Das Papier stellt fest, dass die Entwicklung von Mangan im Vergleich zu Eisen „eine starke Untersuchung der Epoche ist, als SNe Ia begann, zur chemischen Anreicherung und damit zur Sternentstehung der galaktischen Populationen beizutragen“. Die Modelle des nicht-lokalen thermodynamischen Gleichgewichts liefern ein grundlegend anderes Ergebnis als frühere Modellierungen und werfen Fragen bezüglich der Zuverlässigkeit zumindest einiger Typ-Ia-Messungen bezüglich der Messdistanz auf.

Angesichts bestehender Diskrepanzen zwischen der Hubble-Konstante, gemessen mit Typ-Ia-Supernovae, und anderen Methoden haben Bergemann und sein Team den kosmologischen Konsens an einer sensiblen Stelle angestoßen und die Notwendigkeit gezeigt, unsere Standardkerzen, die möglicherweise nicht alle Standard sind, erneut zu untersuchen. Kommende Beobachtungsdaten des Gravitationswellendetektors LISA (der in den 2030er Jahren auf den Markt kommen soll) könnten eine Überprüfung der Prävalenz von Weißen Zwergen-Binärdateien bieten, die diese Arbeit bestätigen oder widerlegen könnten. Noch früher sollten wir die nächste Datenfreigabe (DR3) der ESA-Mission Gaia als wertvolle Referenz haben.

Das Papier ist Eitner et al., „Observational Constraints on the Origin of the elements III. Beweise für die dominante Rolle von Sub-Chandrasekhar SN Ia bei der chemischen Evolution von Mn und Fe in der Galaxis“, im Druck bei Astronomie & Astrophysik (Vordruck).

Kommentare zu diesem Eintrag sind geschlossen.

Eine genauere Untersuchung des ‘Standardkerzenmodells’ mit Supernovae erinnerte mich an eine andere astronomische Praxis, über die ich mich gewundert habe – die Ableitung der Entfernung aus Hubble-Rotverschiebungen.

Gibt es in unserem Publikum einen Astronomen, der mir das beantworten kann?

Welche Bedingungen wären erforderlich, um durch Parallaxe ermittelte Entfernungen mit durch Rotverschiebung ermittelten Entfernungen zu vergleichen? Mir ist klar, dass Parallaxe nur bei sehr nahen Sternen funktioniert und diese Sterne sich nicht so schnell entfernen wie weiter entfernte. Also zwei Fragen zum Vergleich: 1) Wie viele Jahre Parallaxenmessungen würden dauern, bis die Entfernungsänderungen der näheren Sterne (von der Expansion) erkannt werden könnten? 2) Wie groß wäre eine Parallaxe-Beobachterbasis, um eine durch Parallaxe ermittelte Distanz mit einer durch Rotverschiebung ermittelten Differenz zu vergleichen?

Obwohl ich kein Astronom bin, denke ich, dass ich Ihre Fragen beantworten kann. Einfach ausgedrückt beziehen sich alle Parallaxenmessungen auf Sterne innerhalb unserer Galaxie, noch dazu auf benachbarte, und da sie alle gravitativ an die Galaxie gebunden sind, sind sie nicht an der kosmischen Expansion beteiligt.

Astrometrische Messungen sind im Allgemeinen nutzlos, um die Hubble-Konstante (eigentlich eine Variable) zu bestimmen. Daher die Notwendigkeit, astrophysikalische Prozesse wie Cepheiden und Supernovae zu verwenden und die signifikanten Fehlerbalken durch ein besseres Verständnis dieser Prozesse zu behandeln.

Dieses Papier zeigt, dass die Fehlerbalken für eine dieser Standardkerzen möglicherweise nicht so gut sind, wie bisher angenommen.

Ich habe eine wild Off-Topic-Folgefrage zu Ron’s Antwort: Ich habe schon Dinge gehört wie “.. gravitativ gebunden und daher keine Teilnehmer an der kosmischen Expansion”, aber ich kann mir keinen Mechanismus dafür vorstellen . Gibt es ein vernünftiges Buch oder einen Artikel, der dies auf Laienebene diskutiert?

“Angemessen” hängt stark vom Leser ab. Wenn Sie eine Art Antwort in wenigen Sätzen haben möchten, können Sie Folgendes versuchen:
https://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang#Structure_formation

Eine einfache Beschreibung lautet wie folgt. Betrachten Sie das Universum als eine gleichmäßige Dichte von “Staub” zur Zeit des Urknalls. Die Dynamik der Expansion besteht darin, dass benachbarte Staub-“Partikel” eine relative Geschwindigkeit haben, so dass der Abstand zwischen ihnen zunimmt.

Teilchen haben Masse und gravitieren daher. Die Gravitation zwischen benachbarten Teilchen bremst die Expansion, so dass die Expansionsrate mit der Zeit abnimmt.

Allerdings sind die Staubpartikel nicht gleichmäßig verteilt. Es gibt statistische Schwankungen oder Inhomogenitäten. Es ist üblich, dass benachbarte Partikel näher beieinander liegen als der Durchschnitt. Bei ausreichend großen Fluktuationen ist die Gravitation zwischen Teilchen groß genug, damit sie gravitativ gebunden werden.

Auf diese Weise gebundene Partikel nehmen immer noch an der Expansion teil, aber sie tun es gemeinsam.Das heißt, Teilchengruppen, die nicht gravitativ gebunden sind, sehen, dass der Abstand zwischen ihnen pro kosmischer Expansion wächst.

Große Teilchengruppen bilden Galaxien und andere Strukturen. Galaxien können gravitativ gebunden sein, wie die unsere an die LMC und SMC. Die Andromeda-Galaxie zum Beispiel kommt uns näher und unsere Galaxien werden irgendwann verschmelzen.

Das macht sicherlich Sinn, es ist die gewöhnliche Vorstellung, dass sich Dinge voneinander entfernen und gleichzeitig Klumpen bilden.

Ich glaube, ich habe diese “kosmische Expansion” mit der anderen Vorstellung verwechselt, dass sich der Weltraum selbst ausdehnt. wie etwas bei mehr als C zurücktreten kann, weil sich der Raum selbst ausdehnt. oder so habe ich es erzählt.

GAIA kann Paralaxen mit einer Genauigkeit von 10 % für Sterne mit einer visuellen Größe von 15 oder besser zum Zentrum der Milchstraße messen, oder

30.000 Lj. Ich bin mir nicht sicher, was die neuen ELTs können, aber wahrscheinlich nicht viel besser. Also nein, die kosmische Expansion kann nicht durch Paralaxe gemessen werden.

Die Frage für die Hubble-Konstante ist, ob diese neuen Messungen ermöglichen könnten, dass die beiden Methoden zur Schätzung der Konstanten jetzt konvergieren oder nicht, und zwar vermutlich mit dem CMB-Modellwert.

