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Kosmische Linsen bestätigen schnellere Expansion des Universums

Der kosmische Blick um die Ecke

HE0435-1223, in der Mitte des Bildes, gehört zu den fünf besten Gravitationslinsen-Quasaren, die bisher entdeckt wurden. Die Vordergrundgalaxie erzeugt hier vier nahezu gleichmäßig verteilte Bilder des dahinter liegenden Quasars. Bild: Suyu et al. / ESA/Hubble, NASA
HE0435-1223, in der Mitte des Bildes, gehört zu den fünf besten Gravitationslinsen-Quasaren, die bisher entdeckt wurden. Die Vordergrundgalaxie erzeugt hier vier nahezu gleichmäßig verteilte Bilder des dahinter liegenden Quasars. Bild: Suyu et al. / ESA/Hubble, NASA

Forschung

Indem sie Galaxien als riesigen Gravitationslinsen nutzten, führte eine internationale Gruppe von Astronomen um Max Planck@TUM-Professorin Sherry Suyu eine unabhängige Messung der Hubble-Konstante durch, die beschreibt, wie schnell sich das Universum ausdehnt. Die neu gemessene Expansionsrate für das lokale Universum steht dabei im Einklang mit früheren Messungen. Erstaunlicherweise stimmen diese jedoch nicht mit Messungen aus dem frühen Universum überein. Dies deutet auf ein grundsätzliches Problem bei unserem Verständnis des Kosmos hin.

Die Hubble-Konstante, also die Geschwindigkeit mit der das Universum expandiert, ist eine der grundlegenden Größen, die unser Universum beschreiben. Eine Gruppe von Astronomen aus der H0LiCOW-Kooperation (H0 Lenses in COsmograil’s Wellspring) nutzte das Weltraumteleskop Hubble und weitere Teleskope im All und auf der Erde, um fünf Galaxien zu beobachten und diese für eine unabhängige Messung der Hubble-Konstante zu nutzen.

Die neue Messung ist völlig unabhängig von anderen Messungen der Hubble-Konstante im lokalen Universum, die sogenannte „Cepheidensterne“ und Supernovae als Referenzpunkte verwendeten, stimmt aber ausgezeichnet mit ihnen überein.

Angeführt wird das Konsortium von Sherry Suyu, die kürzlich vom Institute of Astronomy and Astrophysics der Academia Sinica (ASIAA) in Taipeh (Taiwan) nach Garching wechselte, wo sie jetzt im Max Planck@TUM-Programm Gruppenleiterin am Max-Planck-Institut für Astrophysik und Tenure Track-Professorin der Technischen Universität München ist.

Eine neue Physik?

Der von Suyu und ihrem Team gemessene Wert sowie die mit Cepheiden und Supernovae gemessenen Werte unterscheiden sich jedoch von Messungen des Planck-Satelliten. Dabei gibt es einen wichtigen Unterschied: Durch die Beobachtung des kosmischen Mikrowellenhintergrundes maß Planck die Hubble-Konstante für das frühe Universum.

Während der Planck-Wert für die Hubble-Konstante mit unserem gegenwärtigen Verständnis des Kosmos übereinstimmt, stehen die Werte, die die Astronomen für das lokale Universum erhalten haben, im Widerspruch zum akzeptierten theoretischen Modell des Universums.

„Wir schaffen es inzwischen, die Expansionsrate des Universums in unterschiedlicher Weise mit einer solch hohen Genauigkeit zu messen, dass dabei auftretende Diskrepanzen möglicherweise auf eine neue Physik hinweisen, die über unsere gegenwärtige Kenntnis des Universums hinausgeht“, erläutert Suyu.

Mit Gravitationslinsen um die Ecke sehen

Die Ziele der Untersuchung waren massereiche Galaxien zwischen den Beobachtern auf der Erde und sehr entfernten Quasaren, unglaublich leuchtkräftigen Galaxienkernen. Das Licht der Quasare wird durch die als starke Gravitationslinse wirkende, riesige Masse der Galaxie gebeugt – ein Vorgang, den der Schweizer Astronom Fritz Zwicky bereits vor 80 Jahren vorhersagte. Dies erzeugt mehrere Bilder des Hintergrund-Quasars, einige werden zu Bögen verzerrt.

