Kosmologen haben ein wachsendes Problem ... buchstäblich.Könnten Gravitationswellen von verschmelzenden Schwarzen Löchern die Antwort sein?Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Verwendung von Gravitationswellen aus den Kollisionen entfernter Schwarzer Löcher einen der beunruhigendsten Aspekte der Kosmologie lösen könnte – die Expansionsrate des Universums, die als Hubble-Konstante bekannt ist.Es gibt zwei Standardmethoden zur Messung der Hubble-Konstante.Die „globale Methode“ beinhaltet die Verwendung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) – fossile Strahlung, die vom Urknall übrig geblieben ist und das Universum gleichmäßig füllt – und enthüllt die Expansion des Universums zu früheren Zeiten in der Geschichte.Auf lokaler Ebene werden Supernovae vom Typ Ia – aufgrund ihrer gleichmäßigen Energieabgabe auch als „Standardkerzen“ bekannt – verwendet, um die Hubble-Konstante und die neuere Expansionsrate des Universums zu messen.Das Problem?Die Verwendung unterschiedlicher Methoden zur Messung der Hubble-Konstante liefert unterschiedliche Ergebnisse.Der Wert der Hubble-Konstante, der von Standardkerzen bereitgestellt wird, ist viel höher als der Wert, den CMB-Beobachtungen angegeben haben.Das klingt wie es sollte eine einfache Lösung haben.Eine Methode muss sicherlich ein ungenaues Ergebnis liefern?Aber das ist nicht der Fall.Die Perfektionierung dieser Methoden hat diese Lücke nicht geschlossen, sondern die Kluft weiter vertieft.Dieses Problem ist als „Hubble-Spannung“ bekannt geworden.Astrophysiker der University of Chicago schlagen eine neue Methode zur Messung der Hubble-Konstante und der Expansionsrate des Universums vor, in der Hoffnung, dass sie die Hubble-Spannung lösen könnte.Diese neue Technik nutzt nicht den kosmischen Mikrowellenhintergrund oder Supernovae, sondern nutzt stattdessen Gravitationswellen, die von entfernten Schwarzen Löchern ausgesandt werden, wenn sie zusammenstoßen.Die Expansion des Universums hat Physiker schon immer beschäftigt, besonders seit entdeckt wurde, dass es sich nicht verlangsamt, sondern beschleunigt.Die mysteriöse Kraft, die diese Beschleunigung antreibt, hat den Platzhalternamen „dunkle Energie“ erhalten.„Wenn die Materie im Universum endlich ist, erwarteten die Physiker, dass ihre Expansion schließlich aufhören und das Universum wieder zusammenbrechen würde“, sagt die Astrophysikerin Luz Ángela García von der Universidad ECCI in Bogotá, Kolumbien, gegenüber Popular Mechanics.„Im Jahr 1998 stellten zwei unabhängige Gruppen, die zwei Gruppen von Supernovae des Typs Ia verwendeten, fest, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt, sondern auch mit einer beschleunigten Geschwindigkeit.“Sie fügt hinzu, dass dies bedeutet, dass andere Galaxien ihre Bewegung von uns weg beschleunigen … und voneinander.Und je weiter sie entfernt sind, desto schneller verschwinden sie.„In der jüngeren Ära der kosmischen Geschichte beschleunigt sich die Expansion des Universums“, sagt Lucas Lombriser, Kosmologe der Universität Genf, gegenüber Popular Mechanics.„Wenn wir die aktuelle Expansionsrate anhand von Beobachtungen von näheren Objekten wie Supernovae messen, also das jüngere Universum testen, erhalten wir am Ende eine Hubble-Konstante, die deutlich größer ist als ihr Gegenstück, das aus dem frühen Universum und dem CMB abgeleitet wurde.„Die Spannung zwischen den beiden Messungen ist jetzt auf einem nicht mehr zu vernachlässigenden Signifikanzniveau.“Um sich vorzustellen, warum die beschleunigte Expansion des Universums so beunruhigend ist, stellen Sie sich eine banale und alltägliche Analogie vor: ein Kind auf einer normalen Spielplatzschaukel schieben.Mit der Zeit ab dem anfänglichen Einzelstoß erreicht die Schaukel des Kindes niedrigere Punkte.Wenn die Schaukel dann zum Stillstand kommt, beginnt sie plötzlich wieder zu schwingen, ohne einen Stoß, und erreicht immer höhere Punkte.Das ist vergleichbar mit dem Verlangsamen des Universums nach seiner Phase der frühen schnellen Expansion – die wir den „Urknall“ nennen – nur um dann wieder schnell zu expandieren und zu beschleunigen.„Diese beschleunigte Expansion wird von unserem Gravitationsmodell nur dann vorhergesagt, wenn es etwas gibt, das die Schwerkraft in großen Maßstäben überholt und einen Unterdruck verursacht“, sagt García.„Das ist dunkle Energie.“Dunkle Energie kann nicht ignoriert werden, denn um die Expansion des Universums zu beschleunigen, muss sie mindestens 68 Prozent der gesamten Materie und Energie im Universum ausmachen.