EINE SUPERNOVA, FÜNF BILDER, DIE EXPANSIONSRATE DES UNIVERSUMS

Wie schnell dehnt sich das Universum heute aus? Die Zahl, die das beantwortet, ist die Hubble-Konstante, H0. Zwei der wichtigsten Messmethoden – eine „Leiter“ von Entfernungen zu nahen Sternen und Galaxien sowie das schwache Nachleuchten des jungen Universums, der kosmische Mikrowellenhintergrund – liefern derzeit deutlich unterschiedliche Werte. Diese Lücke, die Hubble-Spannung, ist eine der großen offenen Fragen der Kosmologie.

Es gibt einen dritten Weg, und der hängt von keiner der beiden ab.

Eine kosmische Linse mit eingebauter Uhr

Wenn ein sehr massereiches Objekt – eine Galaxie oder ein ganzer Galaxienhaufen – vor einer fernen Quelle liegt, krümmt seine Schwerkraft das Licht und kann die Quelle in mehrere Bilder aufspalten. Das ist starker Gravitationslinseneffekt. Die Lichtstrahlen folgen unterschiedlich langen Wegen. Ändert sich die Helligkeit der Quelle, ändern sich die Bilder nacheinander.

Diese Zeitverzögerungen hängen von der Masse der Linse und von kosmischen Entfernungen ab – und damit von H0. Die Idee schlug Refsdal 1964 vor, mit Supernovae, die in mehreren Bildern zu sehen sind.

Die erste solche Supernova, heute als SN Refsdal bekannt, wurde 2014 hinter dem Galaxienhaufen MACS J1149.5+2223 entdeckt. Sie erschien zunächst als vier Bilder um eine Galaxie des Haufens; ein fünftes, von Modellen vorhergesagtes Bild wurde etwa ein Jahr später erwartet. Zu den gemessenen Verzögerungen gehört eine von 376 Tagen zwischen zwei Bildern.

77.000 Pixel statt weniger Punkte

Das Schwierige ist, genau zu wissen, wie die Masse des Haufens verteilt ist. Bisher nutzten Modelle nur die Positionen der Mehrfachbilder von Hintergrundgalaxien. Stefan Schuldt von der Universität Turku und der Universität Mailand und Kollegen in Italien, Deutschland, Spanien und Finnland gingen weiter.

Ihr Modell umfasste bereits 308 Galaxien des Haufens, Halos aus Dunkler Materie und mehr als 100 Mehrfachbilder von 17 Hintergrundquellen. Dazu fügten sie die vollständige Form und Helligkeit der Galaxie hinzu, in der die Supernova aufleuchtete: 77.000 Pixel des Hubble-Weltraumteleskops. Es ist die erste Messung kosmologischer Parameter mit einem solchen Modell für einen Galaxienhaufen.

Sicherheitshalber testeten sie vier Arten, die Daten zu gewichten, und rechneten die Unterschiede zwischen ihnen als zusätzliche Unsicherheit ein.

Eine Messung auf 3 %

• H0 = 65,0 (+2,0 / −1,8) Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec, wobei der Materieanteil des Universums, Ωm = 0,30, gleichzeitig gemessen wurde.
• Die Unsicherheit beträgt 3,0 %: der präziseste Wert, der je aus einer einzelnen starken Linse gewonnen wurde, vor einem Ergebnis von 3,9 % aus einem gelinsten Quasar.
• Das Hinzufügen der Pixel verringerte die Unsicherheit um den Faktor 2,0 im Vergleich zum selben Modell, das nur Bildpositionen nutzt.
• Alle Versionen des Modells stimmen untereinander und mit früheren Studien zu SN Refsdal überein.

Der Wert stimmt mit dem der Planck-Mission aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund überein sowie mit einer anderen gelinsten Supernova, SN Encore. Vom Wert der Entfernungsleiter des SH0ES-Teams liegt er weiter entfernt.

Die Unsicherheit aus dem Massenmodell ist nun vergleichbar mit der Unsicherheit der längsten Verzögerung. Mit anderen Worten: Die Uhr, nicht die Karte, ist zum begrenzenden Faktor geworden.

Was die Zahl noch verschieben könnte

Die Autoren listen auf, was ihre 3 % nicht einschließen. Sie hielten das Massenrezept des Haufens fest, damit der Vergleich mit älteren Modellen fair ist, sodass Details dieses Rezepts nicht als Unsicherheiten zählen. Ein bekannter blinder Fleck der Gravitationslinsen, die „Massenschicht-Entartung“ (Mass-Sheet Degeneracy), ist nur teilweise gebändigt. Und wären die Sichtlinien durch Galaxienhaufen leerer als der Durchschnitt, würden Haufenlinsen H0 unterschätzen.

Der nächste Test steht bevor: Eine weitere gelinste Supernova, SN Requiem, sollte 2026 oder 2027 wieder erscheinen, etwa zehn Jahre nach ihrer ersten Sichtung. Ihre Verzögerung dürfte sehr präzise gemessen werden und könnte mit einem Modell wie diesem H0 auf wenige Prozent genau liefern. Das Rubin-Observatorium soll viele weitere solcher Supernovae finden.