Physiker haben eine möglicherweise bahnbrechende Methode zur Messung der Expansionsrate des Universums entdeckt, ein seit langem bestehendes kosmologisches Rätsel, indem sie die subtilen Wellen in der Raumzeit nutzen, die als Gravitationswellen bekannt sind. Der neue Ansatz nutzt das kollektive Signal unzähliger verschmelzender Schwarzer Löcher im gesamten Kosmos – ein schwaches „Summen“ der Schwerkraft –, um unabhängig zu beurteilen, wie schnell sich der Weltraum ausdehnt. Auch ohne diesen Hintergrund direkt zu erkennen, haben Forscher bereits aktuelle Daten verwendet, um Einschränkungen für die Hubble-Konstante zu verfeinern, den Wert, der die Expansionsgeschwindigkeit des Universums darstellt.
Die Hubble-Spannung: Ein Kernproblem der Kosmologie
Die Expansionsrate des Universums ist eine grundlegende Größe, ihr genauer Wert ist jedoch zu einem großen Streitpunkt geworden. Messungen aus frühen Universumsbeobachtungen (wie der kosmische Mikrowellenhintergrund, das Nachleuchten des Urknalls) stimmen systematisch nicht mit denen von nahegelegenen Objekten (wie Supernovae) überein. Diese als Hubble-Spannung bezeichnete Diskrepanz ist statistisch signifikant und deutet entweder auf nicht identifizierte Fehler in bestehenden Methoden oder auf die Notwendigkeit einer grundlegend neuen Physik hin.
Wie die Yale-Physikerin Chiara Mingarelli erklärt: „Die Messungen der Expansionsrate im frühen Universum und im späten Universum stimmen mit über 5 Sigma nicht überein … Entweder liegt ein nicht identifizierter systematischer Fehler vor oder es handelt sich um neue Physik.“ Die Unfähigkeit, diese Werte in Einklang zu bringen, wirft kritische Fragen zu unserem Verständnis von dunkler Energie, dunkler Materie und der Gesamtstruktur des Universums auf.
Verschmelzungen von Schwarzen Löchern als kosmische Herrscher nutzen
Die neue Studie, die zur Veröffentlichung in Physical Review Letters angenommen wurde, schlägt eine neuartige Methode vor, die vollständig auf Gravitationswellen basiert. Seit 2015 haben Observatorien wie LIGO und Virgo Dutzende Verschmelzungen Schwarzer Löcher entdeckt, wobei jedes Ereignis Informationen über die Massen und Entfernungen der kollidierenden Körper lieferte. Durch die Analyse der Raten, mit denen diese Verschmelzungen im gesamten Universum auftreten, können Wissenschaftler auf Eigenschaften des Gravitationswellenhintergrunds schließen – das kombinierte Signal von Ereignissen, die zu weit entfernt sind, um einzeln aufgelöst zu werden.
Laut Hauptautor Bryce Cousins „können wir die Häufigkeit dieser Kollisionen im gesamten Universum bestimmen, da wir einzelne Kollisionen von Schwarzen Löchern beobachten.“ Die Gesamtstärke dieses Hintergrundsignals hängt direkt von der Expansionsrate ab; Eine langsamere Expansion bedeutet größere Volumina und mehr Fusionen, was zu einem stärkeren Hintergrund führt.
Implikationen und Zukunftsaussichten
Das Forschungsteam zeigte, dass die derzeitige Nichterkennung des Gravitationswellenhintergrunds bestimmte niedrigere Werte für die Hubble-Konstante bereits ausschließt. Während die aktuellen Einschränkungen noch weitreichend sind, schafft diese Methode einen neuen, unabhängigen Rahmen für kosmologische Schlussfolgerungen. Dieser Ansatz ergänzt bestehende „Standard-Sirenen“-Techniken (unter Verwendung einzelner Gravitationswellenereignisse als Entfernungsmarkierungen), indem er die gesamte ungelöste Population von Kollisionen Schwarzer Löcher ausnutzt.
Daniel Holz, Professor an der University of Chicago, betont die Bedeutung: „Es kommt nicht alle Tage vor, dass man ein völlig neues Werkzeug für die Kosmologie entwickelt.“ Geplante Upgrades von Gravitationswellendetektoren sollen innerhalb weniger Jahre eine direkte Erfassung des Hintergrunds ermöglichen und diese von einer Untergrenze in eine präzise Messung umwandeln.
Letztendlich könnte diese stochastische Sirenenmethode ein leistungsstarkes neues Werkzeug zur Untersuchung der Expansionsgeschichte des Universums und zur Bestimmung sein, ob die Hubble-Spannung einen grundlegenden Fehler in unseren Modellen oder lediglich versteckte systematische Fehler darstellt.
Diese neue Technik bietet eine wichtige unabhängige Überprüfung bestehender kosmologischer Messungen und könnte letztendlich dazu beitragen, eines der drängendsten Rätsel der modernen Physik zu lösen.