Es ist ermutigend, dass der Standard-Kerzenansatz derjenige mit den falschen Annahmen sein könnte, da es möglich sein sollte zu bestimmen, wie sich die Kerzenmessung ändern sollte, um eine Konformität zu ermöglichen. Sicher hat jemand diese Berechnung bereits durchgeführt und festgestellt, ob eine Änderung funktioniert oder nicht.

Radioteleskope wurden verwendet, um die Entfernung zu NGC 4258 mit guter (für die Astronomie) Genauigkeit zu messen:

geometrische Parallaxe wird immer die Grundlage jeder kosmischen Leiter sein.

Vielen Dank, FrankH, für diesen Link über Radioteleskope, die für Parallaxenmessungen von Dingen verwendet werden, die so weit entfernt sind wie Galaxien (23,5 Millionen Lichtjahre, genau auf 7 Prozent).

Bei dieser Messung wurde keine Parallaxe verwendet, sondern die Megamaser-Methode.

Sie führen Parallaxenmessungen (im Abstand von Monaten in der Erdumlaufbahn) der Maser mit VLBI durch. Es gibt eine Vielzahl von Papieren da draußen: Suche mit “VLBI Parallax”.

Hier sind drei gute Artikel, die einen kleinen Überblick darüber geben, was vor sich geht und warum diese Ergebnisse einen so großen Einfluss haben:

Kosmisches Rätsel: Wie schnell expandiert das Universum?
Astronomen haben zwei verschiedene Werte für die Expansionsrate des Universums gefunden. Aber sie können nicht beide Recht haben.
https://astronomy.com/magazine/news/2019/04/cosmic-conundrum-just-how-fast-is-the-universe-expanding

Eine Debatte über die Expansionsrate des Universums könnte die Physik entwirren. Ist es eine Krise?
Wissenschaftler gehen Meinungsverschiedenheiten über die Hubble-Konstante an.
https://www.sciencenews.org/article/debate-universe-expansion-rate-hubble-constant-physics-crisis

Bild des Roten Riesen – Weißer Zwerg Typ Ia Supernova-Prozesses.
https://i.stack.imgur.com/nF7ip.jpg

Hier tritt die Diskrepanz auf.
“Doppeldetonationsexplosionen benötigen keinen Stern, um die Massengrenze von Chandrasekhar zu erreichen. Explosionen unterhalb dieser Grenze sind nicht so hell wie das Standard-Typ-Ia-Szenario, was bedeutet, dass die genau definierte Eigenhelligkeit, die wir bei diesen Ereignissen suchen, kein zuverlässiges Maß ist.”

Also .. (ist das die Implikation?) Die Expansion des Universums beschleunigt sich NICHT? Bitte deutlich erklären.

Die Zeitung hat zu dieser Frage nichts zu sagen.

Sofern unser Verständnis des Universums nicht größtenteils falsch ist, dehnt sich das Universum aus. Die Informationen in diesem Artikel bedeuten nicht, dass sich das Universum NICHT ausdehnt. Diese neuen Informationen würden beeinflussen, wie schnell sich das Universum ausdehnt.

Cepheiden-Variablen ermöglichen es Astronomen, die Entfernung zu weit entfernten Galaxien zu messen. Jeder dachte, dass Cepheiden-Variablen nur auf eine Weise gebildet werden können und auf diese Weise immer Objekte mit identischer Helligkeit erzeugen würden. Da wir ihre wahre Helligkeit annehmen könnten, könnten wir ihre scheinbare Helligkeit von der Erde aus verwenden, um zu berechnen, wie weit sie entfernt sind. Hubble bewies, dass sich das Universum ausdehnt, als er zeigte, dass je weiter eine Standardkerze entfernt ist, desto mehr rot verschoben ihr Licht. Je roter das Licht verschoben ist, desto schneller bewegt sich die Lichtquelle.

Jetzt wissen wir, dass Cepheiden-Variablen nicht alle die gleiche Helligkeit haben. Unser Messgerät ist nicht so genau wie angenommen, aber genau genug, um dennoch zu zeigen, dass sich das Universum ausdehnt. Es gibt andere Möglichkeiten, die Expansionsrate (Hubble-Konstante) zu messen. Die Analyse großskaliger Symmetrien in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundtopologie liefert auch einen Wert für die Hubble-Konstante.

Eines der größten Rätsel ist, dass unsere 2 Methoden zur Messung der Hubble-Konstanten unterschiedliche Expansionsraten liefern. Das ist komisch. Ungenaue Annahmen über unsere Standardkerze können diese Seltsamkeit erklären.

Sie haben nach Beschleunigung gefragt und ich habe eine Antwort nach Geschwindigkeit gegeben. Lass mich es nochmal versuchen. Faire Warnung, ich bin ein Amateur.

Unser bester Beweis für die Beschleunigung ist die Rotverschiebung unserer stellaren Standardkerze. Es gibt andere Beweisquellen. Früh im Universum wären Strukturen entstanden, die mit zunehmendem Alter des Universums an Größe gewachsen wären. Ein Vergleich der Vergangenheit und Gegenwart dieser Strukturen zeigt eine Beschleunigung. Es gibt mehrere zu verwendende Strukturen, jede mit ihren eigenen Stärken, Schwächen und Fehlergrenzen.

Der Verlust von Chepheid-Variablen hätte Auswirkungen auf die Theorie, dass sich die kosmische Inflation beschleunigt, aber ich glaube nicht, dass wir sie vollständig verlieren werden. Das Risiko für aktuelle Modelle ist proportional zur Anzahl der Chepheiden in unserem Datensatz, je mehr, desto besser, und je stärker ihre Entstehungsgeschichte variieren kann, desto weniger, desto besser. Eine Variation in der Formationshistorie könnte jedoch auch eine bessere Auflösung liefern. Diese Verstärkung wäre proportional zum Verteilungsmuster des Typs, je gleichmäßiger, desto besser und der Zuverlässigkeit, dass jeder Typ eine vorhersagbare Leuchtkraft liefert.

Ich kann es nicht als Krise bezeichnen. Die Expansionswerte variieren zwar erheblich, aber die Methoden variieren sicherlich in ihrer Genauigkeit. Ich weiß, dass sie alle Fehlerbalken bereitstellen, aber stellen die Fehlerbalken wirklich die Menge der Variation innerhalb jeder Methode dar? Zwei der besten Methoden scheinen eine Zahl von etwa 70 km/s pro Mpc zu erreichen. Dieser Wert ist deutlich höher als bei einer früheren Methode, aber keine dieser Methoden scheint mir sehr genau zu sein und neuere Methoden scheinen sich auf einen wahren, wenn auch ungefähren Wert zu beschränken. Ist das für die Astrophysiker unter uns sinnvoll?

