Wenn ein Problem einen eigenen Namen bekommt, ist das meist kein gutes Zeichen. Die Astrophysik treibt seit längerer Zeit ein Problem um, das als „Hubble Tension“ bezeichnet wird, also Hubble-Spannung. Zwei Messwerte wollen einfach nicht zueinanderpassen – und damit auch nicht zum gängigen Modell von der Ausdehnung des Universums.
Das vorherrschende Bild von der Entstehung des Universums heißt kosmologisches Standardmodell. Die Kurzfassung: Seit dem Urknall dehnt sich das Universum immer weiter aus, in jede Richtung gleich und je weiter von uns entfernt, desto schneller. Dunkle Energie und Dunkle Materie muss es darin geben, die eine treibt die Expansion des Alls, die andere hält Galaxien zusammen. Die Messgröße, die angibt, wie schnell das Universum sich ausdehnt, wird als Hubble-Konstante bezeichnet. Sie ist zu einem bestimmten Zeitpunkt an allen Orten gleich groß – eine Konstante eben.
Doch wenn Kosmologen versuchen, diese zu messen, kommen sie zu unterschiedlichen Ergebnissen – je nachdem, ob sie im alten oder im jungen Universum die notwendigen Daten gesammelt haben. Die Hubble-Konstante wird in Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec gemessen (3,26 Millionen Lichtjahre). In dieser Einheit steckt die Eigenschaft, dass sich ein Objekt schneller entfernt, je weiter es weg ist. Im frühen Universum liegt der Messwert der Hubble-Konstante bei etwa 68, in den jüngeren Galaxien in der Nähe der Milchstraße kommen Forscher auf etwa 73.
Die Hubble-Konstante verändert sich mit der Zeit, das berücksichtigen die Astrophysiker in ihren Überlegungen. Um den Wert im frühen Universum mit dem heutigen zu vergleichen, muss er umgerechnet werden. Wenn die Vorstellung von der Ausdehnungsgeschichte richtig ist, müsste der umgerechnete Wert stets gleich sein, egal ob er auf Prozessen im frühen, weit entfernten Universum oder in unserer Nähe beruht.
68 oder 73? Je nachdem, wie man misst, kommt ein anderer Wert heraus
Das frühe Universum untersucht man über Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, quasi ein Fossil aus der Frühgeschichte des Universums. Die Strahlung kann heute noch von Teleskopen eingefangen werden – aus ihr ergibt sich eine Hubble-Konstante von 68. Und den Wert 73 hatten Messungen des Hubble-Weltraumteleskops im jungen Universum bereits vor mehr als 20 Jahren ergeben. Nun haben ihn Daten des James-Webb-Weltraumteleskops bestätigt. Die Diskrepanz lässt sich damit nicht leicht als Messfehler abtun.
„Das Grundproblem ist: Alles, was man im frühen Universum verankert, bringt den niedrigen Wert. Und alles was man im lokalen Universum verankert, das bringt den hohen Wert“, sagt Matthias Steinmetz, Direktor am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam. Beide Methoden, die im frühen Universum und die in der Nähe, haben eine hohe statistische Genauigkeit. Und ihre beiden Ergebnisse lassen sich nicht miteinander vereinbaren.
„Ich vergleiche es gern mit dem Tunnelbau“, sagt Steinmetz über das offenkundige Problem. „Wenn man von zwei Seiten aufeinander zubohrt und sich in der Mitte nicht trifft, hat dann eine Seite einen Fehler gemacht, oder beide, oder ist der Berg schief?“ Bedeuten die abweichenden Werte, dass etwas nicht stimmt mit dem Standardmodell? Oder steckt doch ein Fehler in den Messungen?
„Wir wissen jetzt, dass es eine starke Diskrepanz gibt. Aber woher sie rührt, dazu macht auch das neue Webb-Ergebnis keine Aussage“, sagt Steinmetz. „Ich glaube, es ist ein systematischer Effekt, den man noch nicht berücksichtigt oder verstanden hat.“ Spielraum dafür gibt es tatsächlich einigen. Denn beide Messansätze, ob im alten oder im jungen Universum, sind indirekt und beruhen auf allerlei Annahmen. Was auch immer es ist: Jetzt muss geklärt werden, woran es liegt. „Das Webb-Ergebnis ist das Go für Theoretiker und für andere Ansätze, die untersuchen, warum die Hubble Tension existiert“, sagt Dominika Wylezalek, Astrophysikerin von der Universität Heidelberg.
Aufschluss geben könnten bereits laufende Vorhaben: Forschungsgruppen etwa am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching und an der Universität Oxford arbeiten daran, die Hubble-Konstante im mittelalten Universum zu bestimmen. Dafür verwenden sie Gravitationslinsen-Messungen und Gravitationswellen-Ereignisse. Diese Methoden sind unabhängig von den bisherigen Messungen im Mikrowellenhintergrund und den nahen Galaxien. Doch bis es genügend Daten gibt, um daraus die Hubble-Konstante ausreichend präzise zu berechnen, wird es noch Jahre dauern.
„Wir sind verwöhnt aus der Teilchenphysik“, sagt Matthias Steinmetz. Jahrzehntelang folgten auf Vorhersagen prompt die passenden experimentellen Nachweise, zuletzt die Entdeckung des Higgs-Bosons. „Jetzt sagen doch einige: Wunderbar, wir haben eine Diskrepanz. Wenn Sachen zusammenpassen, lernt man ja nichts Neues.“
