Wie alt ist das Universum wirklich? - Das Rätsel der Hubble-Spannung | Fakten zum Einschlafen - Das Universum

0:05 Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum. Stellen Sie sich vor, Sie halten eine Uhr, die rückwärts läuft. Sie zeigt keine Stunde an, sondern zählt die Zeit zurück bis zum Anfang von allem. Mitte des letzten Jahrhunderts schien diese kosmische Uhr eine klare Antwort zu liefern. Das Universum sei etwa zwei Milliarden Jahre alt. Das Problem daran war, dass die Erde unter unseren Füßen bereits viereinhalb Milliarden Jahre alt war.

0:38 Der Kosmos schien jünger zu sein als sein eigener Inhalt. Diese Episode erzählt die Geschichte, wie die Wissenschaft diesen fundamentalen Riss im Weltbild schloss. Wir betrachten die historischen Irrtümer bei der Vermessung von Galaxien, die Korrektur der kosmischen Entfernungsleiter und die Entwicklung völlig unabhängiger Methoden.

1:02 Vom Nachglühen des Urknalls über die Sterbephasen der ältesten Kubelsternhaufen bis hin zu thermonuklearen Supernovae lernen wir, wie drei völlig unterschiedliche kosmische Uhren lernten, übereinzustimmen und das Alter des Universums auf 13 ,8 Milliarden Jahre festzusetzen. Bei der Arbeit an dieser Episode kehrte ich immer wieder zu einer faszinierenden Erkenntnis zurück, wissenschaftliches Vertrauen entsteht nicht durch eine einzelne, noch so elegante Messung, sondern durch die Konvergenz unabhängiger Beobachtungen. Gerade heute, wo die moderne Forschung mit der sogenannten Hubbelspannung eine neue Unstimmigkeit zwischen lokalen und frühen Messungen aufdeckt, zeigt sich, dass die Uhr des Kosmos

1:48 uns weiterhin zwingt, genauer hinzusehen und unser Bild der Wirklichkeit zu hinterfragen. Das Universum So glaubte man einst, sei zwei Milliarden Jahre alt. Elegant. Einfach. Und jünger als das Gestein unter unseren Füßen. Was diese Peinlichkeit behob, war nicht eine einzelne brillante Einsicht. Es waren drei völlig verschiedene Uhren.

2:18 Jede beruhte auf anderer Physik. Und allmählich lernten sie, übereinzustimmen. Stellen Sie sich vor, Sie halten eine Uhr, die rückwärts läuft. Keine Scherzuhr. Eine echte. Ihre Zeiger bewegen sich gegen den Uhrzeigersinn. Denn das ist die einzige Richtung, die für das, was sie misst, Sinn ergibt. Diese Uhr sagt ihnen nicht die Stunde.

2:45 Sie sagt ihnen, wie lange es her ist, seit alles begann. Mitte des letzten Jahrhunderts glaubten Astronomen, eine solche Uhr gefunden zu haben. Sie war elegant. Sie war einfach. Und sie lieferte eine Antwort, die jeden Geologen im Raum zutiefst unbehaglich machte. Die Uhr war eine Beziehung zwischen Entfernung und Bewegung. Galaxien rasten von uns fort. Und je weiter sie entfernt waren, desto schneller bewegten sie sich. Das Verhältnis von Geschwindigkeit zu Entfernung ergab eine Zahl. Nahm man den Kehrwert dieser Zahl, erhielt man das Alter des Universums. Geradlinig. Fast zu geradlinig. Lässt man den Film rückwärts laufen, kommen alle Galaxien zusammen. Die Zeit, die sie brauchen, um sich zu treffen, ist das Alter.

3:43 Eine schnellere Ausdehnung bedeutet, sie trafen sich vor kürzerer Zeit. Eine langsamere bedeutet, die Reise dauerte länger. Das ist es, was die Zahl bedeutet. Sie ist keine Abstraktion. Sie ist die Rückspurzeit des Kosmos. Die Antwort lautete etwa zwei Milliarden Jahre. Nun, zwei Milliarden Jahre sind eine lange Zeit. Aber die Erde unter ihren Füßen, gemessen am langsamen Zerfall von Uran in uraltem Gestein, war bereits viereinhalb Milliarden Jahre alt. Das Universum, so schien es, war jünger als sein eigener Inhalt.