Ich bin kein Astrophysiker, aber die Astrophysiker nennen das eine Krise. Die Fehlerbalken überschneiden sich nicht mehr zwischen den 2 Hauptmethoden (Standardkerzen und CMB) und scheinen auch nicht dazu gemacht zu werden. Die Erhöhung der Messgenauigkeit besteht einfach darin, die 2 Methoden zu trennen, um 2 verschiedene Werte für die Hubble-Konstante zu erhalten. Eine der beiden Methoden (oder beide) kann falsch sein, oder möglicherweise entsteht eine “neue Physik”.

Ist dunkle Materie klumpig und nicht zufällig verteilt genug, um je nach ungefährem Blickwinkel unterschiedliche Werte für die Expansion des Universums zu geben, oder werden diese Studien über das gesamte Universum durchgeführt, d.h. werden die verwendeten Standardkerzen in alle Richtungen über das gesamte Universum verstreut? Oder möglicherweise sind die Methoden nicht so genau, wie die Ermittler vermuten. Dadurch würden die Standardfehlerbalken größer, wodurch sich die beiden Hauptmethoden überlappen würden, oder?

AFAIK, die Standardkerzen werden quer über den Betrachtungsraum verwendet, nicht in eine enge Richtung. Aber im Ernst, Sie denken nicht, dass offensichtliche Fehlerquellen nicht sehr gründlich untersucht wurden, um zu verstehen, warum diese Diskrepanz besteht. Es ist nicht so, als ob es ein bevorstehendes Kollektiv “Doh!” für eine einfache Erklärung gibt, die verpasst wurde. )

Dunkle Materie folgt dem kosmischen Netz.

Ok ich gebe Alex auf :). Als eine Person, die in Astrophysik nicht geschult ist, versuche ich nur zu verstehen, was vor sich geht. Mit anderen Worten, ich bin ein interessierter Laie. Der Begriff Krise erscheint mir immer noch zu langwierig. Wir verstehen unter anderem dunkle Materie überhaupt nicht sehr gut. Dieser Bereich ist offen für neue Forschungen und neue Entdeckungen. Eine sehr aufregende Zeit, um ein Beobachter zu sein. Danke aber für deinen Input.

Gary,
Diese beiden Links könnten zur Klärung des Problems von Interesse sein.

Ok danke Alex. Ich habe beides jetzt durchgemacht und es hat mir geholfen, die grundlegenden Konzepte besser zu verstehen. Ich bin überrascht, dass die CMB-Daten ein ebenso genaues Maß für den Expansionswert liefern können, wenn ich verstehe, was sie sagen. Ich kann glauben, dass sie Variationen des CMB für einen bestimmten Zeitpunkt (jetzt) ​​sehr genau messen können, aber könnten diese Variationen im Laufe der Zeit durch dunkle Materie in unterschiedlichem Maße verändert worden sein? Ich denke, ich werde einfach weiter versuchen, mehr Informationen zu finden, um alles besser zu verstehen. Danke noch einmal.

Reichen die in dieser Studie und ähnlichen Studien präsentierten Beweise aus, um die Existenz von beschleunigter Expansion und dunkler Energie ernsthaft in Frage zu stellen? Bitte klären…

Nein, die Beweise reichen nicht aus, und die Autoren argumentieren nicht damit. Sie sagen, dass wir weiter untersuchen müssen, um zu sehen, wie zuverlässig diese spezielle Art von Standardkerze ist. Das ist weit davon entfernt, eine beschleunigte Expansion in Frage zu stellen, aber es könnte uns helfen, zukünftige Studien genauer abzustimmen.

Übrigens, wenn Sie die Standardkerzenmethoden präzisieren möchten, gibt es in Zooniverse mehrere Projekte, um nach neuen Cepheiden und neuen Supernovae zu suchen.

Ich glaube nicht, dass die Verschmelzung oder Kollision zweier Weißer Zwergsterne zu einem Stern führt, der auf der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenphysik basiert. Mein Gedankenexperiment führt zu den Bildern einer Zertrümmerung der beiden Weißen Zwerge durch die kolossale Gravitations- und kinetische Energie der Kollision. Ein Weißer Zwergstern wird durch die Schwerkraft nicht stark genug zusammengehalten wie eine Kollision zweier Neutronensterne, die sich zu einem Schwarzen Loch zusammenfügen lassen.
Folglich konnten zwei von ihnen nicht lange genug zusammengehalten werden, um eine gemeinsame Supernova vom Typ 1A zu bilden. Ich glaube auch nicht, dass sie dadurch einen neuen kurzlebigen Stern erschaffen können, da die schwereren Elemente, die in größeren Sternen verschmolzen sind, stabile innere und äußere Plasmaschichten eines Sterns erfordern. Ich denke, das Ganze würde zu einem Durcheinander von Kohlenstoff- und Sauerstoffwolken und Fragmenten führen, die um eine zentrale Masse kreisen, und keine Supernova. Hinweis: Eine Supernova vom Typ 1A kann nicht schneller als eine Sekunde rotieren oder die Zentrifugalkräfte zerreißen sie. Die Kombination wird nicht stabil genug sein, wenn die mittlere Sicherung und die äußeren Teile auseinander fliegen? Es scheint mir, dass wir eher eine kurzzeitige Supernova oder Flash-Nova haben könnten. Die Supernova vom Typ 1 A wird wie eine Kerze angezündet, damit sie Zeit hat, in Gang zu kommen, bevor der Zwerg auseinander gesprengt wird.

Ich mag die Idee von Sekundärkollisionen, die potenziell eine Supernova ergeben könnten, und wenn selbst solche Kollisionen von Weißen Zwergen in hundert Prozent der Fälle zu Supernovas führten, ist die Wahrscheinlichkeit, dass solche Kollisionen auftreten, viel geringer als bei dem häufigeren Weißen Zwerg-Gas Akkretion von nahegelegenen Sternen Typ eins eine Supernova, die noch als Standardkerze verwendet werden kann.

Nun, sie machen es sehr verwirrend, also glauben Sie nicht alles, was Sie lesen.
Keine Galaxie wird jemals wirklich verschwinden, selbst in einem Universum mit dunkler Energie.
https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/03/04/no-galaxy-will-ever-truly-disappear-even-in-a-universe-with-dark-energy/

Ethan Siegel hat uns gesagt, dass das Universum seit 2014 46 Milliarden Lichtjahre groß ist. Das bedeutet, dass unser Lokaluniversum 23 Milliarden Jahre alt sein sollte, aber NEIN, es ist nur 13,8 Milliarden Jahre alt. Warum wiederholt er das jedes Jahr um diese Zeit? Klingt wie jemand anderes, der Dinge wiederholt, bis viele Leute ihm glauben&8230 hmm.
Jetzt glaube ich nichts davon und bevorzuge stattdessen das kleine Knall-Universum von Halton Arp, wo Quasare aus den Kernen von Galaxien ausgestoßen werden. Dieses Konzept negiert die vielen übernatürlichen Konzepte der Urknalltheorie, wie dunkle Energie oder dunkle Materie. Da haben Sie es also: “Das Universum ist nicht nur queerer, als wir es uns vorstellen – es ist queerer, als wir uns vorstellen können.”

