Warum dehnt sich das Universum aus, statt in sich zusammenzufallen? - Dunkle Energie, Supernovae und die Hubble-Spannung | Fakten zum Einschlafen - Das Universum

0:05 Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum. Lange Zeit ging die Wissenschaft davon aus, dass das Universum statisch, ewig und unveränderlich ist. Selbst Albert Einstein passte seine Gleichungen mit einer kosmologischen Konstante an, um einen Kollaps des Kosmos mathematisch zu verhindern. Doch dann begannen Astronomen, das lichtferner Spiralnebel zu untersuchen und das sorgfältig konstruierte Weltbild geriet ins Wanken. Diese Episode zeichnet den historischen Weg nach, wie Edwin Hubble mithilfe von Cepheidon -Sternen die Entfernung der Andromeda -Galaxie bestimmte und bewies, dass sich der Raum selbst ausdehnt.

0:52 Jahrzehnte später sorgten Beobachtungen von Supernova für die nächste Überraschung. Die kosmische Expansion verlangsamt sich nicht etwa durch die Schwerkraft, sondern sie beschleunigt. Wir betrachten die verschiedenen unabhängigen Messmethoden von baryonischen, akustischen Oszillationen bis zum kosmischen Mikrowellenhintergrund, die alle auf eine mysteriöse, teibende Kraft hindeuten, die wir heute dunkle Energie nennen. Dabei geht es nicht nur um den Triumph der Physik, sondern auch um aktuelle ungelöste Rätsel, wie die Hubbelspannung, bei der lokale und frühe Messungen der Expansionsrate merklich voneinander abweichen. Bei der Arbeit an dieser Episode kehrte ich immer wieder zu einer grundlegenden Frage zurück, wie können

1:40 wir etwas so Fremdartiges wie dunkle Energie so zuverlässig messen, ohne überhaupt zu wissen, was sie eigentlich ist. Mich fasziniert, wie sich unser Wissen über den Kosmos durch bloße Lichtanalyse stetig korrigiert und erweitert. Es ist beruhigend zu sehen, dass in der Wissenschaft jede gesicherte Erkenntnis gleichzeitig der Ausgangspunkt für die nächste, noch tiefere Frage ist. Das Universum sollte eigentlich in sich zusammenfallen, nicht auseinanderfliegen. Und eine Zeit lang richteten die besten Köpfe des Jahrhunderts die Gleichungen so ein, dass es genau das tat. Was sie nicht einrichten konnten und was niemand zu messen dachte, war die Frage, ob der Himmel selbst bereits ungehorsam war. In den Observatoriumskuppeln

2:37 der frühen 1910er Jahre richteten Astronomen ihre Teleskope auf die Spiralnebel und belichteten Fotoplatten stundenlang. Was danach in den chemischen Bädern erschien, war ein Universum aus festen Punkten. Sterne als Nadelstiche. Nebel als blasse, unveränderliche Flecken. Das Bild war eingefroren und die Annahme darunter war ebenso still. Dies war ein vollständiges Inventar. Die Spiralnebel waren Gaswolken innerhalb der Milchstraße. Das Universum war eine einzige statische Struktur.

3:17 Und die Fotografie bestätigte lediglich, was die Vernunft beheizt verlangte. Ein Kosmos in Ruhe. Das war keine Unwissenheit. Es war die wohlüberlegte Schlussfolgerung der besten Köpfe des vollen 20. Jahrhunderts. Das Universum, so glaubten sie, war statisch. Ewig. Unveränderlich in seiner großräumigen Architektur. Und warum hätten sie das nicht glauben sollen? Ein statisches Universum fühlt sich wie die natürliche Grundeinstellung an. Dinge fallen nach unten, nicht auseinander.

4:00 Die Schwerkraft zieht Dinge zusammen. Ohne eine gegenwirkende Kraft müsste das Universum kollabieren. der eine Gravitationstheorie von Beispiel loser Kraft aufgestellt hatte, stellte fest, dass seine eigenen Leichungen sich weigerten, stillzuhalten. Sie beschrieben ein Universum, das entweder schrumpfte oder sich ausdehnte. Also fügte er einen Term hinzu. Eine mathematische Anpassung. Eine kosmologische Konstante nannte er sie. Widerstand gegen Veränderung.

