Neuvermessung des Universums durch Hubble - Weltraumfacts

Neuvermessung des Universums durch Hubble
Das Projektteam des Hubble Space Telescopes (HST) gab im Frühjahr dieses Jahres bekannt,
daß sie ein Forschungsprojekt abgeschlossen hätten, das die präzise Entfernungsmessung von
weit entfernten Spiralgalaxien zum Inhalt hatte. Dieses Projekt ist ein wesentlicher Bestandteil
der Bemühungen, das Alter, die Größe und das zukünftige Schicksal des Universums zu
bestimmen. Das Ergebnis ist ein Schlüssel zum Bestimmen der Expansionsrate des Universums,
ausgedrückt durch die sogenannte „Hubble-Konstante“. Die Ermittlung des Wertes dieser
wichtigen kosmologischen Konstante war eines der drei Hauptziele für das Weltraumteleskop,
die vor dem Start im Jahre 1990 festgelegt wurden.
Seit etwa 70 Jahren versuchten sich Astronomen an der
präzisen Bestimmung dieser Konstante, seit Edwin Hubble
(nach dem das Weltraumteleskop benannt ist) selbst
entdeckte, daß sich Galaxien umso rascher von uns
entfernen, desto weiter sie von uns entfernt sind. Für viele
Jahre, sogar bis zum Start des Hubble Space Teleskopes,
betrug die Bandbreite für die Hubble-Konstante zwischen
50 bis 100 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec (1
Megaparsec = 3,26 Millionen Lichtjahre). Das Team
bestimmte nun den Wert von 70 km/sec/mpc, mit einer
Unsicherheit von nur 10% (bisher 100% bzw. Faktor 2).
Das Forschungsteam verwendete das Weltraumteleskop,
um 18 Galaxien zu beobachten, die bis zu 65 Millionen
Lichtjahre entfernt sind. Sie entdeckten etwa 800
Cepheiden, das ist eine spezielle Klasse von variablen
Sternen, die regelmäßig pulsieren und für exakte Entfernungsmessungen
verwendet werden. Obwohl Cepheiden
sehr selten sind, stellen sie sogenannte „Standard-Kerzen“
dar, um intergalaktische Distanzen bestimmen zu können.
Die Wissenschaftler verwendeten diese Sterne, um verschiedene
Methoden der Entfernungsschätzung zu kalibrieren,
d.h. vergleichbar zu machen. Damit können diese
Methoden nun auch für andere Zwecke besser eingesetzt
werden.
Durch die Kombination des neuermittelten Wertes für
die Hubble-Konstante mit Schätzungen über die Dichte des
Die Galaxie NGC4603 im Centaurus-Galaxienhaufen. In diesem Spiralnebel wurden die bisher am weitesten entfernen Cepheiden
(ca. 36 bis 50 von diesem Typ veränderlicher Sterne) beobachtet und damit die Entfernungsskala des Universums neu geeicht.
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Universums bestimmte die Forschungsgruppe das Alter
des Universums mit etwa 12 Milliarden Jahren. Dieser
Wert ist vergleichbar mit dem Alter der ältesten Sterne.
Diese Entdeckung klärt endlich das Paradoxon, das aus
früheren Altersbestimmungen herrührte. Damals kam man
nähmlich auf ein geringeres Alter und somit auf Sterne, die
älter als das Universum waren.
Die Wissenschaftler wiesen darauf hin, daß dieses neubestimmte
Alter vor allem dann „halten“ würde, wenn das
Universum wirklich unterhalb der sogenannten „kritischen
Dichte“ sei. Diese Dichte entscheidet darüber, ob sich das
Universum in Zukunft weiter ausdehnen oder wieder in
sich zusammenstürzen wird. Wenn es also die vermutete,
geheimnisvolle „Dunkle Materie“ wirklich gibt, würden
diese aktuellen Messungen also auf ein wesentlich älteres
Universum hindeuten. Kandidaten für die „Dunkle
Materie“ sind unter anderem Braune Zwerge (Mittelding
zwischen Planeten und Sternen, ohne Kernfusionsprozesse,
daher mit geringer Helligkeit), intergalaktische Staub- und
Gaswolken, Neutrinos oder irgendeine andere exotische
Form von Elementarteilchen.
Die Forschungsgruppe „Hubble Space Telescope Key
Projekt team“ ist eine internationale Gruppe von 27
Astronomen aus 13 verschiedenen US- und internationalen
Institutionen, geführt von Wendy Freedman von den
Observatorien des Carnegie Institutes in Washington.
Dies ist ein Diagramm, daß den Zusammenhang zwischen der Entfernung
und der scheinbaren Geschwindigkeit, mit der sich Galaxien von der Erde
entfernen, darstellt. Die Entfernungen wurden mit Hilfe von Cepheiden gemessen.
Das Verhältnis von Entfernung zu Geschwindigkeit stellt die
Hubble-Konstante dar. Die mittlere Linie mit einem Wert von 70 km/sek/mps
paßt am besten zu den ermittelten Werten. Die strichlierten Linien mit
Werten von 77 bzw. 63 grenzen den Toleranzbereich von 10% ab, passen
aber nicht so gut zu den ermittelten Daten. Grafik: Space Telescope Science
Institute/NASA.