Da die Galaxien aber keine perfekt sphärischen Verzerrungen im Raum erzeugen und außerdem die Linsengalaxien und Quasare nicht perfekt hintereinander ausgerichtet sind, legt das Licht der verschiedenen Bilder des Hintergrundquasars etwas unterschiedliche Wege zurück, die auch unterschiedliche Längen aufweisen.

Die Helligkeit von Quasaren ändert sich mit der Zeit und so können die Astronomen sehen, dass die verschiedenen Bilder zu unterschiedlichen Zeiten aufflackern. Die Verzögerungen dazwischen sind dabei abhängig von der zurückgelegten Weglänge des Lichts und stehen in direktem Zusammenhang mit dem Wert der Hubble-Konstante.

„Unsere Methode ist die einfachste und direkteste Methode, um die Hubble-Konstante zu messen, da sie nur Geometrie und Relativitätstheorie verwendet, keine weiteren Annahmen“, erklärt Co-Autor Frédéric Courbin von der EPFL, Schweiz.

Die genauen Messungen der Zeitverzögerungen zwischen den einzelnen Bildern sowie Computermodelle erlaubten es dem Team, die Hubble-Konstante mit hoher Präzision zu ermitteln. Der Fehler beträgt nur 3,8 Prozent. „Dafür mussten wir in unserer Analyse auch die Lichtablenkung durch alle anderen Galaxien in der Nähe der Linsengalaxie einbeziehen,“ erklärt Stefan Hilbert vom Exzellenzcluster Universe.

„Eine genaue Messung der Hubble-Konstante ist heutzutage einer der begehrtesten Preise in der kosmologischen Forschung“, betont Teammitglied Vivien Bonvin von der EPFL, Schweiz. Und Suyu fügt hinzu: „Die Hubble-Konstante ist für die moderne Astronomie von entscheidender Bedeutung, da sie bei der Beantwortung der Frage hilft, ob unser Bild des Universums – bestehend aus dunkler Energie, dunkler Materie und normaler Materie – korrekt ist oder ob wir etwas Grundsätzliches übersehen haben.“

Hintergrundinformationen:

Max Planck@TUM-Programm: Für hochqualifizierte Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler bieten TUM und Max-Planck-Gesellschaft (MPG) einen kombinierten Karriereweg: Forschen als Max Planck Forschungsgruppenleiter mit einer Tenure-Track-Professur an der Technischen Universität München. Alle Informationen zur gemeinsamen Berufung durch TUM und MPG finden Sie auf der Informationsseite des Programms.

Genutzte Instrumente: Die Studie nutzte neben dem Weltraumteleskop Hubble der NASA/ESA das Keck-Teleskop, das VLT der ESO, das Subaru-Teleskop, das Gemini-Teleskop, das Victor M. Blanco Teleskop, das Canada-France-Hawaii Teleskop sowie das Spitzer-Weltraumteleskop der NASA. Außerdem wurden Daten des Schweizer 1,2-Meter-Leonhard-Euler-Teleskops und des MPG/ESO 2,2-Meter-Teleskops in Chile verwendet.

Hubble-Konstante: Der vom H0LiCOW-Team bestimmte Wert für die Hubble-Konstante beträgt 71,9±2,7 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec. Wissenschaftler konnten im Jahr 2016 mit dem Hubble Weltraumteleskop einen Wert von 73,24±1,74 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec messen. Der Planck-Satellit bestimmte 2015 die Konstante mit der bisher höchsten Präzision und einem Wert von 66,93±0,62 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec.

Publikationen:

Diese Studie wurde in einer Reihe von Artikeln veröffentlich, die im Journal MNRAS erscheinen werden:

1. Suyu et al.; H0LiCOW I. Program Overview
Submitted to MNRAS, https://arxiv.org/abs/1607.00017
2. Sluse et al.; H0LiCOW II. Spectroscopic survey and galaxy-group identification of the strong gravitational lens system HE0435-1223
Submitted to MNRAS, https://arxiv.org/abs/1607.00382
3. Rusu et al.; H0LiCOW III. Quantifying the effect of mass along the line of sight to the gravitational lens HE 0435-1223 through weighted galaxy counts
Submitted to MNRAS, https://arxiv.org/abs/1607.01047
4. Wong et al.; H0LiCOW IV. Lens mass model of HE 0435-1223 and blind measurement of its time-delay distance for cosmology
Accepted by MNRAS, https://arxiv.org/abs/1607.01403 – DOI: https://dx.doi.org/10.1093/mnras/stw3006
5. Bonvin et al.; H0LiCOW V. New COSMOGRAIL time delays of HE 0435?1223: H0 to 3.8% precision from strong lensing in a flat ΛCDM model
Accepted by MNRAS, https://arxiv.org/abs/1607.01790 – DOI: https://dx.doi.org/10.1093/mnras/stw3077
6. Ding et al.; H0LiCOW VI. Testing the fidelity of lensed quasar host galaxy reconstruction
MNRAS (2016) 465 (4): 4634-4649, https://arxiv.org/abs/1610.08504 – DOI: https://dx.doi.org/10.1093/mnras/stw3078

Kontakt:

Sherry Suyu (Englisch)
Max-Planck-Institut für Astrophysik
Garching, Deutschland
Tel: +49 89 30000 2015 - E-Mail

Hannelore Hämmerle
Pressesprecher
Max-Planck-Institut für Astrophysik
Garching, Deutschland
Tel: +49 89 30000 3980 - E-Mail

Stefan Hilbert
Junior Research Group Leader
Excellence Cluster Universe
Tel: +49 89 35831 7148 - E-Mail

HE0435-1223 gehört zu den fünf besten "Linsenquasaren", die bislang entdeckt wurden. Die Vordergrundgalaxie erzeugt vier nahezu gleichmäßig verteilte Bilder des entfernten Quasars. Bild: Suyu et al. / ESA/Hubble, NASA
HE0435-1223 gehört zu den fünf besten "Linsenquasaren", die bislang entdeckt wurden. Die Vordergrundgalaxie erzeugt vier nahezu gleichmäßig verteilte Bilder des entfernten Quasars. Bild: Suyu et al. / ESA/Hubble, NASA
B1608 + 656 gehört ebenfalls zu den fünf besten Linsenquasaren. Die beiden Vordergrundgalaxien verschmieren das Licht der entfernteren Quasar-Wirtsgalaxie in helle Bögen. Bild: Suyu et al. / ESA/Hubble, NASA
B1608 + 656 gehört ebenfalls zu den fünf besten Linsenquasaren. Die beiden Vordergrundgalaxien verschmieren das Licht der entfernteren Quasar-Wirtsgalaxie in helle Bögen. Bild: Suyu et al. / ESA/Hubble, NASA
Auch RXJ1131-1231 gehört zu den fünf besten Linsenquasaren. Die Vordergrundgalaxie verschmiert das Bild des Quasars dahinter in einen hellen Bogen (links) und erzeugt insgesamt vier Bilder, von denen drei im Bogen zu sehen sind. Bild: Suyu et al. / ESA/Hubble, NASA
Auch RXJ1131-1231 gehört zu den fünf besten Linsenquasaren. Die Vordergrundgalaxie verschmiert das Bild des Quasars dahinter in einen hellen Bogen (links) und erzeugt insgesamt vier Bilder, von denen drei im Bogen zu sehen sind. Bild: Suyu et al. / ESA/Hubble, NASA
Ein weiterer Linsenquasar, der von den Forschern untersucht wurde, ist WFI2033-4723. Die Vordergrundgalaxie erzeugt vier verschiedene Bilder des entfernten Quasars. Bild: Suyu et al. / ESA/Hubble, NASA
Ein weiterer Linsenquasar, der von den Forschern untersucht wurde, ist WFI2033-4723. Die Vordergrundgalaxie erzeugt vier verschiedene Bilder des entfernten Quasars. Bild: Suyu et al. / ESA/Hubble, NASA
Auch HE1104-1805 gehört zu den von den Forschern untersuchten Linsenquasaren. Die Vordergrundgalaxie in der Mitte des Bildes erzeugt zwei verschiedene Bilder des entfernten Quasars zu beiden Seiten. Bild: Suyu et al. / ESA/Hubble, NASA
Auch HE1104-1805 gehört zu den von den Forschern untersuchten Linsenquasaren. Die Vordergrundgalaxie in der Mitte des Bildes erzeugt zwei verschiedene Bilder des entfernten Quasars zu beiden Seiten. Bild: Suyu et al. / ESA/Hubble, NASA