4:25 Das war keine geringfügige Abweichung. Es war ein Riss im Fundament. Und es würde ein halbes Jahrhundert dauern, eine Revolution in der Art, wie wir den Himmel sehen, Und drei völlig unabhängige Methoden, die auf dieselbe Antwort zuliefen, bevor dieser Rest sich schließen würde. Lassen Sie mich erzählen, was geschah. Nicht, weil die Zahlen beeindruckend sind, obwohl sie das sind, sondern weil die Geschichte, wie wir diesen Fehler behoben haben, die Geschichte davon ist, wie Wissenschaft lernt, sich selbst zu vertrauen.

5:02 Der anfängliche Fehler war keine Dummheit. Es war Blindheit gegenüber einer verborgenen Schicht. Astronomen in den 1920er und 30er Jahren maßen Entfernungen zu Galaxien mit einem bemerkenswerten Werkzeug, den Cepheiden, pulsierenden, veränderlichen Sternen. Diese Sterne pulsieren in einem regelmäßigen Rhythmus. Und eine Frau namens Henrietta Leavitt hatte etwas Außergewöhnliches entdeckt. Je langsamer der Puls, desto heller der Stern. Misst man den Puls von der Erde aus, kennt die wahre Helligkeit, vergleicht sie mit der sichtbaren Schwäche, erhält man die Entfernung. Aber es gab ein Problem, das niemand erkannte. Die nahen Zepheiden, die zur Kalibrierung dieser Methode dienten, stammten aus einer jüngeren Generation. Sie waren in Regionen

5:59 geschmiedet worden, die von früheren Supernovae angereichert worden waren. Die Zephaiden in den fernen Galaxien, die vermessen wurden, waren älter. Sie waren aus heineren Urgas gemacht. Sie brannten anders. Und das bedeutete, sie waren lichtschwächer, als die Kalibrierung annahm. Die beiden Populationen hatten unterschiedliche Perioden Leuchtkraftbeziehungen. Die fernen waren lichtschwächer als angenommen. Die Entfernungen wurden unterschätzt. Das Universum war kleiner als berechnet. Und ein kleineres, sich ausdehnendes Universum bedeutete ein jüngeres Alter. Es gab eine zweite Verwechslung. Auf den verschwommenen Fotografien ferner Galaxien wurden helle Wolken aus ionisiertem Wasserstoff manchmal für einzelne

6:54 über Riesensterne gehalten. Auch das stauchte die Entfernungsskala. Es presste das Universum in eine unmöglich knappe Jugend. Die Korrektur kam in Stufen. 1952 nutzte Walter Bade das neue 200 -Zoll -Teleskop am Palomar, um erstmals einzelne Sterne in der Andromeda -Galaxie sauber aufzulösen. Er trennte die beiden Sternpopulationen. Die Entfernungsskala verdoppelte sich. Die Altersschätzung verdoppelte sich mit ihr. Das unmittelbare Paradox war gelöst. Doch Präzision blieb schwer erreichbar.

7:37 Fotoplatten sind heikle Dinge. Sie reagieren nicht linear auf Licht. Sie sättigen. Sie leiden unter chemischem Schleier. Die Fehlerbalken blieben groß. Das Alter des Universums war nur bis auf einen Faktor 2 bekannt. Irgendwo zwischen 10 und 20 Milliarden Jahren. Das ist keine Messung. Das ist eine Gegend. Die eigentliche Transformation kam mit einem Wandel in der Art, wie wir Licht einfangen. Ladungsgekoppelte Bauelemente, CCDs, ersetzten die Fotoplatten. Sie zählen Photonen linear, präzise, unermüdlich. In Kombination mit dem Hubble -Weltraumteleskop, gestartet 1990, und befreit von der Unschärfe der Erdatmosphäre, konnten Astronomen endlich einzelne Zepheiden in Galaxien auflösen, die dutzende Millionen

8:35 Lichtjahre entfernt sind. Das Hubble -Key -Projekt, abgeschlossen 2001, brachte diese Methode zur Reife. Das Team kalibrierte mehrere Entfernungsindikatoren. Es glich die Zepheiden mit der Tully -Fisher Beziehung und Supernovae vom Typ Ia ab, Es berücksichtigte sorgfältig jede Quelle systematischer Fehler und es konvergierte auf einen Wert. Die Expansionsrate betrug etwa 72 km pro Sekunde für jedes Megaparsec Entfernung. Das daraus abgeleitete Alter lag bei ungefähr 13 bis 14 Milliarden Jahren. Das war vereinbar mit den ältesten Kubelsternhaufen.

