Gibt es wirklich eine „Krise“ in der Kosmologie?

Der Krebsnebel, wie er vom Hubble-Weltraumteleskop und bodengestützten Teleskopen in einer zusammengesetzten Ansicht gesehen wird. Der Nebel ist die Folge einer brillanten Supernova, die 1054 entdeckt wurde.

Der Krebsnebel, wie er vom Hubble-Weltraumteleskop und bodengestützten Teleskopen in einer zusammengesetzten Ansicht gesehen wird. Der Nebel ist die Folge einer brillanten Supernova, die 1054 entdeckt wurde. (Bildnachweis: NASA, ESA, NRAO/AUI/NSF und G. Dubner (Universität Buenos Aires))

Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei sonnig Stony Brook und das Flatiron Institute, Gastgeber von ' Frag einen Raumfahrer 'und ' Weltraumradio ,' und Autor von ' Wie man im Weltraum stirbt .' Sutter hat diesen Artikel dazu beigetragen Expertenstimmen von demokratija.eu: Op-Ed & Insights .



Sie haben vielleicht schon von der „Kosmologiekrise“ gehört: Verschiedene Methoden zur Messung des Alters von das Universum liefern unterschiedliche Ergebnisse, und Kosmologen haben keine Ahnung, warum.

Als Astrophysiker – und obendrein als Kosmologe – habe ich meine eigene Meinung zu dieser sogenannten Krise.

Aber zuerst sehen wir, was das Problem ist.

Verwandt: Das kosmologische Rätsel der Expansionsrate des Universums

In einer Ecke: der kosmische Mikrowellenhintergrund

Um das Alter des Universums zu messen, muss man seine Expansionsgeschichte kennen. Und um die Expansionshistorie zu erhalten, müssen Sie einige mathematische Modellierungen durchführen. Mathematische Modellierung ist in der Wissenschaft ziemlich verbreitet (im Grunde ist es Wissenschaft), und im Fall des gesamten Universums ist das mathematische Modell Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie.

Wenn Sie die allgemeine Relativitätstheorie auf das gesamte Universum anwenden, erhalten Sie die Friedmann-Gleichungen, einen Satz von Gleichungen, die den Inhalt des Universums zu einem beliebigen Zeitpunkt – sagen wir die relativen Mengen an dunkler Materie, dunkler Energie, Strahlung und allem anderen – mit verbinden die damalige Expansionsrate.

Also, messen Sie das Zeug, ermitteln Sie das Alter.

Der beste Weg, um zu messen, wie viel Stoff sich im Universum befindet, ist der kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB), das Licht, das aus der Zeit, als das Universum erst 380.000 Jahre alt war, übrig geblieben ist. Dank Bemühungen wie der Planck-Mission der Europäischen Weltraumorganisation verfügen wir über hervorragende Karten des CMB, und diese Karten geben uns äußerst detaillierte Aufschlüsselungen des Inhalts des Universums.

Das einzige, was uns die CMB-Karten nicht geben, ist die Menge an dunkler Energie. Dunkle Energie war damals, als das CMB erzeugt wurde, nicht wirklich eine Sache, daher müssen wir in unserer Modellierung andere Beobachtungen verwenden und die Menge an dunkler Energie von Hand hinzufügen. Aber wenn Sie das getan haben, können Sie alles in die Friedmann-Gleichungen einfügen und zu jedem Zeitpunkt (auch heute) die Expansionsrate erhalten und von dort aus das Alter des Universums bestimmen.

In der anderen Ecke: Supernovas

Obwohl es eine äußerst zuverlässige Darstellung des Inhalts des Universums ist, ist das CMB nicht gerade unmittelbar; es wurde vor Milliarden von Jahren geschaffen. Eine andere Möglichkeit, die Expansionsrate des Universums zu messen, ist … nun, die Expansionsrate des Universums zu messen.

Eine Möglichkeit sind Supernovae vom Typ Ia, eine Art Sternexplosion, bei der ein Stern seine Atmosphäre auf einen benachbarten Weißen Zwerg, den dichten Überrest eines toten Sterns, ausschüttet. Sobald eine kritische Schwelle erreicht ist, boomt der Weiße Zwerg und wir bekommen eine Supernova.

Da es im gesamten Universum so ziemlich das gleiche Szenario gibt, können wir Supernovae als Standardkerzen verwenden. Mit anderen Worten, wir wissen, wie hell sie sein sollen, und können das mit ihrer Helligkeit vergleichen. Wir können diese Informationen dann verwenden, um die Expansionsrate des Universums zum Zeitpunkt der Supernova abzuschätzen.