4:44 Es war keine Vorhersage. Es war ein Flicken. Keine Lösung. Und ein Flicken hält nur, wenn sich das Gewebe darunter nicht dehnt. Deris begann mit Licht. Nicht mit dem Licht der Sterne, sondern mit dem Licht von etwas Entfernteren und Heizelhafteren. Astronomen hatten fotografiert, was sie Spiralnebel nannten. Schwache Lichtwirbel, verstreut über den Himmel. Das Licht dieser Objekte zeigte, wenn man es in Spektren zerlegte, etwas Merkwürdiges.

5:21 Die vertrauten Fingerabdruckmuster von Wasserstoff und anderen Elementen waren verschoben, gedehnt zum roten Ende des Spektrums hin. In der einzigen Sprache, die man damals hatte, bedeutete das Bewegungen von uns weg. Der Dopplereffekt, gut verstanden vom Schall und von nahen Sternen. Dinge, die sich von einem wegbewegen, haben ihr Licht zu längeren Wellenlängen gedehnt. Aber das waren keine nahen Sterne. Oder doch? Niemand konnte es sagen. Denn hier lag das Problem. Um zu wissen, was Rotverschiebung bedeutete, musste man die Entfernung kennen. Und um die Entfernung zu kennen, musste man einzelne Sterne innerhalb dieser Nebel sehen. Und kein Teleskop auf der Erde war groß genug, um sie aufzulösen. Die Spiralnebel

6:19 konnten kleine Gaswolken sein, die innerhalb unserer eigenen Galaxie trieben und sich mit bescheidenen Geschwindigkeiten entfernten. Oder sie konnten riesige Inseluniversen sein, die mit Geschwindigkeiten zurückwischen, die das statische Bild vollständig zerschlagen würden. Ohne Entfernung gab es keine Geschichte, nur Mehrdeutigkeit. Das änderte sich 1924. Ein junger Astronom namens Edwin Hubble, der mit einem neuen Instrument am Mount Wilson Observatorium arbeitete, dem 100 Zoll Hooker -Teleskop, tat, was unmöglich gewesen war. Er fand einzelne Sterne innerhalb des Andromedanebels. Keine gewöhnlichen Sterne, sondern eine besondere Art. Zerfalten. Sterne, die in ihrer Helligkeit mit einem regelmäßigen

7:13 Rhythmus pulsieren. Und entscheidend, ein Rhythmus, der mit ihrer intrinsischen Helligkeit zusammenhängt. Ein Stern, der langsam pulsiert, ist tatsächlich leuchtkräftiger als einer, der schnell pulsiert. Miss den Puls. Erkenne die wahre Helligkeit. Vergleiche mit der scheinbaren Helligkeit. Berechne die Entfernung. Die Methode war nicht neu. Neu war die Reichweite. Zum ersten Mal konnte sie jenseits der Milchstraße angewendet werden. Andromeda war keine lokale Wolke. Sie war zweieinhalb Millionen Lichtjahre entfernt. Eine eigene Galaxie, vergleichbar im Maßstab mit unserer eigenen. Mit der Entfernung zu auch nur einer Galaxie hörte die Rotverschiebung auf, eine rätselhafte Eigenschaft zu sein und

8:12 wurde zu einer Koordinate. Man konnte sie auftragen. Man konnte nach einem Muster suchen. Hubble begann, Entfernungen zu anderen Spiralnebeln, anderen Galaxien zu messen und sie mit ihren Rotverschiebungen zu vergleichen. Das Muster, das sich zeigte, war unmissverständlich. Je weiter eine Galaxie entfernt war, desto schneller war ihr Licht zum Roten hingedehnt. Nicht zufällig. Systematisch.

