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Aug 04, 2023

JWST ist die perfekte Maschine, um die Hubble-Spannung zu lösen

Sie haben gerade auf einem Flohmarkt den perfekten Schreibtisch gefunden und messen ihn aus, um zu sehen, ob er in Ihre Wohnung passt. Sie haben ein Maßband mitgenommen und festgestellt, dass es 180 cm lang ist. Perfekt. Aber dein

Sie haben gerade auf einem Flohmarkt den perfekten Schreibtisch gefunden und messen ihn aus, um zu sehen, ob er in Ihre Wohnung passt. Sie haben ein Maßband mitgenommen und festgestellt, dass es 180 cm lang ist. Perfekt. Aber Ihr Freund hat auch ein Maßband mitgebracht und findet, dass es 182 cm lang ist, was ein bisschen zu lang wäre. Sie wissen nicht, welches Maßband das richtige ist, also stehen Sie vor einem Rätsel. Auch Astronomen stehen vor einem Rätsel, das als Hubble-Spannung bekannt ist.

Astronomen haben verschiedene Möglichkeiten, die Größe des Universums zu messen. Sie können Schwankungen im kosmischen Hintergrund, die Wellenlängen des Mikrowellenlaserlichts, das aus der Umgebung von Schwarzen Löchern austritt, die Helligkeit entfernter Supernovae usw. untersuchen. Bei jedem davon handelt es sich um eine unabhängige Methode zur Entfernungsmessung. Ein unabhängiger Herrscher, wenn man so will. Es stellt sich heraus, dass sie nicht alle einer Meinung sind, und aus diesem Grund liefern sie unterschiedliche Maße für die Geschwindigkeit der kosmischen Expansion, den sogenannten Hubble-Parameter. Die Werte, die sie für den Hubble-Parameter erhalten, liegen im Großen und Ganzen alle im gleichen Bereich, sind aber nicht genau gleich, daher der Begriff „Hubble-Spannung“.

Die Ergebnisse tendieren dazu, sich in zwei Werte zu bündeln. Beobachtungen des kosmischen Hintergrunds und einiger anderer ergeben einen Wert von etwa 67 – 68 (km/s)/Mpc. Beobachtungen entfernter Supernovae ergeben einen Wert von etwa 71 – 75 (km/s)/Mpc. Es gibt keinen klaren Weg, diese Spannung zu lösen. Einerseits beruht die erste Gruppe von Beobachtungen im Allgemeinen auf weniger Modellannahmen und ist direkteres Maß für das kosmische Ausmaß. Die zweite Maßnahme hingegen beruht auf einem mehrstufigen Prozess, der sogenannten kosmischen Distanzleiter. Es ist komplexer, stützt sich aber auf eine lange Geschichte hervorragender astronomischer Messungen. Diese neue Arbeit konzentriert sich auf den zweiten Ansatz und untersucht insbesondere, ob unsere Messungen der kosmischen Distanzleiter verzerrt sind.

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Ganz allgemein verwendet die kosmische Distanzleiter drei Messsprossen. Die erste Sprosse ist die Parallaxe, bei der wir einfache Geometrie verwenden, um Sternabstände zu messen, was äußerst genau ist. Die zweite Stufe befasst sich mit einer Art veränderlicher Sterne, die als Cepheid-Variable bekannt sind. Ihre Schwingungsgeschwindigkeit korreliert mit ihrer Gesamthelligkeit. Die dritte Stufe misst die scheinbare Helligkeit von Supernovae vom Typ Ia, die immer mit konstanter Helligkeit explodieren. Wir verwenden also die Parallaxe, um die Entfernungen der Cepheiden zu messen, verwenden diese, um ihre Pulsfrequenz auf die Gesamthelligkeit zu skalieren, und verwenden dann Cepheid-Pulse, um Supernova-Entfernungen zu messen, aus denen wir die tatsächliche Helligkeit von Typ-Ia-Supernovae ermitteln. Wenn wir dann eine Supernova in einer entfernten Galaxie sehen, können wir anhand ihrer scheinbaren Helligkeit die galaktische Entfernung berechnen.

Eine vorgeschlagene Lösung für die Hubble-Spannung legt nahe, dass unsere Skala für Cepheid-Variablen möglicherweise falsch ist. Während wir für viele Cepheiden die Parallaxenabstände messen können, kann die Messung der Helligkeit eine Herausforderung sein. Wenn sich eine Cepheid-Variable in der Nähe mehrerer anderer Sterne befindet, kann es schwierig sein, ihre Helligkeit von der Hintergrundhelligkeit nahegelegener Sterne zu unterscheiden. Es handelt sich um einen Effekt, der als Crowding bekannt ist und unsere Daten verzerren könnte.

Um festzustellen, ob diese Verzerrung signifikant ist, verglich das Team Beobachtungen von Cepheiden durch das Hubble-Weltraumteleskop mit Beobachtungen durch das James Webb-Weltraumteleskop. Die Hubble-Beobachtungen waren lange Zeit die Grundlage für die Cepheiden-Sprosse der kosmischen Entfernungsleiter, aber da JWST Cepheiden im Infrarotwellenlängenbereich beobachtet, ist die Clusterbildung weniger problematisch. Das Team verwendete 560 Cepheid-Messungen von Hubble und 325 Cepheid-Messungen von JWST.

Sie fanden heraus, dass JWST-Beobachtungen die Präzision der Cepheid-Skala erhöhten, die Gesamtskala jedoch nicht verändert wurde. Mit anderen Worten: Das in den Hubble-Daten beobachtete Clustering-Problem verzerrt die kosmische Entfernungsleiter nicht wesentlich. Das löst also nicht die Hubble-Spannung. Die neuen Ergebnisse verschlimmern die Spannung tatsächlich etwas, da die Cepheid-Skala nun präziser ist.

So viel zu dieser Idee. Aber es gibt immer noch ein bisschen Hoffnung. Während JWST Beobachtungen entfernter Supernovae sammelt, kann die dritte Stufe der kosmischen Distanzleiter getestet werden, um festzustellen, ob dort eine Verzerrung vorliegt.

Referenz: Riess, Adam G., et al. „Nicht mehr überfüllt: Die Genauigkeit der Hubble-Konstante, getestet mit hochauflösenden Beobachtungen von Cepheiden durch JWST.“ arXiv-Vorabdruck arXiv:2307.15806 (2023).