Astronomen nutzten diese Methode Ende der 1990er Jahre, um dunkle Energie zu entdecken, und sie ist seitdem ein Eckpfeiler kosmologischer Messungen. Es ist eine praktische Technik, weil es uns ermöglicht, die Expansionsrate im nahegelegenen Universum zu messen (sogenannte Hubble-Konstante , obwohl sie wirklich nicht konstant ist – aber das ist eine andere Geschichte). Das heißt, es ist ziemlich begrenzt; uns stehen nicht gerade viele Supernovae zur Verfügung, und wir können sie nutzen, um in das weiter entfernte Universum zu blicken.

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Kampf!

In den zwei Jahrzehnten, seit Astronomen die Dunkle Energie entdeckt haben, sind wir auf einen kleinen Haken gestoßen: Messungen der Expansionsrate des Universums (und damit seines Alters) sowohl von der CMB als auch von Supernovae wurden immer genauer, aber sie sind beginnen, anderer Meinung zu sein . Wir reden nicht viel; die beiden Methoden liegen bei der Schätzung der 13,77-Milliarden-jährigen Geschichte des Universums nur 10 Millionen oder 20 Millionen Jahre auseinander. Aber wir arbeiten mit einer solchen Präzision, dass es sich lohnt, darüber zu sprechen.

Eine Möglichkeit, dies zu lösen, besteht darin, zu sagen, dass unsere Messungen des CMB fehlerhaft sind. Aber die Planck-CMB-Messungen gehören zu den genauesten Messungen, die jemals in der Wissenschaft durchgeführt wurden, und mehrere Tests und Überprüfungen in den Jahren seit der ersten Datenfreigabe im Jahr 2013 haben die Berechnungen nur gefestigt.

Aber weil wir den CMB-Daten von Hand dunkle Energie hinzufügen müssen, fehlt uns vielleicht etwas an dieser Kraft. Es ist sowieso ein riesiges Mysterium, also ist es nicht verrückt. Vielleicht ändert sich dunkle Energie mit der Zeit oder ist mit dunkler Materie verbunden oder etwas anderes. Insbesondere diese Option beschäftigt Theoretiker, während sie Papier für Papier schreiben, um die verlockende Möglichkeit zu erkunden.

Und zu guter Letzt liegen die Supernova-Messungen vielleicht etwas daneben. Sicher, sie sind ein direkterer Weg zur heutigen Expansionsrate, aber sie sind nicht narrensicher. Die Explosion von Sternen ist etwas kompliziert, und wenn wir die Unordnung der Physik nicht perfekt verstehen, können wir Supernovae nicht als präzise kosmologische Sonde verwenden. Alles, was es braucht, ist eine Prise Unsicherheit bei der Modellierung von Supernovae, damit die gesamte Krise verschwindet.

Ich persönlich glaube, dass wir Supernovae nicht so gut verstehen, wie wir denken – und das sage ich nicht nur, weil ich Mitglied der Planck-Mission war und bei der CMB-Analyse mitgeholfen habe. Die „Krise“ ist eine gute Ausrede, um weiter Papiere zu schreiben, denn wir sind seit über zwei Jahrzehnten von dunkler Energie ratlos, mit viel Arbeit und wenig Verständnis. In gewisser Weise wollen viele Kosmologen die Krise am Laufen halten, denn solange sie existiert, haben sie etwas anderes zu besprechen, als die Jahre bis zur nächsten großen Mission herunterzuzählen.

Wenn es interessant ist, ist es wahrscheinlich falsch. Der langweiligste Weg, die Krise zu lösen, besteht darin, zuzugeben, dass Supernovae keine so starke Sondierung der Expansionsrate sind, wie wir es uns erhoffen. Aber das würde nicht annähernd so viele Papiere hervorbringen wie eine Krise, und unsere kosmologischen Konferenzen wären viel weniger unterhaltsam. Und so wird die Krise zumindest vorerst weitergehen.

Erfahre mehr, indem du dir die Folge anhörst 'Gibt es wirklich eine Krise in der Kosmologie?' im Podcast 'Ask A Spaceman', verfügbar auf iTunes und askaspaceman.com . Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter mit #AskASpaceman oder folgen Sie Paul @PaulMattSutter und facebook.com/PaulMattSutter .