9:20 Das Paradox war verschwunden. Aber hier liegt der entscheidende Punkt. Das war immer noch eine Methode, wie verfeinert auch immer. Eine Kette von Flussfolgerungen, wie sorgfältig auch kalibriert. Und eine einzelne Kette, wie stark auch immer, kann einen Fehler bergen, den wir uns nicht vorgestellt haben. Was die Wissenschaft brauchte, war etwas völlig anderes. Eine zweite Uhr, die nach anderen Prinzipien läuft? und die erste überprüfen konnte.

9:54 Diese zweite Uhr kam vom ältesten Licht des Universums. 1965 entdeckten zwei Radioastronomen in New Jersey ein schwaches Mikrowellenrauschen, das aus allen Richtungen des Himmels kam. Das war die kosmische Hintergrundstrahlung. Das Nachglühen des heißen, dichten Zustands, aus dem das Universum expandierte.

10:19 Jahrzehntelang erschien sie gleichförmig, ein strukturloses Glühen bei einer Temperatur von etwa 2 ,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Doch die Theorie sagte etwas anderes voraus. In den ersten paar hunderttausend Jahren war das Universum ein ionisiertes Plasma. Schallwellen, angetrieben vom Wechselspiel zwischen Gravitation und Strahlungsdruck, schwangen durch dieses Medium.

10:48 Als das Universum genug abkühlte, damit Elektronen sich an Protonen binden und neutralen Wasserstoff bilden konnten, froren diese Schallwellen in der Materieverteilung fest. Ihre physikalische Skala war durch die Physik jener Epoche festgelegt. Eine bekannte Größe bestimmt durch die Schallgeschwindigkeit und das Alter des Universums zu jenem Zeitpunkt.

11:12 Diese Skala wurde zu einem Standardlineal. eingeprägt in den Himmel. Die Winkelgröße, unter der sie erscheint, hängt von der Geometrie des Universums und seiner Expansionsgeschichte ab. In einem flachen Universum erscheint der erste Gipfel im Muster der Temperaturschwankungen bei etwa einem Grad am Himmel. In einem offenen Universum verschiebt sich der Gipfel zu kleineren Winkeln, in einem geschlossenen zu größeren. Die ersten hochauflösenden Karten kamen im Jahr 2000 von ballongetragenen Experimenten. Boomerang und Maxima, über der Antarktis schwebend, entdeckten den ersten akustischen Gipfel bei exakt einem Grad. Das Universum war flach. Diese eine Messung eliminierte eines der drei konkurrierenden Modelle.

12:05 Das offene Modell der kalten, dunklen Materie mit seiner negativen räumlichen Krümmung sagte eine andere Winkelskala voraus. Es war falsch. Aber zwei Modelle blieben. Ein flaches Universum konnte immer noch materiedominiert sein, mit kritischer Dichte und ohne dunkle Energie. Dieses Standardmodell der kalten, dunklen Materie ergab ein Alter von nur neun oder zehn Milliarden Jahren.

12:34 Das stand bereits in Spannung zu den ältesten bekannten Sternaltern. Oder es konnte flach sein mit dunkler Energie, die den Unterschied ausmacht. Einer kosmologischen Konstante, die die Beschleunigung antreibt. Der entscheidende Beleg kam von Supernovae vom Typ Ia. Das sind thermonukleare Explosionen weißer Zwergsterne, die als bemerkenswert gleichförmige Standardkerzen dienen. Die ferne Supernovae beobachteten, dass die Expansion beschleunigt und nicht abgebremst verläuft. Das Lambda -CDM -Modell war das einzige, das zu allen Daten passte. Das reine Materie Modell wurde verworfen. Dann kam BIMEP, ein 2001 gestarteter Satellit, der darauf ausgelegt war, den gesamten Mikrowellenhimmel mit beispielloser

13:34 Empfindlichkeit zu kartieren. Seine erste Datenveröffentlichung 2003 transformierte die Kosmologie. Aus dem Muster der Schwankungen, aus den Positionen und Höhen mehrerer akustischer Gipfel, extrahierte das Team nicht nur die Geometrie, sondern die vollständige Expansionsgeschichte. Das Alter des Universums betrug 13 ,7 Milliarden Jahre. Mit einer Unsicherheit von nur 200 Millionen Jahren. 4 % Präzision.

14:06 Das war keine Verfeinerung der Entfernungsleiter. Das war eine völlig unabhängige Methode, die auf der Physik des frühen Universums beruhte, statt auf der Kalibrierung naher Sterne. Und sie stimmte mit dem Ergebnis der Sternentwicklung überein. Übereinstimmung zwischen unabhängigen Methoden ist die Währung wissenschaftlichen Vertrauens.