Eine Hubble-Aufnahme der Supernova 1994D in der Galaxie
NGC 4526. Foto: Space Telescope Science Institute/NASA.
Die 90jährige Suche nach dem Alter des Universums
Albert Einstein lehnte sie ab, Edwin Hubble führte sie ein
und zahlreiche Astronomen diskutierten sie seither. Nun
hat sie ein Team vom HST neubestimmt, die „Hubble
Konstante“. Diese Zahl ist der Schlüssel zu zahlreichen
anderen fundamentalen astronomischen Fragen. Hier ein
kurzer historischer Abriß zur Geschichte dieser wichtigen
kosmologischen Konstante:
1908: Henrietta S.Leavitt vom Havard
Observatorium studiert variable Sterne in den
Magellanischen Wolken und entdeckt dort
regelmäßig pulsierende Sterne, die Cepheiden.
1912: Vesto M. Slipher vom Lovell Observatorium
studiert die Bewegung von ca. 50 Spiralnebeln.
Er stellt dabei fest, daß die meisten
davon sich scheinbar mit großer Geschwindigkeit
von der Erde entfernen.
1916-1927: Einstein stellt seine Allgemeine
Relativitätstheorie zur Struktur des Universums
vor. In diesem bleibt das Universum statisch,
es ist weder expandierend noch kontrahierend.
William de Sitter zeigt 1917, daß
auch ein expandierendes Universum in Einsteins
Theorie paßt.
1923: Edwin Hubble identifiziert 12 Cepheiden
in den Spiralnebeln M3 und M22. Durch
die Bestimmung ihrer Entfernungen beweist
er, daß es sich um individuelle Galaxien
außerhalb unserer Milchstraße handelt.
1929: Hubble liefert den Nachweis, daß das
Universum expandiert. Beim Studium von 18
Spiralgalaxien entdeckt er den Zusammenhang
zwischen ihrer Bewegung und ihrer Entfernung.
Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto
schneller entfernt sie sich. Diese Beziehung ist
heute als Hubble’s Gesetz bekannt, das Ver-
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hältnis zwischen Geschwindigkeit
und
Entfernung ist die
„Hubble-Konstante“.
1931: Hubble und
Milton L.Humanson
bestimmen die Helligkeit
von Cepheiden in
M81, M101 und
NGC2403. Sie berechnen
einen Wert
für die Hubble-Konstante
von 558
km/sec/mps.
1954: Der Wert wird
von 558 auf 280 reduziert,
als Walter
Baade beweist, daß
Hubble irrtümlicherweise
zwei verschiedene
Gruppen von
Sternen, mit unterschiedlichem
Verhältnis
von Pulsationsdauer
und Helligkeit, zur Entfernungsbestimmung verwendet
hat. Er hat dadurch die Entfernungen zu nahen Galaxien
und damit die Größe des Universums unterschätzt.
Mögliche Modelle eines expandierenden Universums:
Ein Universum mit sich verlangsamender Ausdehnung (decelerating)
erreicht seine derzeitige Größe in der geringsten Zeitspanne. Das Universum
könnte sich entweder wieder zusammenziehen oder unendlich
ausdehnen. Ein „coasting“ Universum ist älter als das erste Modell, da es
länger brauchte, um den derzeitigen Zustand zu erreichen. Es wird sich
ewig weiter ausdehnen. Ein beschleunigtes Universum ist noch älter,
seine Ausdehnung beschleunigt sich ständig durch abstoßende Kräfte, die
die Galaxien auseinandertreiben.
Eine Region der Galaxie NGC4603 mit den markierten Positionen von
Cepheiden. Foto: Space Telescope Science Institute/NASA.
Grafik: Grafik: Space Telescope Science Institute/NASA..
1956: Nach Hubble’s Tod nimmt Allan Sandage von den
Carnegie Observatorien in Pasadena die Suche nach der
Hubble-Konstante auf. Er entdeckt, daß viele der Objekte,
die Hubble für die hellsten Sterne in
anderen Galaxien gehalten hat, Sternhaufen
oder beleuchtete Gaswolken
waren. Er korrigiert den Wert der
Konstante auf 75 und erhöht damit erneut
die Distanz-Skala. Eine niedrigere Konstante
bedeutet, daß das Universum sich
langsamer ausdehnt und länger gebraucht
hat, um die heutige Größe zu erreichen.
1956-1994: Über die nächsten Jahrzehnte
suchen eine große Zahl von Astronomen
nach dem besten Wert der Hubble-
Konstante. Dabei ergibt sich eine Bandbreite
zwischen 50 und 100 km/sec/mps.
Die Astronomen erkennen, daß sie an
einer Grenze angekommen sind. Erdgebundene
Teleskope können Cepheiden nur
in nahen Galaxien auflösen. Für eine genauere
Bestimmung der Hubble-Konstante
muß man wesentlich weiter in den Raum
vorstoßen. Diese Frage ist daher einer der
Ziele des neuen Weltraumteleskopes, daß
1990 gestartet wird und nach Edwin
Hubble benannt wird. Es wird erwartet,
daß Cepheiden, die 10mal schwächer sind
als die bisher beobachteten, aufgespürt
werden können.
