Ein neuer kosmischer Maßstab zur Messung der Hubble-Konstante
Forschungsbericht (importiert) 2025 - Max-Planck-Institut für Astrophysik
Eines der größten Mysterien der modernen Kosmologie ist die anhaltende Diskrepanz zwischen den Messungen der Hubble-Konstante (H0) im lokalen Universum einerseits und im frühen Universum andererseits. Die unterschiedlichen Ergebnisse werden als „Hubble-Spannung“ bezeichnet. Da H0 die aktuelle Expansionsrate des Weltalls beschreibt, ist sie eine lokale Größe und kann nur mithilfe von Objekten in unserer kosmischen Umgebung direkt bestimmt werden. Im Gegensatz dazu messen Methoden, die auf dem frühen Universum basieren – wie die Analyse des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) –, H0 nicht direkt. Stattdessen wird der Wert durch die Annahme eines kosmologischen Modells abgeleitet, um von den Bedingungen vor 13 Milliarden Jahren auf die heutige Zeit zu schließen.
Die Tatsache, dass diese beiden Ansätze zu widersprüchlichen Werten führen – lokale Entfernungsmessungen ergeben einen höheren H0-Wert als Methoden für das frühe Universum – deutet darauf hin, dass unser kosmologisches Standardmodell möglicherweise unvollständig ist und eine bisher unbekannte Physik im Spiel sein könnte.
Am Max-Planck-Institut für Astrophysik haben wir zusammen mit Kollegen eine unabhängige Methode zur Messung von H0 mittels Supernovae vom Typ II entwickelt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen basiert diese Methode nicht auf der kosmischen Entfernungsleiter und bietet damit eine wertvolle, systematisch unabhängige Überprüfung bisheriger Messungen. Ihre Ergebnisse liefern eine neue, hochpräzise Messung von H0 und bereichern die Debatte um die Expansionsrate des Universums.
Die Bestimmung der Hubble-Konstante erfordert genaue Entfernungsmessungen zu astronomischen Objekten mit unterschiedlichen Rotverschiebungen. Die am weitesten verbreitete Technik, die kosmische Entfernungsleiter, beruht auf mehreren, miteinander verknüpften Schritten: So werden Entfernungen zu nahen Objekten (etwa zu Cepheiden, einer Klasse von veränderlichen Sternen) zur Kalibrierung von weiterreichenden Methoden verwendet, wie Supernovae vom Typ Ia, die dann als Standardkerzen zur Messung der Entfernungen zu entfernten Galaxien dienen.
Die Abhängigkeit von mehreren Schritten führt jedoch zu möglichen systematischen Unsicherheiten, und verschiedene Teams kommen zu leicht unterschiedlichen Ergebnissen. Eine direkte Messung auf der Grundlage bekannter physikalischer Gesetze bietet einen wertvollen ergänzenden Ansatz, da sie von anderen Systematiken beeinflusst wird und nicht von empirischen Kalibrierungen abhängig ist. Genau hier bieten Typ-II-Supernovae eine spannende Alternative.
Supernovae vom Typ II entstehen, wenn masse- und wasserstoffreiche Sterne am Ende ihres Lebens explodieren. Ihre Leuchtkraft hängt zwar von Faktoren wie Temperatur, Expansionsgeschwindigkeit und chemischer Zusammensetzung ab, lässt sich aber mithilfe von Strahlungstransport-Modellen genau vorhersagen. So können wir ihre intrinsische Leuchtkraft bestimmen und sie unabhängig von empirischen Kalibrierungsmethoden als Entfernungsindikatoren verwenden.
Ein entscheidender Schritt in diesem Prozess ist die Identifikation des am besten geeigneten Modells für jede beobachtete Supernova. Wichtige physikalische Eigenschaften hinterlassen charakteristische Spuren im Supernova-Spektrum: Die Temperatur beeinflusst das Gesamtkontinuum, die Expansionsgeschwindigkeit bestimmt durch Dopplerverbreiterung die Breite der Spektrallinien, und die chemische Zusammensetzung bestimmt die Stärke spezifischer Absorptions- und Emissionsmerkmale. Durch den systematischen Vergleich der beobachteten Spektren mit simulierten Spektren aus Strahlungstransport-Modellen können wir das Modell finden, das die physikalischen Bedingungen der Supernova am genauesten beschreibt. Mit einem solchen Modell lässt sich die intrinsische Leuchtkraft – und damit die Entfernung – präzise bestimmen.
Um diesen Prozess effizient zu gestalten, verwendeten wir einen spektralen Emulator, ein fortschrittliches Programm für maschinelles Lernen, das auf vorab berechneten Simulationen basiert. Anstatt zeitaufwändige Strahlungstransport-Berechnungen für jede einzelne Supernova durchzuführen, interpoliert der Emulator schnell zwischen den Modellen und ermöglicht so eine schnelle und genaue Anpassung an das beobachtete Spektrum.
Wir wandten unseren spektralen Modellierungsansatz auf eine Stichprobe von zehn Typ-II-Supernovae mit Rotverschiebungen zwischen 0,01 und 0,04 an und nutzten dabei öffentlich zugängliche Daten, die nicht speziell für Entfernungsmessungen konzipiert wurden. Trotz der Einschränkungen des Datensatzes lieferte unsere Methode zuverlässige Entfernungswerte. Durch die Erstellung eines Hubble-Diagramms aus diesen Messungen erhielten wir eine unabhängige Schätzung von H0 zu 74,9 ± 1,9 km/sec/Mpc (Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec); ein Megaparsec ist die Strecke von rund 3,26 Millionen Lichtjahren.
Dieser Wert stimmt mit den meisten anderen lokalen Messungen überein – etwa denen mit Cepheiden kalibrierter Supernovae – und untermauert die Spannung mit Messungen aus dem frühen Universum. Letztere liefern für die Hubble-Konstante einen Wert von rund 67,4 km/sec/Mpc. Die von uns erreichte Genauigkeit ist vergleichbar mit den besten Methoden und zeigt, dass Typ-II-Supernovae ein vielversprechendes Werkzeug für die Kosmologie sind.
Die Studie ist ein überzeugender Machbarkeitsnachweis dafür, dass Typ-II-Supernovae präzise und zuverlässige Entfernungsmessungen im Hubble-Flow liefern können. Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, die Stichprobengröße zu erhöhen und die Genauigkeit der Methode durch gezielte Beobachtungen zu verbessern. Zu diesem Zweck haben wir den adH0cc-Datensatz zusammengestellt – eine Sammlung von Typ-II-Supernova-Beobachtungen des Very Large Telescope der ESO, die speziell für präzise Entfernungsmessungen gewonnen wurde. Dieser Datensatz wird als wichtige Ressource für die Weiterentwicklung der Methode dienen.
Indem sie eine unabhängige Überprüfung der lokalen Bestimmung von H0-Wert liefern, helfen Typ-II-Supernovae uns, eine der drängendsten Fragen der heutigen Kosmologie zu beantworten: Ist die Hubble-Spannung real, und wenn ja, was verrät sie uns über die grundlegende Natur des Universums?