8:46 Linear. Doppelte Entfernung. Doppelte Rückzugsgeschwindigkeit. Das war keine Bewegung durch den Raum im gewöhnlichen Sinn. Das war der Raum selbst. der sich zwischen uns und diesen fernen Objekten dehnte. Das Universum war nicht statisch. Es expandierte. Die Bekanntgabe kam 1929. Die kosmologische Konstante, Einsteins Faktor, wurde still beiseite gelegt. Die Gleichungen waren beim ersten Mal richtig gewesen. Aber das war nur der erste Wendepunkt. Die tiefere Geschichte begann gerade erst. Jahrzehntelang war die Expansion selbst die Schlagzeile. Das Universum hatte einen Anfang vielleicht in einem dichten, heißen Zustand.

9:42 Es kühlte seitdem ab und wurde dünner. Die Expansionsrate, die Rubbelkonstante, wurde die Zahl, die alle festnageln wollten. Doch frühe Messungen litten unter einem Problem, das durch das Jahrhundert nachhallen sollte. Hoplus ursprünglicher Wert, etwa 500 Kilometer pro Sekunde, pro Megaparsec, implizierte ein absurd junges Universum. Jünger als die ältesten bekannten Gesteine der Erde.

10:16 Die Kalibrierung war falsch. Die Perioden Leuchtkraftbeziehung der Cepheiden war falsch kalibriert worden, verwirrt durch das Vorhandensein verschiedener Sternpopulationen. Als Walter Bade dies 1952 korrigierte, verdoppelten sich die Entfernungen, halbierte sich die Expansionsrate und das Altersproblem entspannte sich. Wissen stabilisierte sich, destabilisierte sich dann.

10:46 und stabilisierte sich auf einem neuen Niveau neu. Durch die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts schien sich das Bild zu setzen. Das Universum expandiert. Die Schwerkraft wirkt, um diese Expansion zu verlangsamen. Die Frage war nur, wie stark. Genug Materie, und die Expansion würde schließlich in einen Kollaps umkehren. Zu wenig, und sie würde ewig weiter hollen, sich verdünnend in kalte Dunkelheit. Astronomen bauten größere Teleskope, verfeinerten ihre Entfernungsindikatoren, pflügten Supernovae ihrem Werkzeugkasten hinzu. Den Verzögerungsparameter nannten sie es. Ein Maß dafür, wie stark die Schwerkraft auf die Bremse trat. In den 1990er Jahren hatte die Technologie eine bemerkenswerte Schwelle erreicht. Astronomen konnten nun Supernovae

11:49 vom Typ IA in kosmologischen Entfernungen finden und untersuchen auf halbem Weg durch das beobachtbare Universum. Diese sind keine Standardkerzen in dem einfachen Sinn, wie Zepheidon es sind. Sie sind standardisierbar, der Explosionsmechanismus Die thermonukleare Verbrennung eines weißen Zwergsterns erzeugt eine Spitzenhelligkeit, die kalibriert werden kann, indem man beobachtet, wie schnell sie abklingt. Langsames Abklingen bedeutet hellere Spitze. Korrigiert man dies, wird jede Supernova zu einem verlässlichen Entfernungsindikator, verlässlicher sogar als alles. was zuvor bei solchen Reichweiten verfügbar war. Zwei Teams machten sich daran, den Verzögerungsparameter zu messen. Das Supernova Cosmology Projekt unter

12:49 der Leitung von Saul Perlmutter. Das High Supernova Search Team unter der Leitung von Brian Schmidt mit Adam Rees. Sie waren Konkurrenten. Sie verwendeten unterschiedliche Entdeckungsmethoden. Unterschiedliche Analyseansätze. Beide erwarteten, Verzögerung zu finden. Beide wollten messen, wie viel. Es war, als würde man einen Ball nach oben werfen, erwarten, dass er langsamer wird. Und stattdessen zusehen, wie er von der Hand weg beschleunigt.

13:24 Die fernen Supernovae waren zu lichtschwach. Nicht viel. Um etwa 25 Prozent. Durchgängig. Bei Rotverschiebungen um ein Halb, wo das Universum wesentlich jünger war, waren diese explodierenden Sterne dunkler, als sie in jedem verzögernden Modell hätten sein sollen. Dunkelheit impliziert Entfernung. Und Entfernung impliziert, dass die Expansion länger gebraucht hat, um diesen Punkt zu erreichen, als ein sich verlangsamendes Universum erlauben würde. Die einzige Erklärung. Die Paste, die Expansion hat sich beschleunigt. Nichtverlangsamt.