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1994: Die Mitglieder eines internationalen Beobachterteams
am HST können die Entdeckung von Cepheiden in
der Spiralgalaxie M100 bekanntgeben. Damit wird eine
Entfernung von 56 Millionen Lichtjahren zu dieser Galaxie
im Virgio-Galaxienhaufen bestimmt und eine Hubble-
Konstante von 80 ermittelt.
1994-1999: Obwohl Cepheiden nützliche „kosmische Meilensteine“
sind, kann auch Hubble sie in besonders weit
entfernten Galaxien nicht nachweisen. Daher entwickelt
das Team um Freedman, Mould und Kennicutt eine
Technik, die als „kosmologische Entfernungsleiter“ bezeichnet
wird. Dazu werden Cepheiden in nahen Galaxien
und sogenannte „sekundäre Entfernungsmarker“, z.B. eine
spezielle Klasse von explodierenden Sternen, genannt Type
Ia-Supernova, dazu benutzt, um besonders große
Entfernungen zu bestimmen. 1996 meldet ein Team um
Sandage einen Wert von 57 und später einen Wert von 59.
1999: Das Team um Freedman, Mould und Kennicutt
meldet die derzeit genaueste Messung der Expansionsrate
des Universums. Die Astronomen bestimmten einen Wert
von 70, mit einer Unsicherheit von 10%. Sie verwendeten
das HST, um 18 Galaxien zu beobachten. Die schwächste
davon ist 65 Millionen Lichtjahre entfernt. Dabei wurden
ca. 800 Cepheiden entdeckt. Diese Entfernungsmarker
wurden dann benutzt, um mit den „sekundären Entfernungsmarkern“
noch wesentlich größere Distanzen zu
bestimmen.
EF, Quelle: HST-Presseinfos.
Begriffserläuterungen:
Cepheiden: Eine Gruppe veränderlicher Sterne, die eine
sehr hohe Leuchtkraft haben, zu den Überriesen zählen
und pulsieren. Der Hauptvertreter dieser Gruppe ist der
Stern δ Cephei (im Sternbild Cepheus am nördlichen
Himmel, zirkumpolar). Die Periode der Cepheiden liegt
zwischen 1 und 50 Tagen, die Helligkeitsschwankung kann
bis zu 2 Größenklassen betragen. Es gibt mehrere Arten
von Cepheiden. Eine besonders wichtige Eigenschaft ist
die sogenannte Perioden-Helligkeitsbeziehung. Wenn
nämlich die Periode eines Cepheiden bekannt ist, kann aus
dieser Beziehung seine absolute Leuchtkraft abgeleitet
werden. Die scheinbare Helligkeit des Sternes ist von der
Erde aus beobachtbar. Die Entfernung kann schließlich
aus der Differenz zwischen absoluter und scheinbaren
Helligkeit berechnet werden. Allerdings muß die Perioden-
Helligkeits-Beziehung zunächst an näheren Cepheiden geeicht
werden. Diese Eichung konnte durch Messungen des
Astrometrie-Satelliten Hipparcos wesentlich verbessert
werden, wenn auch nur auf indirektem Weg. Auch der
nächste Cepheid ist mit ca. 450 Lichtjahren zu weit
entfernt, um die Entfernung direkt mit trigonometrischen
Methoden zu messen (die unterste Stufe der kosmologischen
Entfernungsleiter).
Supernovae: Supernovae sind gewaltige Sternexplosionen,
die so hell sind, daß sie auch in sehr weit entfernten
Galaxien beobachtet werden können. Die Supernovae von
Typ I bilden eine homogene
Gruppe und kommen in allen
Arten von Galaxien vor. Auf
einen raschen Helligkeitsabfall
in den ersten 20 bis 30
Tagen nach der Maximalhelligkeit
folgt ein langsamer
exponentieller Abfall mit
einer Halbwertszeit von 40
bis 70 Tagen; teilweise über
Jahre hinweg beobachtbar.
Die absolute Helligkeit mit -
19,7 ist relativ genau bekannt
(nach Eichung mit anderen
Methoden). Aus der scheinbaren,
von der Erde gemessenen
Helligkeit kann wie
bei den Cepheiden die Entfernung
berechnet werden.
EF, Quellen: Meyers Handbuch
Weltall; J.Hermann: Großes
Lexikon der Astronomie.
Bilder von drei verschiedenen Supernovae in großer Entfernung (links SN 1997cj, SN1997ce in
der Mitte und rechts SN1997ck). Die oberen Bilder zeigen jeweils einen größeren
Bildausschnitt, die unteren eine Detailaufnahme. Eine Serie von Aufnahmen im Mai und Juni
1997 wurde von Hubble aufgenommen, um ihre Lichtkurve zu bestimmen. Da derartige
Supernovae immer eine ähnliche absolute Helligkeit aufweisen, kann man aus der gemessenen
Helligkeit ihre Entfernung bestimmen.
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