14:30 Aber die Geschichte endet dort nicht. Denn die Natur hielt noch eine Überraschung bereit. Das Ergebnis der kosmischen Hintergrundstrahlung trug eine seltsame Implikation in sich. Die Gesamtdichte der Materie, die es nahe legte, in Kombination mit der flachen Geometrie, bedeutete, dass gewöhnliche Materie und dunkle Materie zusammen nur etwa 30 Prozent des Energiehaushalts des Universums ausmachten. Die restlichen 70 Prozent verhielten sich wie Einsteins kosmologische Konstante. Eine Form von Energie, die sich nicht verdünnt, während das Universum expandiert. Das war dunkle Energie.

15:12 Und sie veränderte alles an unserer Vorstellung davon, wie die kosmische Expansion abläuft. Im alten Bild bremst die Gravitation die Expansion allmählich ab. Das Alter des Universums ist geringer als der einfache Kehrwert der aktuellen Expansionsrate. weil die Expansion in der Vergangenheit schneller war. Im neuen Bild verursacht dunkle Energiebeschleunigung.

15:40 Die Expansion verlangsamte sich zunächst, kehrte sich dann um und beschleunigte. Das Alter ist höher, als es in einem rein materiedominierten Universum wäre. Das bedeutete, dass die einfache Frühschätzung selbst nach Korrektur der Fehler in der Entfernungsskala konzeptionell falsch war. Die Expansionsgeschichte des Universums ist nicht linear. Sie ist nicht einmal monoton.

16:07 Das korrekte Alter erfordert die Integration der vollständigen Expansionsgeschichte mit ihrer sich wandelnden Zusammensetzung aus Materie und dunkler Energie. In den frühen 2000er Jahren hatte sich ein Konsens herausgebildet. Das Universum ist 13 ,7 Milliarden Jahre alt. Es ist flach. Es ist dominiert von dunkler Energie mit etwa 30 % Materie. Drei unabhängige Methoden liefen auf dasselbe Bild zu. Sternentwicklung, kosmische Hintergrundskalung und die Supernova -Entfernungs Rotverschiebungsbeziehung. Aber die Wissenschaft ruht nicht. Sie drängt auf mehr Präzision. Und dabei deckt sie manchmal neue Spannungen auf.

16:59 Der Planck -Satellit, gestartet 2009, kartierte den Mikrowellenhintergrund mit außerordentlicher Präzision. Seine letzte Datenveröffentlichung 2018 legte das Alter des Universums auf 13 797 Milliarden Jahre fest. Mit einer Unsicherheit von nur 23 Millionen Jahren. Das ist bemerkenswerte Präzision. Das Alter ist bis auf etwa zwei Zehntel Prozent bekannt. Doch diese Präzision offenbarte ein Heizel. Die Hubble -Konstante, abgeleitet aus der kosmischen Hintergrundstrahlung unter der Annahme, dass das Standardmodell bis zum Urknall zurück gilt, beträgt etwa 67 Vierkilometer pro Sekunde pro Megaparsec. Die lokale Messung aus der Entfernungsleiter aus Cepheiden und Supernovae ergibt etwa 73. Misst man die Entfernung zu einer

18:01 Galaxie nach dem Rezept der Hintergrundstrahlung, erhält man eine Antwort. Misst man sie mit der lokalen Entfernungsleiter, erhält man eine Antwort, die etwa 8 % näher liegt. Die Wahrscheinlichkeit, dass dies ein zufälliger Ausreißer ist, liegt angesichts der Präzision beider Messungen bei weniger als 1 zu 3 Millionen. Etwas geht nicht auf. Das ist die. Hubble -Spannung. Sie ist die bedeutendste Anomalie der modernen Kosmologie.

18:33 Was bedeutet sie? Die Möglichkeiten sind zahlreich. Es könnte einen unbekannten systematischen Fehler in der lokalen Entfernungsleiter geben, trotz jahrzehntelanger Prüfung. Es könnte einen unbekannten systematischen Fehler in der Analyse der Hintergrundskalung geben, obwohl die Planck -Daten aus jedem Winkel untersucht worden sind. Oder es könnte neue Physik im frühen Universum geben. Etwas, das die Expansionsrate zwischen der Epoche der Hintergrundstrahlung und der Gegenwart verändert, ohne andere Handbedingungen zu verletzen. Neue Instrumente gehen dem jetzt nach. Das James Webb -Weltraumteleskop überprüft die Zephidenmessungen, die der lokalen Hubble Konstante zugrunde liegen. Es sucht nach subtilen