“Das bedeutet, dass unser Lokaluniversum 23 Milliarden Jahre alt sein sollte”

Nee. Bitte informieren Sie sich, bevor Sie anderen vorwerfen, dumm oder dogmatisch zu sein.

Sorry, aber ich habe noch nie jemanden, der sich mit diesem Thema beschäftigt, als dumm beschuldigt. Ich habe darauf hingewiesen, dass jeder Einwand gegen die Urknalltheorie als Angriff auf die Grundlagenwissenschaft aufgefasst wird. Das Problem ist, dass dem BB eine Alternative zur Verfügung steht.

Danke für die Harfe-Erwähnung. Viel Spaß beim Lesen über ihn und Ambartsumian in einem Interview von 󈨏 und vor allem: “[Der naturwissenschaftliche Unterricht] hatte nicht das gleiche intellektuelle Abenteuer wie die Geisteswissenschaften”.
https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/4490

Theoretisch könnte man die kosmische Vergrößerung auch als Standardkerze verwenden Die Ausdehnung des Weltraums führt dazu, dass sehr weit entfernte Objekte einen größeren sichtbaren Winkel einschließen, als sie aufgrund ihrer scheinbaren Entfernung sollten Stattdessen nehmen sie den Winkel ein, den sie hätten, wenn es keine Ausdehnung von . gegeben hätte Raum, weil das Licht auf seinem Weg von ihnen durch diese Ausdehnung ausgebreitet wird.

Das Problem ist, dass man dazu Strukturen identifizieren muss, deren tatsächliche Größe auf weite Entfernungen genau erschlossen werden kann, und dann muss ihre sichtbare Größe genau gemessen werden, wenn weit entfernte Objekte normalerweise ziemlich dunkel und stark rotverschoben sind.

In Bezug auf den Vergleich von Parallaxenentfernungen mit Hubble-Rotverschiebungsentfernungen: Nachdem ich FrankH’s Leads verfolgt und dann den zitierten Astronomen kontaktiert habe, erhielt ich eine qualifizierte Antwort auf meine Frage. Kurz gesagt wurden Parallaxen- und Rotverschiebungsabstände verglichen und bestätigt. Es stellt sich heraus, dass die Fehlanpassung des Erfassungsbereichs zwischen Parallaxe in geringer Entfernung und Hubble-Rotverschiebung in großer Entfernung eine Ausnahme hat: Megamaser. Auch in galaktischer Entfernung ermöglichen Megamaser Parallaxenmessungen. Hier ist der Artikel:

Pesce, D.W., Braatz, J.A., Reid, M.J., Riess, A.G., Scolnic, D., Condon, J.J., … & Lo, K.Y. (2020). Das Megamaser-Kosmologieprojekt. XIII. Kombinierte Hubble-Konstantenbeschränkungen. Die Astrophysical Journal Letters, 891(1), L1.

Als ich Ihre Frage zum ersten Mal beantwortet habe, habe ich völlig vergessen, was mit VLBI gemacht wurde. Es ist gut, dass FrankH mein Versäumnis korrigiert hat. Wenn Sie einen astrophysikalischen Prozess haben, der klein genug ist, mit dem richtigen Spektrum und lang genug, um VLBI-Messungen im Abstand von Monaten durchzuführen, können Sie die Parallaxe auf große Entfernungen ausdehnen. Aber optisch nicht, zumindest noch nicht.

Wir leben tatsächlich in einer riesigen Blase im Weltraum, schlägt ein Physiker vor!

“Was wäre, wenn die Erde, die Galaxie und alle Galaxien in unserer Nähe in einer seltsam leeren Blase eingeschlossen wären? Dieses Szenario könnte einige seit langem bestehende Fragen zur Natur des Universums lösen.”

Gelöst: Das Geheimnis der Expansion des Universums.

Die Erde, das Sonnensystem, die gesamte Milchstraße und die wenigen Tausend Galaxien, die uns am nächsten sind, bewegen sich in einer riesigen “Blase” mit einem Durchmesser von 250 Millionen Lichtjahren, in der die durchschnittliche Materiedichte halb so hoch ist wie die der anderen des Universums.

Konsistenz der lokalen Hubble-Konstante mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund.

Okay, der Gravitationslinseneffekt in Galaxienhaufen kann dadurch verursacht werden. ..Hmm
Vielleicht befinden wir uns in einer anderen Zeitzone, da Halton Arp und die diskordante Rotverschiebung eine langsamere Zeit für neu geschaffene Materie erfordern, die aus den Kernen von Galaxien ausgestoßen wird…
https://static1.squarespace.com/static/57e97e6ab8a79be1e7ae0ae6/t/59306715db29d64497b16d57/1496344351513/NGC4151MosaicFinal65%25.jpg

Wenn es sich um eine Blase mit niedriger Dichte handelt, die die Standardabweichung der Kerze von der CMB ausmacht, sollte dies überprüfbar sein. Ich kann mir vorstellen, dass es einige lebhafte Kommentare unter Experten auslösen wird.

Wenn das stimmt, wäre es eine nette Erklärung.

“Die spezielle Relativitätstheorie verhindert, dass sich Objekte in Bezug auf ein lokales Referenzsystem, in dem die Raumzeit als flach und unveränderlich behandelt werden kann, schneller als das Licht bewegen, aber sie gilt nicht für Situationen, in denen die Krümmung der Raumzeit oder die zeitliche Entwicklung wichtig werden. Diese Situationen werden durch die allgemeine Relativitätstheorie beschrieben, die es ermöglicht, dass die Trennung zwischen zwei entfernten Objekten schneller als die Lichtgeschwindigkeit zunimmt, obwohl die Definition von “Separation” sich von der in einem Trägheitssystem verwendeten unterscheidet. Dies kann man sehen, wenn man weit entfernte Galaxien beobachtet, die weiter als der Hubble-Radius von uns entfernt sind (ungefähr 4,5 Gigaparsec oder 14,7 Milliarden Lichtjahre). Diese Galaxien haben eine Rezessionsgeschwindigkeit, die schneller als die Lichtgeschwindigkeit ist. Licht, das heute von Galaxien jenseits des kosmologischen Ereignishorizonts, etwa 5 Gigaparsec oder 16 Milliarden Lichtjahre, emittiert wird, wird uns nie erreichen, obwohl wir immer noch das Licht sehen können, das diese Galaxien in der Vergangenheit emittiert haben. Aufgrund der hohen Expansionsgeschwindigkeit kann auch ein Abstand zwischen zwei Objekten größer sein als der Wert, der sich aus der Multiplikation der Lichtgeschwindigkeit mit dem Alter des Universums ergibt. Diese Details sorgen bei Amateuren und sogar professionellen Physikern häufig für Verwirrung. Aufgrund der nicht intuitiven Natur des Themas und der von manchen als „unvorsichtigen“ Wortwahl beschrieben wurde, sind bestimmte Beschreibungen der metrischen Ausdehnung des Raums und der Missverständnisse, zu denen solche Beschreibungen führen können, ein ständiges Diskussionsthema. innerhalb der Bildung und Vermittlung wissenschaftlicher Konzepte.” Aus Wikipedia zitiert. Ich denke, das macht für mich Sinn, obwohl offensichtlich noch unklar ist, was diese Expansion verursacht. Ist es eine intrinsische Eigenschaft des Universums? Wird es durch Vakuumenergie verursacht? Welchen Wert hat die Vakuumenergie, die diese Expansionsrate verursachen würde? Ich bin mir ziemlich sicher, dass wir keine wirklichen Antworten haben und wahrscheinlich mit unseren aktuellen Methoden nicht zur endgültigen Antwort gelangen werden. Anscheinend schwanken die Schätzungen der Vakuumenergie um mindestens 100 Größenordnungen!


