Rote Riesen vertiefen Rätsel um kosmische Expansion

Zwischen den Stühlen: Astronomen haben das Tempo der kosmischen Expansion erstmals mithilfe von Roten Riesen ermittelt – und ein überraschendes Ergebnis erzielt. Denn ihr neuer Wert für die Hubble-Konstante liegt zwischen den mittels Supernovae und Cepheiden einerseits und der kosmischen Hintergrundstrahlung andererseits ermittelten Werten. Das wirft nun neue Fragen darüber auf, was hinter dieser rätselhaften Diskrepanz steckt.

Klar ist: Unser Universum dehnt sich aus – und diese Expansion hat sich in den letzten Milliarden Jahren sogar noch beschleunigt. Doch das genaue Tempo der kosmischen Ausdehnung ist strittig – und damit auch der Wert der Hubble-Konstante – einem der Grundpfeiler unseres kosmologischen Standardmodells. „Die Hubble-Konstante ist der Parameter, der den Maßstab, die Größe und das Alter des Kosmos setzt“, erklärt Wendy Freedman von der University of Chicago.

Mysteriöse Diskrepanz

Das Problem jedoch: Verschiedene Messmethoden für die kosmische Expansion kommen zu stark abweichenden Ergebnissen. Auf Basis der kosmischen Hintergrundstrahlung ergibt sich eine Hubble-Konstante von rund 67 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec. Doch Messungen anhand von Supernovae, Gravitationslinsen und veränderlichen Sternen, den sogenannte Cepheiden, ergeben Hubblekonstanten von 72 bis 74 – und damit eine deutlich schnellere Expansion.

„Natürlich wirft dies Fragen über die Ursache dieser Diskrepanz auf“, sagt Freedman. Theoretisch könnten Störfaktoren bei den Messungen für die Abweichungen verantwortlich sein – das allerdings wird aufgrund der zunehmenden Genauigkeit der Messungen immer unwahrscheinlicher. Möglich wäre aber auch, dass das kosmologische Standardmodell unvollständig ist, beispielsweise weil es noch unerkannte Teilchen oder physikalische Prozesse im Kosmos gibt.

Rote Riesen als Messhilfe

Jetzt haben Freedman und ihr Team die Hubble-Konstante erstmals mit einer neuen Methode ermittelt – mithilfe von Roten Riesen. Sie entstehen, wenn sich ein sonnenähnlicher Stern am Ende seines Lebenszyklus stark aufbläht und ein Großteil seines Wasserstoffs zu Helium verschmolzen ist. Wenn dann die Heliumfusion zündet, steigt die Sternentemperatur abrupt an – ein Merkmal, das diese Roten Riesen leicht erkennbar macht.

„Diese Sterne sind auffallend rot und hell und daher in den Halos naher Galaxien leicht zu identifizieren und zu messen“, erklären die Astronomen. Der Clou dabei: Die Helligkeit dieses sogenannte Helium-Flashs ist bekannt und kann daher als eine Art Standardkerze für die Entfernungsbestimmung herangezogen werden. Dadurch lässt sich über diese Roten Riesen auch die Hubble-Konstante ermitteln – und genau das haben Freedman und ihr Team nun gemacht.

Genau in der Lücke

Das überraschende Ergebnis: Die Forscher kamen auf eine Hubble-Konstante von 69,8 Kilometern pro Sekunde und Megaparsec (km/s/Mpc). Damit liegen sie ziemlich genau in der Mitte zwischen den beiden bisherigen Werten. Die über die Roten Riesen ermittelte Hubble-Konstante liegt höher als die der kosmischen Hintergrundstrahlung, aber niedriger als die über Cepheiden und Supernovae gemessene.

„Wir hatten gehofft, mit unserer Messung das Patt zu entscheiden“, sagt Koautor Barry Madore von der Carnegie Institution for Science. „Aber jetzt sehen wir, dass das wohl nicht so einfach wird.“ Denn statt einen der beiden Extreme zu bestätigen, wirft die neu ermittelte Hubble-Konstante nun weitere Fragen auf: Deutet der „Mittelwert“ daraufhin, dass es doch einen gemeinsamen Nenner für alle bisherigen Messwerte gibt? Oder steckt ein fundamentaler Unterschied des nahen zum fernen Kosmos dahinter?

„Die Frage, ob das Standardmodell des Universums vollständig ist oder nicht, bleibt vorerst weiter unbeantwortet“, konstatiert Madore. (The Astrophysical Journal, in press; arXiv:1907.05922)

Quelle: Carnegie Institution for Science, NASA/Goddard Space Flight Center