Das älteste überlebende Licht zeigt das wahre Alter des Universums

Das uralte Licht des Urknalls hat eine genaue neue Schätzung für das Alter des Universums ergeben: 13,77 Milliarden Jahre, 40 Millionen Jahre geben oder nehmen.

Die neue Schätzung, die auf Daten einer Reihe von Teleskopen in der chilenischen Atacama-Wüste basiert, berücksichtigt auch eine der wichtigsten Meinungsverschiedenheiten in der Astrophysik: Wie schnell expandiert das Universum? Das neue Ergebnis, das in zwei wissenschaftlichen Arbeiten beschrieben wurde, gibt einer Seite der Meinungsverschiedenheit einen deutlichen Auftrieb, obwohl die Physiker die andere Seite des Streits nicht als falsch beweisen konnten.

Hier ist das Problem: Physiker müssen die Expansionsrate des Universums verstehen, um einen Sinn für die Kosmologie zu haben - die Wissenschaft der Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft unseres gesamten Universums. Sie wissen, dass eine mysteriöse Substanz namens Dunkle Energie dazu führt, dass sich das Universum (mit immer größerer Geschwindigkeit) in alle Richtungen ausdehnt. Aber wenn Astronomen ihre Teleskope in den Weltraum richten, um die Hubble-Konstante (H0) zu messen - die Zahl, die beschreibt, wie schnell Das Universum dehnt sich in unterschiedlichen Entfernungen von uns oder einem anderen Punkt aus - sie liefern Zahlen, die je nach verwendeter Methode nicht übereinstimmen.

Eine Methode, die auf Messungen basiert, wie schnell sich nahegelegene Galaxien von der Milchstraße entfernen, erzeugt ein H0. Eine andere Methode, die auf der Untersuchung des ältesten Lichts im Weltraum oder des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) basiert, erzeugt ein weiteres H0. Aufgrund dieser Meinungsverschiedenheit fragen sich Wissenschaftler, ob ihre Messungen oder Theorien, wie bereits berichtet, einen wichtigen blinden Fleck aufweisen. Diese neuen Ergebnisse scheinen zu zeigen, dass auf der CMB-Seite keine Messfehler aufgetreten sind.

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"Wir finden eine Expansionsrate, die genau der Schätzung des Planck-Satellitenteams entspricht", sagte Steve Choi, Astrophysiker der Cornell University, Hauptautor eines von zwei neuen Artikeln, in einer Erklärung. "Dies gibt uns mehr Vertrauen in Messungen des ältesten Lichts des Universums."

Die Daten des 2018 veröffentlichten Planck-Satelliten waren die bislang wichtigsten Messungen des CMB. Mit einer beispiellosen Präzision zeigten sie, wie scharf CMB-Messungen von H0 nicht mit Messungen übereinstimmen, die auf der Bewegung benachbarter Galaxien basieren.

Diese neuen Ergebnisse berechneten die CMB-Messung von Grund auf neu, wobei ein völlig anderer Satz von Teleskopdaten und -berechnungen verwendet wurde, und lieferten sehr ähnliche Ergebnisse. Das beweist nicht, dass die CMB-Messung von H0 korrekt ist - es könnte immer noch ein Problem mit den für die Berechnung verwendeten physikalischen Theorien geben -, aber es deutet darauf hin, dass auf dieser Seite der Meinungsverschiedenheit keine Messfehler vorliegen.

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Die Forscher stützten sich auf Daten des Atacama Cosmology Telescope (ACT) in der chilenischen Atacama-Wüste und verfolgten schwache Unterschiede zwischen verschiedenen Teilen des CMB, die in verschiedenen Teilen des Himmels unterschiedliche Energieniveaus zu haben scheinen. Das CMB, das sich bildete, als sich das Universum nach dem Urknall abkühlte, ist in jeder Richtung im Weltraum als Mikrowellenlicht erkennbar. Es sind mehr als 13 Milliarden Lichtjahre in der Ferne, ein Relikt einer Zeit, bevor sich Sterne und Galaxien bildeten. 

Durch die Kombination von Theorien zur Entstehung des CMB mit präzisen Messungen seiner Schwankungen können Physiker bestimmen, wie schnell sich das Universum zu diesem Zeitpunkt ausdehnte. Diese Daten können dann zur Berechnung von H0 verwendet werden.

Die ACT hat zwischen 2013 und 2016 methodisch den halben Himmel gescannt und dabei insbesondere das Mikrowellenlicht betrachtet. Anschließend bereinigten und analysierten die Forscher jahrelang die Daten mit Hilfe von Supercomputern und entfernten andere Mikrowellenquellen, die nicht Teil des CMB sind, um eine vollständige Karte des CMB zusammenzufügen. Die ganze Zeit "blind" sie sich für die Auswirkungen ihrer Arbeit, schrieben sie in ihre Papiere, was bedeutete, dass sie bis zum Ende nicht darauf achteten, wie sich ihre Entscheidungen auf die Schätzungen von H0 auswirkten. Erst als die vollständige CMB-Karte vollständig war, verwendeten die Forscher sie zur Berechnung von H0.

Die neue CMB-Karte bot auch ein neues Maß für die Entfernung zwischen Erde und CMB. Diese Entfernung ermöglichte zusammen mit einer neuen Messung der Geschwindigkeit, mit der sich das Universum im Laufe der Zeit ausgedehnt hat, eine genaue Berechnung des Alters des Universums.

"Ich hatte keine besondere Vorliebe für einen bestimmten Wert - es würde auf die eine oder andere Weise interessant werden", sagte Choi.

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 Wie bereits berichtet, ist es immer noch möglich, dass ein Fehler in diesen Theorien die Berechnung durcheinander bringt. Aber es ist nicht klar, was der Fehler sein würde.

Der andere Ansatz zur Berechnung von H0 beruht auf pulsierenden Sternen, die als Cepheiden bekannt sind und sich in fernen Galaxien befinden und regelmäßig pulsieren. Dieses zeitgesteuerte Pulsieren ermöglicht es Forschern, ihre Bewegungen und Entfernungen von der Erde genau zu berechnen.

Mit diesen direkten Geschwindigkeitsmessungen ist es ziemlich einfach, eine Messung von H0 zu erstellen. Es gibt keine komplizierten kosmologischen Theorien. Einige Wissenschaftler haben jedoch vorgeschlagen, dass unsere Region des Universums nur seltsam leer und nicht repräsentativ für das gesamte Universum ist. Es ist sogar möglich, dass es Messprobleme mit den Cepheiden gibt und dass diese kosmischen Messstäbe nicht ganz so funktionieren, wie es die Physiker erwarten.

Das wahre H0 bleibt vorerst ein Rätsel. Aber CMB-Forscher haben mehr Munition für ihre Seite der Meinungsverschiedenheit.

Beide neuen Artikel, die die neue Analyse beschreiben, wurden am 14. Juli in der Preprint-Datenbank arXiv veröffentlicht und zur formellen Begutachtung durch Fachkollegen eingereicht.