Wer braucht dunkle Energie?

Unser Universum dehnt sich aus. Wir wissen das seit fast einem Jahrhundert, und moderne Beobachtungen unterstützen dies weiterhin. Unser Universum dehnt sich nicht nur aus, es tut dies auch in ständig steigender Geschwindigkeit. Es bleibt jedoch die Frage, was diese kosmische Expansion antreibt. Die beliebteste Antwort ist das, was wir dunkle Energie nennen. Aber brauchen wir dunkle Energie, um ein expandierendes Universum zu erklären? Vielleicht nicht.

Die Idee der dunklen Energie stammt aus einer Eigenschaft der allgemeinen Relativitätstheorie, die als kosmologische Konstante bekannt ist. Die Grundidee der Allgemeinen Relativitätstheorie ist, dass das Vorhandensein von Materie https://briankoberlein.com/2013/09/09/the-attraction-of-curves/. Dadurch werden Licht und Materie von einfachen geraden Bahnen gravitativ abgelenkt.Das einfachste mathematische Modell der Relativitätstheorie beschreibt nur diesen Zusammenhang zwischen Materie und Krümmung, aber es stellt sich heraus, dass die Gleichungen auch einen zusätzlichen Parameter, die kosmologische Konstante, berücksichtigen, die dem Raum eine Gesamtausdehnungsrate geben kann. Die kosmologische Konstante beschreibt perfekt die beobachteten Eigenschaften der Dunklen Energie, und sie entsteht natürlich in der allgemeinen Relativitätstheorie, daher ist es ein vernünftiges Modell für die Übernahme.

In der klassischen Relativitätstheorie bedeutet das Vorhandensein einer kosmologischen Konstante einfach, dass die kosmische Expansion nur eine Eigenschaft der Raumzeit ist. Aber unser Universum wird auch von der Quantentheorie regiert, und die Quantenwelt spielt nicht gut mit der kosmologischen Konstante. Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, dass die Quantenvakuumenergie die kosmische Expansion antreiben könnte, aber in der Quantentheorie würden Vakuumfluktuationen die kosmologische Konstante wahrscheinlich viel größer machen als das, was wir beobachten, daher ist dies keine sehr zufriedenstellende Antwort.

Trotz der unerklärlichen Verrücktheit der Dunklen Energie passt sie so gut zu Beobachtungen, dass sie Teil des Konkordanzmodells für die Kosmologie, auch bekannt als Lambda-CDM-Modell, geworden ist. Der griechische Buchstabe Lambda ist hier das Symbol für dunkle Energie und CDM steht für Cold Dark Matter.

In diesem Modell gibt es eine einfache Möglichkeit, die Gesamtform des Kosmos zu beschreiben, die als Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW)-Metrik bekannt ist. Der einzige Haken ist, dass dies davon ausgeht, dass Materie gleichmäßig im Universum verteilt ist. Im realen Universum ist Materie zu Galaxienhaufen zusammengeballt, daher ist die FLRW-Metrik nur eine Annäherung an die reale Form des Universums. Da dunkle Energie etwa 70 % der Masse/Energie des Universums ausmacht, wird die FLRW-Metrik allgemein als gute Näherung angesehen. Aber was ist, wenn nicht?

Ein neues Papier argumentiert genau das. Da Materie zusammenklumpt, wäre der Raum in diesen Regionen stärker gekrümmt. In den großen Hohlräumen zwischen den Galaxienhaufen würde es weniger Raumkrümmung geben. Relativ zu den geclusterten Regionen scheinen sich die Hohlräume ähnlich dem Erscheinen von dunkler Energie auszudehnen. Mit dieser Idee führte das Team Computersimulationen eines Universums durch, bei dem dieser Cluster-Effekt anstelle von dunkler Energie verwendet wurde. Sie fanden heraus, dass sich die Gesamtstruktur ähnlich wie bei Dunkelenergiemodellen entwickelte.

Das scheint die Idee zu stützen, dass dunkle Energie ein Effekt von Galaxienhaufen sein könnte.

Es ist eine interessante Idee, aber es gibt Gründe, skeptisch zu sein. Während eine solche Anhäufung einen gewissen Einfluss auf die kosmische Expansion haben kann, wäre sie nicht annähernd so stark, wie wir es beobachten. Während dieses spezielle Modell den Maßstab zu erklären scheint, in dem die Galaxienhaufen auftreten, erklärt es keine anderen Effekte, wie etwa Beobachtungen entfernter Supernovae, die dunkle Energie stark unterstützen. Persönlich finde ich dieses neue Modell nicht sehr überzeugend, aber ich denke, dass es sich auf jeden Fall lohnt, solche Ideen zu erkunden. Wenn das Modell noch weiter verfeinert werden kann, könnte es einen weiteren Blick wert sein.

Aufsatz: Gabor Rácz, et al. Konkordanzkosmologie ohne dunkle Energie. Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society: Letters DOI: 10.1093/mnrasl/slx026 (2017)


Das Universum verhält sich komisch. Oder wir sehen es falsch.

Oder möglicherweise gibt es ein Problem damit, wie wir es beobachten. So oder so, irgendwas ist faul.

Kurz gesagt, das Universum dehnt sich aus. Es gibt eine ganze Reihe verschiedener Möglichkeiten, diese Expansion zu messen. Die gute Nachricht ist, dass diese Methoden alle erhalten grob die gleiche Nummer dafür. Die schlechte Nachricht ist, dass sie es nicht verstehen genau die gleiche Nummer. Eine Gruppe von Methoden erhält eine Nummer, und eine andere Gruppe erhält eine andere Nummer.