19:24 Effekten, die der Photometrie des Hubble -Welthaumteleskops entgangen sein könnten. Künftige Experimente zur Hintergrundstrahlung wie MBS4 und Little Bird werden die Polarisation mit beispielloser Empfindlichkeit kartieren. Sie werden die Physik des frühen Universums eingrenzen. Das könnte die Spannung auflösen oder vertiefen. Weitere Methoden schließen sich der Anstrengung an. Baryonische akustische Oszillationen, derselbe Schallhorizont, der die Hintergrundstrahlung prägte, hinterlassen auch Spuren in der großräumigen Verteilung der Galaxien. Sie sind das schwache Echo derselben Schallwellen, die durch das frühe Universum klangen, nun eingefroren in das Muster der Galaxien. Sie liefern ein Standardlineal zu mittleren kosmischen

20:15 Zeiten, eine Brücke zwischen dem frühen Universum, und der lokalen Gegenwart. Zeitverzögerungen durch Gravitationslinsen bieten einen weiteren Unabhängigen weg. Licht von einem fernen Quasar nimmt mehrere Wege um eine Galaxie. Die Verzögerung zwischen den ankommenden Bildern hängt von der Expansionsrate ab. Kosmische Chronometer, die die unterschiedliche Alterung passiv entwickelter Galaxien nutzen, liefern eine modellunabhängige Prüfung. Keine dieser Methoden ist so präzise wie die Hintergrundstrahlung oder die Entfernungsleiter.

20:57 Aber ihre Konvergenz zählt. Sie sind unabhängige Fäden. Und wo sie übereinstimmen, wächst das Vertrauen. Wo sie nicht übereinstimmen, bleibt etwas zu verstehen. Was können wir heute mit Zuversicht sagen? Das Alter des Universums ist keine Vermutung. Es ist eine Messung, verfeinert durch Jahrzehnte der Korrektur und Gegenprüfung.

21:23 Die anfängliche Schätzung von 2 Milliarden Jahren war falsch wegen unerkannter Sternpopulationen und verwechselter Identitäten. Die korrigierte Schätzung von 10 bis 20 Milliarden Jahren war unpräzise wegen technologischer Grenzen. Der moderne Wert von 13 ,8 Milliarden Jahren ruht auf drei Pfeilern. Auf der Entwicklung der Sterne.

21:47 auf den akustischen Gipfeln im Mikrowellenhintergrund und auf der beschleunigten Expansion nachgezeichnet durch Supernovae. Diese Methoden teilen keine gemeinsamen Annahmen. Sie beruhen auf unterschiedlicher Physik, unterschiedlichen Instrumenten, unterschiedlichen systematischen Herausforderungen. Ihre Übereinstimmung ist nicht erzwungen. Sie ist beobachtet. Wir vertrauen dieser Zahl, weil unabhängige Messlinien konvergierten, weil jede Methode an ihren eigenen Grenzen geprüft wurde, weil eine Abweichung, als sie auftauchte, verfolgt statt ignoriert wurde. Die hoble Spannung erinnert uns daran, dass Konvergenz nicht das Ende der Forschung ist. Sie ist ein Zeichen, dass wir eine neue Schwelle der Präzision erreicht haben, an der

22:41 zuvor unsichtbare Wisse sichtbar werden. Was ungewiss bleibt, ist nicht, ob das Universum ein endliches Alter hat. Das ist jenseits vernünftigen Zweifels erwiesen. Was ungewiss bleibt, ist, ob unser gegenwärtiges Modell die ganze Geschichte erfasst. Die Natur der dunklen Energie, ob sie wirklich eine kosmologische Konstante ist oder etwas, das sich entwickelt. Der exakte Wert der aktuellen Expansionsrate. Ob neue Physik im frühen Universum lauert und darauf wartet, durch feinere Messungen enthüllt zu werden. Die Messung geht weiter. Die Präzision verbessert sich. Das Verständnis vertieft sich allmählich. Die Uhr läuft rückwärts, wie sie muss. Wir haben sie anfangs gründlich falsch abgelesen. Dann lernten wir, unsere Ablesung

23:37 mit anderen Uhren zu prüfen, die auf anderen Prinzipien beruhen. Sie stimmen überein, größtenteils. Und wo sie es nicht tun, schauen wir genauer hin. Das ist kein Versagen. Das ist, wie eine Messung zu wissen wird.