14:09 Nichtverlangsamt. Beschleunigt. Die Bekanntgabe kam 1990 und 1999. Der Verzögerungsparameter war negativ. Das Universum expandiert nicht nur. Es wird von etwas auseinandergedrückt. das auf den größten Skalen gegen die Schwerkraft wirkt. Dunkle Energie nannten es die Pressemitteilungen, obwohl der Name nichts erklärt. Einsteins kosmologische Konstante, 1929 verworfen, kehrte in neuer Gestalt zurück. Diesmal kein Faktor -Faktor. Eine gemessene Notwendigkeit. Der intellektuelle Schock war echt. 80 Jahre lang hatte die Kosmologie angenommen, dass die Schwerkraft die kosmische Geschichte dominiert. Nun war ein anderer Einfluss offenbart worden, abstoßend und allgegenwärtig. Aber Wissenschaft ruht nicht auf einzelnen Beobachtungen, so eindrucksvoll

15:14 sie auch sein mögen. Die Frage wurde, wie testen wir das? Wie unterscheiden wir zwischen einer echten kosmischen Beschleunigung? und einem profaneren Versagen des Verständnisses. Die Antorg lag in unabhängigen Methoden. Wenn die Beschleunigung real ist, hinterlässt sie Signaturen über mehrere Beobachtungskanäle hinweg. Die Supernovae messen Entfernungen über Helligkeit. Eine andere Methode misst Entfernungen über den Maßstab. Schallwellen im frühen Universum eingeprägt in den kosmischen Mikrowellenhintergrund und fossilisiert in der großräumigen Verteilung der Galaxien, erzeugen einen charakteristischen Maßstab. Baryonische akustische Oszillationen werden sie genannt.

16:06 Ein Standardlineal festgelegt, als das Universum jung war, nun gedehnt durch die seitherige Expansion. Misst man seine scheinbare Größe zu verschiedenen Epochen, kartiert man die Expansionsgeschichte direkt. Diese Methode hängt nicht von Sternexplosionen ab. Sie hängt von der Physik des Plasmas und der Schwerkraft in den ersten paar hunderttausend Jahren des Universums ab. Und doch kommt sie zum selben Schluss. Die Expansion beschleunigt.

16:41 Dann gibt es den kosmischen Mikrowellenhintergrund selbst. Das Nachglühen des heißen, frühen Universums, nun abgekühlt zu einem schwachen Mikrowellenflüstern, trägt in seinem Muster von Temperaturschwankungen präzise Information über den gesamten Energiegehalt des Universums. Die Geometrie ist flach, sagen die Messungen. Der Materieanteil beträgt nur etwa 30 Prozent von dem, was Flachheit erfordert.

17:11 Der Rest muss etwas anderes sein. Etwas, das sich nicht wie Materie verklumpt. Etwas, das gleichmäßig verteilt bleibt. Wieder dunkle Energie. Und da ist die Struktur. Galaxien ballen sich unter dem Zug der Schwerkraft zusammen. In einem Universum, das von verzögernder Materie dominiert wird, schreitet dieses Zusammenballen mit einer bestimmten Harte voran. In einem beschleunigenden Universum arbeitet die Expansion gegen die Bildung der größten Strukturen und unterdrückt das Wachstum auf rechenbare Weise. Misst man die Amplitude des Zusammenwallens den Parameter namens Sigma 8 und vergleicht sie mit der Vorhersage. Die Beobachtungen passen zum beschleunigenden Modell.

18:06 Jede dieser Methoden hat ihre eigenen Annahmen, ihre eigenen Schwachstellen. Zusammen bilden sie ein Netz gegenseitiger Verstärkung. Die Supernova geben Entfernungen. Die baryonischen Oszillationen geben die Expansionsrate als Funktion der Zeit. Der Mikrowellenhintergrund gibt das Gesamtbudget. Das Wachstum der Struktur gibt einen Konsistenzcheck der Schwerkraft selbst. Wenn alle vier in dieselbe Richtung zeigen, wird die Schlussfolgerung robust.