Diese Diskrepanz besteht schon seit einiger Zeit und wird nicht besser. Tatsächlich wird es immer schlimmer (wie Astronomen gerne sagen, gibt es eine wachsende Spannung zwischen den Methoden). Der große Unterschied zwischen den beiden Gruppen besteht darin, dass eine Reihe von Methoden relativ nahe Dinge im Universum untersucht und die andere sehr weit entfernte. Entweder machen wir etwas falsch, oder das Universum macht weit weg etwas anderes als hier in der Nähe.

Ein gerade veröffentlichtes neues Papier verwendet eine clevere Methode, um die Ausdehnung mit Blick auf nahe Galaxien zu messen, und was es findet, stimmt mit den anderen Methoden der "nahen Objekte" überein. Was helfen kann oder auch nicht.

Okay, ein bisschen Backup… wir wissen seit etwa einem Jahrhundert, dass sich das Universum ausdehnt. Wir sehen, wie sich alle Galaxien von uns entfernen, und je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto schneller scheint sie sich zu bewegen. Soweit wir das beurteilen können, gibt es eine enge Beziehung zwischen der Entfernung einer Galaxie und der Geschwindigkeit, mit der sie sich zu entfernen scheint. Sagen wir, eine Galaxie, die 1 Megaparsec * (abgekürzt Mpc) entfernt ist, kann sich mit 70 Kilometern pro Sekunde von uns entfernen, und eine doppelt so weit (2 Mpc) bewegt sich doppelt so schnell (140 km/s).

Dieses Verhältnis scheint für große Entfernungen zu gelten, daher nennen wir es die Hubble-Konstante oder H0 (ausgesprochen „H nichts“), nach Edwin Hubble, der als einer der ersten diese Idee vorschlug. Es wird in den seltsamen Einheiten Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec (oder Geschwindigkeit pro Entfernung) gemessen – etwas bewegt sich schneller, wenn es weiter weg ist.

Methoden, die nähere Objekte wie Sterne in nahegelegenen Galaxien, explodierende Sterne und dergleichen betrachten, erhalten H0 etwa 73 km/s/Mpc betragen. Aber Methoden, die weiter entfernte Dinge wie den kosmischen Mikrowellenhintergrund und die akustischen Baryonen-Oszillationen verwenden, erhalten eine kleinere Zahl, eher 68 km/s/Mpc.

Sie sind nah, aber sie sind nicht gleich. Und da die beiden Methoden alle intern konsistent erscheinen, ist das ein Problem. Was ist los?

Das neue Papier verwendet eine coole Methode namens Schwankungen der Oberflächenhelligkeit. Es ist ein schicker Name, aber er beinhaltet eine Idee, die eigentlich intuitiv ist.

Stellen Sie sich vor, Sie stehen am Waldrand, direkt vor einem Baum. Da Sie so nah sind, sehen Sie nur einen Baum in Ihrem Blickfeld. Gehen Sie ein wenig zurück und Sie können mehr Bäume sehen. Gehen Sie weiter zurück und Sie können noch mehr sehen.

Genauso bei Galaxien. Beobachten Sie einen nahen mit einem Teleskop. In einem bestimmten Pixel Ihrer Kamera sehen Sie möglicherweise zehn Sterne, die alle zu einem einzigen Pixel verschwommen sind. Nur aufgrund der Statistik könnte ein anderes Pixel 15 sehen (es ist 50% heller als das erste Pixel), ein weiteres 5 (halb so hell wie das erste).

Betrachten Sie nun eine Galaxie, die in jeder Hinsicht gleich ist, aber doppelt so weit entfernt ist. In einem Pixel sehen Sie vielleicht 20 Sterne, in anderen 27 und 13 (ein Unterschied von

35%). Bei der 10-fachen Entfernung sehen Sie 120, 105 und 90 (ein Unterschied von ungefähr 10%) – beachten Sie, dass ich es bin Weg Vereinfachen Sie dies hier und erfinden Sie nur Zahlen als Beispiel. Der Punkt ist, je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto glatter ist die Helligkeitsverteilung (der Unterschied zwischen den Pixeln wird kleiner im Vergleich zur Gesamtzahl in jedem Pixel). Darüber hinaus ist es in einer Weise reibungsloser, in der Sie eine Zahl messen und zuweisen können.

In Wirklichkeit ist es komplizierter. Wenn eine Galaxie damit beschäftigt ist, Sterne in einem Abschnitt zu bilden, wirft sie die Zahlen weg. Daher ist es am besten, sich elliptische Galaxien anzusehen, die seit Milliarden von Jahren keine neuen Sterne mehr gebildet haben. Die Galaxie muss nah genug sein, um gute Statistiken zu erhalten, was dies auf solche beschränkt, die vielleicht 300 Millionen Lichtjahre und näher entfernt sind. Sie müssen auch Staub und Hintergrundgalaxien in Ihren Bildern und Sternhaufen berücksichtigen und wie Galaxien mehr Sterne in ihren Zentren haben, und. und. und.

Aber all dies ist bekannt und relativ einfach zu korrigieren.

Als sie das alles taten, bekamen sie die Nummer für H0 war (Trommelwirbel…) 73,3 km/s/Mpc (mit einer Unsicherheit von ungefähr ±2 km/sec/Mpc) genau im Einklang mit anderen nahegelegenen Methoden und sehr unterschiedlich von der anderen Gruppe, die entfernte Methoden verwendet

In gewisser Weise ist das zu erwarten, aber auch dies verleiht der Vorstellung Glaubwürdigkeit, dass wir hier etwas Wichtiges verpassen.

Alle Methoden haben ihre Probleme, aber ihre Unsicherheiten sind ziemlich gering. Entweder wir unterschätzen diese Unsicherheiten wirklich (immer möglich, aber derzeit etwas unwahrscheinlich) oder das Universum verhält sich auf eine Weise, die wir nicht erwartet haben.

Wenn ich wetten müsste, würde ich zu letzterem gehen.

Warum? Weil es das schon mal gemacht hat. Das Universum ist knifflig. Seit den 1990er Jahren wissen wir, dass die Expansion von einer Konstante abweicht. Astronomen sahen, dass sehr weit entfernte explodierende Sterne immer weiter entfernt waren, als eine einfache Messung anzeigte, was sie zu der Annahme veranlasste, dass sich das Universum jetzt schneller ausdehnt als früher, was wiederum zur Entdeckung der dunklen Energie führte – der mysteriösen Einheit, die die Universelle Erweiterung.

Ein Teil der riesigen Vermessung des frühen Universums, die vom Atacama Cosmology Telescope durchgeführt wurde und winzige Temperaturschwankungen in der Strahlung zeigt, die vom Urknall übrig geblieben ist. Diese Variationen haben schließlich Galaxien, Sterne und Sie gebildet. Credit: ACT-Zusammenarbeit

Wenn wir sehr weit entfernte Objekte betrachten, sehen wir sie wie in der Vergangenheit, als das Universum noch jünger war. Wenn die Expansionsrate des Universums anders wäre dann (sagen wir vor 12 – 13,8 Milliarden Jahren) als es ist jetzt (vor weniger als einer Milliarde Jahren) können wir zwei verschiedene Werte für H . erhalten0. Oder vielleicht dehnen sich verschiedene Teile des Universums mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus.