18:42 Wissenschaft in ihrer besten Form bestätigt nicht nur. Sie unterscheidet. Drei große Möglichkeiten existierten für die Natur dieser Beschleunigung. Die einfachste war eine kosmologische Konstante. Eine feste Energiedichte des leeren Raums, unverändert seit dem Anfang mit einem Zustandsgleichungsparameter gleich minus eins. Druck gleich negativer Energiedichte.

19:11 Das ist das Lambda -Cold -Dark -Matter -Modell, die Standardkosmologie. Aber Theoretiker hatten Alternativen konstruiert. Quintessenz, ein dynamisches Feld, das sich langsam entwickelt, dessen Zustandsgleichung vielleicht etwas größer als minus 1 ist, vielleicht mit der Zeit variiert. Oder modifizierte Gravitation.

19:37 Vielleicht bricht die allgemeine Relativitätstheorie selbst auf kosmischen Skalen zusammen und die scheinbare Beschleunigung ist ein Symptom falscher Gleichungen statt einer neuen physikalischen Komponente. Wie wählt man? Die entscheidenden Tests waren zweifach. Erstens der präzise Wert dieses Zustandsgleichungsparameters. Wenn er exakt minus 1 ist, konstant in der Zeit, gewinnt die kosmologische Konstante. Wenn er abweicht, auch nur leicht, wird Quintessenz gangbar. Die Dark Energy Survey, die Supernovae, baryonische Oszillationen und schwachen Gravitationslinseneffekt kombiniert, die subtile Verzerrung von Hintergrundgalaxien durch Masse im Vordergrund, hat diesen Parameter auf minus 1 ,01 festgenagelt, plus oder minus

20:31 4 Prozent. Konsistent mit Konstant. Inkonsistent, mit einfachen sich entwickelnden Feldern. Zweitens, das Wachstum der Struktur. Theorien modifizierter Gravitationsargen im Allgemeinen voraus, dass Materie anders verklumpt als in der Standard allgemeinen Relativitätstheorie, selbst wenn die Expansionsgeschichte angeglichen ist. Der Wachstumsratenparameter, gemessen durch Rotverschiebungsraumverzerrungen, Die scheinbare Streckung von Galaxienhaufen entlang unserer Sichtlinie aufgrund ihrer eigenen Gravitationsbewegungen stimmt mit der Standardvorhersage überein. Modifizierte Gravitation, zumindest in ihren einfachen Formen, hat Mühe zu überleben. Das Standardmodell hält also. Aber halten ist nicht dasselbe wie Vollständigkeit.

21:27 Die Perzision hat nun ein Niveau erreicht, das echte Spannungen freilegt. Der Planck -Satellit, der den Mikrowellenhintergrund mit außerordentlicher Genauigkeit misst, leitet eine Hubble -Konstante von 67 ,4 km pro Sekunde pro Megaparsec ab, mit einer Unsicherheit von nur einer halben Einheit. Die lokale Entfernungsleiter, aufgebaut aus Siphiden und Supernovae vom Schnullis -Team mit dem Hubble Weltraumteleskop, findet 73 ,0. mit einer Unsicherheit von 1. Der Unterschied ist in absoluten Zahlen klein. In statistischen Zahlen übersteigt er 5 Standardabweichungen. In einfachen Worten die Wahrscheinlichkeit, dass dies ein zufälliger Ausreißer ist, liegt unter 1 zu 3 ,5 Millionen.

22:23 Etwas ist falsch. Entweder hat die Frühuniversumsinfluenz einen Fehler, Oder die lokale Messung hat einen unerkannten systematischen Fehler. Oder das Standardmodell selbst ist unvollständig. Das ist die Hubble Spannung. Sie ist kein Versagen. Sie ist eine Gelegenheit verkleidet als Problem. Sie bedeutet, dass unsere präzisesten Werkzeuge unser Verständnis überholt haben. Dass irgendwo in der Kette der Schlussfolgerungen eine Korrektur auf ihre Entdeckung wartet. Vielleicht enthielt das frühe Universum eine unerwartete Komponente, die die Mikrowellenhintergrundinfluenz verändert. Vielleicht birgt die Cepheidenkalibrierung eine subtile Verzerrung. Vielleicht sind beide Messungen korrekt und deuten auf Physik jenseits

23:21 des aktuellen Modells. Die Debatte ist aktiv, ungelöst, produktiv. Eine ähnliche Spannung existiert im Wachstum der Struktur. Schwache Linseneffekte durch Musterungen, die Dark Energy Survey, die Kilo -Degree -Survey, finden durchgängig weniger Zusammenballung als die Planck -Parameter vorhersagen. Die Sigma -8 -Spannung bei zwei bis drei Standardabweichungen legt nahe, dass entweder unser Verständnis der Neutrinoeffekte oder der baryonischen Physik oder von etwas Tieferem unvollkommen bleibt.

23:58 Was wir jetzt wissen ist dies. Das Universum expandiert und diese Expansion beschleunigt. Das wird nicht aus einer einzelnen Beobachtung abgeleitet. Es ergibt sich aus der Helligkeit ferner Sternexplosionen, aus dem Maßstab akustischer Wellen in Galaxienverteilungen, aus der Geometrie kosmischer Mikrowellenschwankungen, aus der Verzerrung des Lichts durch dazwischenliegende Masse, aus den Bewegungen von Galaxien innerhalb von Haufen.

24:30 Alles konvergiert auf dieselbe Schlussfolgerung über zwei Jahrzehnte intensiver Messung hinweg. Die dunkle Energie, die diese Beschleunigung anteibt, verhält sich innerhalb der aktuellen Präzision wie eine kosmologische Konstante. Ihre Natur bleibt unbekannt. Sie ist nicht direkt nachgewiesen worden. Sie wird aus ihren Gravitationswirkungen erschlossen, wie Neptun erschlossen wurde, bevor er gesehen wurde, wie schwarze Löcher erschlossen wurden, bevor ihre Schatten fotografiert wurden.

25:02 Was ungewiss bleibt, ist. Ob diese Konstanz zu allen Epochen hält? Ob die Zustandsgleichung vielleicht doch eine Entwicklung offenbart? Ob die Spannungen in den aktuellen Daten Vorboten neuer Physik sind oder Symptome ungelöster, systematischer Fehler? Der physikalische Ursprung der dunklen Energie, ob sie Vakuumenergie ist, ein Feld oder etwas Unerwartetes, ist völlig offen. Direkter Nachweis im Sinne einer Labo -Identifikation eines Teilchens der dunklen Energie bleibt mit heutiger Technologie unmöglich und vielleicht prinzipiell. Die Messung geht weiter. Das Dark Energy Spectroscopic Instrument kartiert nun Millionen von Galaxien. Die Euclid -Weltraummission und das Faarubin -Observatorium werden den schwachen

26:01 Linseneffekt auf beispiellose Skalen ausdehnen. Das James Webb -Weltholm -Teleskop refinert die lokale Entfernungsleiter. Jeder neue Datensatz wird die Grenzen enger ziehen oder neue Risse freilegen. Die Geschichte der kosmischen Expansion ist keine Geschichte plötzlicher Offenbarung. Sie ist eine Geschichte angehäufter Korrektur.

26:27 Von statisch zu expandierend, von verlangsamen zu beschleunigend, von einer einzelnen Zahl zu einer vollständigen Geschichte, vom Vertrauen in Vollständigkeit zur Anerkennung anhaltender Spannung. Jeder Schritt wurde durch methodische Messung verdient, jede Korrektur durch unabhängige Wiederholung getestet, jede stabile Schlussfolgerung als vorläufig gegenüber künftiger Präzision anerkannt.

26:58 Wir wissen nicht, warum das Universum beschleunigt. Wir wissen, dass es das tut, mit Zuversicht, die auf mehreren unabhängigen Wegen aufgebaut ist. Der Rest ist Arbeit, die noch im Gange ist.