Wenn die Expansionsrate hast geändert, die tiefgreifende Auswirkungen hat. Es bedeutet, dass das Universum nicht das Alter hat, für das wir es halten (wir verwenden die Expansionsrate, um das Alter zurückzuverfolgen), was bedeutet, dass es eine andere Größe hat, was bedeutet, dass die Zeit, die es braucht, bis die Dinge passieren, anders ist. Es bedeutet, dass die physikalischen Prozesse, die im frühen Universum passierten, zu unterschiedlichen Zeiten stattfanden und möglicherweise andere Prozesse beteiligt sind, die die Expansionsrate beeinflussen.

Also ja, es ist ein Durcheinander. Entweder verstehen wir nicht, wie sich das Universum gut genug verhält, oder wir messen es nicht richtig. Auf jeden Fall ist es ein großer Schmerz. Und wir wissen einfach nicht, was es ist.

Dieses neue Papier lässt es noch mehr so ​​aussehen, als ob die Diskrepanz real wäre und das Universum selbst daran schuld sei. Aber es ist nicht schlüssig. Wir müssen dabei bleiben, die Unsicherheiten abbauen, immer wieder neue Methoden ausprobieren und hoffentlich haben wir irgendwann genug Daten, um auf etwas hinzuweisen und zu sagen:AHA!

Das wird ein interessanter Tag. Unser Verständnis des Kosmos wird dann einen großen Sprung machen, und dann müssen Kosmologen etwas anderes finden, worüber sie streiten können. Was sie werden. Es ist ein großer Ort, dieses Universum, und es gibt viel zu bemängeln.


Das Universum expandiert möglicherweise viel schneller als wir dachten

Der Astrophysiker Adam Riess erhielt 2011 den Nobelpreis für Physik für seine Forschung, die zeigt, dass sich das Universum nicht einfach ausdehnt (etwas, das wir seit Edwin Hubbles wegweisendem Papier von 1929 wissen), sondern dass es sich mit zunehmender Geschwindigkeit ausdehnt.

Jetzt ist Riess zusammen mit einem internationalen Team von Mitarbeitern mit überraschenden neuen Forschungsergebnissen zurück, die zeigen, dass sich das Universum schneller ausdehnt als vorhergesagt.

Basierend auf Beobachtungsdaten des Hubble-Weltraumteleskops zeigt die Forschung, dass ein genauerer Wert der Hubble-Konstante (der Begriff, den Astronomen verwenden, um die Geschwindigkeit des Universums im Laufe der Zeit zu verwenden) etwa 73 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec beträgt.

Oder, wenn Sie einfach Ihre Astronomie bevorzugen: Das Universum dehnt sich etwa 9 Prozent schneller aus, als wir dachten. Das ist so schnell, dass sich die Entfernung zwischen kosmischen Objekten in den nächsten 9,8 Milliarden Jahren verdoppeln wird.

„Ich weiß, dass das für die meisten Leute vielleicht nicht so schnell klingt, aber das ist ungefähr 800 Millionen Jahre schneller, als wir bisher dachten“, sagte Riess, ein 46-jähriger Professor an der Johns Hopkins University, der Huffington Post in einer E-Mail.

Was erklärt die neue Erkenntnis? Was sagt sie über unser Verständnis des Kosmos aus? In der E-Mail gab Riess Antworten auf diese und andere große Fragen:

Wie hat sich unser Verständnis der Expansion des Universums seit Edwin Hubble verändert?

Die von ihm gemessene Expansionsrate war etwa siebenmal zu schnell und implizierte, dass das Universum erst etwa 2 Milliarden Jahre alt war. Jetzt messen wir auf ein paar Prozent genau und wissen, dass das Universum eher 13,5 Milliarden Jahre alt ist. Wir wissen jetzt auch, dass sich die Expansion beschleunigt, was die Existenz dunkler Energie bewiesen hat.

Woher wissen wir, dass sich das Universum ausdehnt?

Wenn Sie 99,99999 Prozent der Galaxien um uns herum betrachten, eilen sie von uns weg – wie ihre großen Rotverschiebungen (wie eine Doppler-Verschiebung) beweisen. Entweder mögen sie uns nicht, oder Sie stellen fest, dass es für jeden Beobachter einer Galaxie so aussehen würde, wenn sich das Universum ausdehnte. Unsere Augen sind nicht groß genug, um das schwache Licht entfernter, sich zurückziehender Galaxien einzufangen, und unsere Augen sind auch nicht genau genug, um die Rotverschiebung ihres Lichts zu messen.

Welche Werkzeuge werden neben leistungsstarken Teleskopen wie Hubble verwendet, um die Ausdehnung des Universums zu messen?

Sterne verschiedener Art, explodieren und pulsieren, bieten Astronomen wie mir einen kosmischen Leuchtturm, dessen Helligkeit seine Entfernung verrät. Um so viele Sterne zu analysieren und zu verstehen, was sie über das Universum aussagen, müssen schnelle Computer viele Berechnungen pro Sekunde durchführen.

Wissen wir, was die Expansion des Universums bewirkt?

Das Universum expandierte als Folge des Ereignisses, das wir Urknall nennen. Danach spielen die Zutaten des Universums eine Rolle. Insbesondere die dunkle Energie im Universum war in den letzten 5 Milliarden Jahren das dominierende Merkmal, was dazu führte, dass sich die Expansion beschleunigte. Eine Interpretation des neuen Befunds, wenn auch nicht die einzige, ist, dass die dunkle Energie stärker ist oder stärker wird, als wir dachten. Dies wäre überraschend, da ein Material mit ständig steigender Energie (Dichte) etwas im Widerspruch zu anderen Aspekten der Physik steht, die uns am Herzen liegen.

In was "dehnt sich das Universum aus"?

Wenn das Universum unendlich ist, was die besten Daten vermuten lassen, dehnt es sich zu nichts aus. Es wird einfach überall größer. Was ist größer als unendlich? Unendlich+1. Zugegeben, es ist sehr schwer, den Kopf in die Unendlichkeit zu bringen. Es ist ein wichtiges mathematisches Konzept, aber unser Verstand sträubt sich, wenn wir versuchen, uns die Unendlichkeit in der realen Welt vorzustellen.

Wie erklären Sie sich die Diskrepanz zwischen Ihrem neuen Wert für die Expansionsrate und dem vorherigen Wert?

Unter der Annahme, dass kein Fehler gemacht wurde, könnte es sich um eine zusätzliche Falte im dunklen Sektor handeln (dunkle Materie, dunkle Energie oder dunkle Strahlung). Jede dieser Komponenten des Universums ist für uns ziemlich verschleiert. Wir sind vielleicht am schnellsten, eine Anomalie dem Verhalten der Dunklen Energie zuzuschreiben, einfach weil sie der am wenigsten verstandene Teil des Universums ist. Dunkle Strahlung ist ebenso wie Neutrinos eines anderen Typs ein starker Kandidat, da diese Teilchen immer schwer fassbar waren.

Welche Auswirkungen hat Ihre neue Forschung? Müssen die Gesetze der Kosmologie neu geschrieben werden, wie einige gesagt haben?

Ich würde sagen, es ist ziemlich unwahrscheinlich, dass sich die Gesetze ändern. Obwohl es das Inventar des Universums oder die Eigenschaften einiger der dunklen Teile verändern könnte. In unserer Denkweise ist unser Hauptgesetz die Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein, die so erfolgreich war. Wir haben dort keine Anhaltspunkte für einen Verstoß.

Was ist das ultimative Schicksal des Universums?

Es hängt von der Natur der dunklen Energie ab, was wir noch nicht herausgefunden haben. Wenn Sie wetten, dass es sich für immer ausweiten würde, würden Sie schlechte Quoten erhalten, da dies derzeit die wahrscheinlichste Interpretation der Daten zu sein scheint.

Erfüllt Sie der Gedanke an das Universum mit Ehrfurcht – oder ist es nur ein Teil Ihrer Arbeit?

Es erfüllt mich mit Ehrfurcht. Aber wenn Sie nur immer denken: „Wow…wow…wow“, würden Sie nie etwas schaffen! Ich bin in der Lage, die Majestät des Universums von der Kartographie zu trennen. Es ist in den wirklich dunklen Nächten, wenn ich nach oben schaue und daran erinnert werde, dass, obwohl wir unser Leben mit Blick nach unten leben, fast alles, was jemals war, dort oben ist. Dieser Gedanke inspiriert mich wirklich.

Wollten Sie schon immer Astrophysiker werden? Wenn Sie kein Wissenschaftler wären, was wären Sie?

Ich habe die Welt immer als einen Ort gesehen, an dem man durch Experimente lernen kann. Jeder Beruf, der damit verbunden ist, würde mich ansprechen.

Was ist das größte Missverständnis, das Nichtwissenschaftler über das Universum haben?

Dass es unverständlich ist. Um Einstein zu zitieren: "Das Unverständlichste am Universum ist, dass es verständlich ist."

Hinweis: Die Antworten von Dr. Riess wurden leicht bearbeitet. Ein Artikel über seine Forschung soll im Astrophysical Journal veröffentlicht werden.


Neue Studie nährt Zweifel an der Zusammensetzung von 70 Prozent unseres Universums

Forscher auf der ganzen Welt glauben seit langem, dass 70 Prozent des Universums aus dunkler Energie bestehen, einer Substanz, die es dem Universum ermöglicht, sich immer schneller auszudehnen. Aber in einer neuen Studie haben Forscher der Universität Kopenhagen

Universität Kopenhagen - Fakultät für Naturwissenschaften

Bisher glaubten Forscher, dass dunkle Energie fast 70 Prozent des sich ständig beschleunigenden, expandierenden Universums ausmacht.

Dieser Mechanismus wird seit vielen Jahren mit der 1917 von Einstein entwickelten sogenannten kosmologischen Konstante in Verbindung gebracht, die sich auf eine unbekannte abstoßende kosmische Kraft bezieht.

Aber weil die kosmologische Konstante – bekannt als dunkle Energie – nicht direkt gemessen werden kann, haben zahlreiche Forscher, darunter Einstein, ihre Existenz angezweifelt – ohne eine brauchbare Alternative vorschlagen zu können.

Bis jetzt. In einer neuen Studie von Forschern der Universität Kopenhagen wurde ein Modell getestet, das dunkle Energie durch eine dunkle Materie in Form von magnetischen Kräften ersetzt.

„Wenn das, was wir entdeckt haben, richtig ist, würde es unsere Überzeugung auf den Kopf stellen, dass das, was wir dachten, 70 Prozent des Universums ausmachte, tatsächlich nicht existiert. Wir haben dunkle Energie aus der Gleichung entfernt und einige weitere Eigenschaften für dunkle Materie hinzugefügt die gleiche Wirkung auf die Expansion des Universums haben wie dunkle Energie", erklärt Steen Harle Hansen, außerordentlicher Professor am DARK Cosmology Center des Niels Bohr Institutes.

Das Universum dehnt sich ohne dunkle Energie nicht anders aus

Das übliche Verständnis davon, wie die Energie des Universums verteilt ist, besteht darin, dass es aus fünf Prozent normaler Materie, 25 Prozent dunkler Materie und 70 Prozent dunkler Energie besteht.

Im neuen Modell der UCPH-Forscher werden dem 25-Prozent-Anteil der Dunklen Materie besondere Eigenschaften zugesprochen, die 70 Prozent der Dunklen Energie überflüssig machen.

„Wir wissen nicht viel über Dunkle Materie, außer dass es sich um ein schweres und langsames Teilchen handelt. Aber dann haben wir uns gefragt – was wäre, wenn Dunkle Materie eine dem Magnetismus analoge Eigenschaft hätte? Wir wissen, dass sich normale Teilchen bewegen , sie erzeugen Magnetismus.Und Magnete ziehen andere Magnete an oder stoßen sie ab – was also, wenn das im Universum vor sich geht? Dass diese ständige Expansion der Dunklen Materie dank einer Art magnetischer Kraft stattfindet?", fragt Steen Hansen.

Computermodell testet dunkle Materie mit einer Art magnetischer Energie

Hansens Frage diente als Grundlage für das neue Computermodell, in das die Forscher alles einschlossen, was sie über das Universum wissen – einschließlich der Schwerkraft, der Geschwindigkeit der Expansion des Universums und X, der unbekannten Kraft, die das Universum ausdehnt.

„Wir haben ein Modell entwickelt, das davon ausgeht, dass Teilchen der Dunklen Materie eine Art magnetischer Kraft besitzen und untersuchten, welche Wirkung diese Kraft auf das Universum haben würde wie wir es von dunkler Energie kennen", erklärt Steen Hansen.

Es bleibt jedoch viel über diesen Mechanismus, der von den Forschern noch verstanden werden muss.

Und das alles muss in besseren Modellen überprüft werden, die mehr Faktoren berücksichtigen. Wie Hansen es ausdrückt:

„Ehrlich gesagt, unsere Entdeckung mag nur ein Zufall sein. Aber wenn nicht, ist sie wirklich unglaublich. Sie würde unser Verständnis der Zusammensetzung des Universums und der Gründe für seine Ausdehnung verändern mit einer Art magnetischer Kraft und die Vorstellung von dunkler Energie sind ebenso wild. Nur genauere Beobachtungen werden bestimmen, welches dieser Modelle das realistischere ist. Es wird also unglaublich spannend, unser Ergebnis erneut zu testen.

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