„Die Gemeinde ist von den Ergebnissen verwirrt.Wir können entweder behaupten, dass die Techniken weiter verfeinert werden könnten, um genauere Werte für die Hubble-Konstante zu erhalten, oder wir könnten die Modelle verbessern, die wir verwenden, um die Beobachtungen zu kalibrieren“, fügt García hinzu.„Es gibt eine dritte Möglichkeit, die in Betracht gezogen werden könnte – eine variable Hubble-Rate in verschiedenen Epochen des Universums, was impliziert, dass der Beitrag der dunklen Energie keine Konstante ist, sondern im Laufe der Zeit variiert.“Und eine Möglichkeit, in die Vergangenheit zu blicken, besteht darin, Gravitationswellen zu untersuchen, die von fernen Ereignissen ausgelöst werden.Wenn Schwarze Löcher kollidieren, verschmelzen sie zu einem noch größeren Schwarzen Loch, aber diese Ereignisse haben eine andere Auswirkung auf das Universum;Die Verschmelzung von Schwarzen Löchern ist so stark, dass das Ereignis Wellen als Gravitationswellen durch das Gewebe der Raumzeit aussendet.Empfindliche und massive Laserinterferometer wie das in den USA ansässige Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) und die italienische Version Virgo können diese Wellen hier auf der Erde messen.Genauso wie die Beobachtung von Licht aus einer entfernten Quelle Objekte so zeigt, wie sie waren, als das Licht sie verließ – ein drei Lichtjahre entfernter Stern wird also so gesehen, wie er vor drei Jahren war, und so weiter –, enthüllt die Beobachtung von Gravitationswellen Ereignisse und Objekte, die aufgetreten sind in der fernen Vergangenheit des Universums.In einem letzten Monat in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Artikel schlagen die Astrophysiker Daniel Holz und Jose María Ezquiaga vor, dass diese Gravitationswellen von kollidierenden Schwarzen Löchern verwendet werden könnten, um zu testen, ob die Hubble-Konstante in der relativen Anfangszeit des Universums dieselbe war.„Wenn man über Möglichkeiten nachdenkt, Gravitationswellen zur Messung der Expansion des Universums zu verwenden, sind kollidierende Schwarze Löcher gegenüber binären Neutronensternen im Vorteil, da ihre aktuelle Erkennungsrate viel höher ist und sie weiter entfernt beobachtet werden können“, NASA Einstein Fellow an der Universität von Chicago, Ezquiaga, erzählt Popular Mechanics.„Mit anderen Worten, sie ermöglichen es uns, die Rate weiter in die Vergangenheit zu untersuchen, was uns ermöglicht, die Hubble-Konstante und auch die Fülle an dunkler Energie und dunkler Materie zu messen.“Dies würde davon abhängen, dass Forscher bestimmen können, wie die Expansionsrate des Universums Gravitationswellen beeinflusst – und sie verändert – bevor sie hier auf der Erde gemessen werden.Und das wiederum soll Aufschluss darüber geben, ob sich die Expansionsrate des Universums über große Entfernungen und damit über die Zeit ändert.„Unterschiedliche Expansionsraten beeinflussen sowohl die Amplitude der Gravitationswellen, also wie ‚laut oder leise' sie sind, als auch die Verschmelzungsraten, weil sich auch das Volumen des Universums ändert“, sagt Ezquiaga.Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass, obwohl sie von nicht-lokalen Ereignissen abhängt, die Forscher vermuten, dass Kosmologen ihre Messungen durch die Beobachtung von Schwarzen Löchern näher an der Heimat kalibrieren könnten.„Lokale Schwarze Löcher ermöglichen eine Zählung der typischen Massen binärer Schwarzer Löcher.Dann können Sie in der Zeit zurückblicken, um zu sehen, ob Schwarze Löcher, die früher verschmolzen sind, dasselbe Spektrum haben“, fügt Ezquiaga hinzu.„Änderungen im kosmologischen Modell sollten nur die nachgewiesenen Massen verschieben.Durch den Vergleich der Verschiebung zwischen beiden Spektren, dem im Lokaluniversum und dem in der Vergangenheit, kann man erfahren, wie stark sich das Universum ausgedehnt hat.“Das bedeutet, dass diese Technik zur Messung der Expansionsrate des Universums und zur Definition der Hubble-Konstante dann Licht auf ein Problem werfen könnte, das Forscher seit Jahrzehnten beschäftigt, ohne sich auf beunruhigende bestehende Methoden zu verlassen.Sowohl García als auch Lombriser haben jedoch ihre eigenen Ideen, die erklären könnten, woher die Ungleichheit in der Hubble-Konstante kommt.García hat an einem sogenannten „Early Dark Energy“ (EDE)-Modell gearbeitet, das darauf hindeutet, dass dunkle Energie ein Faktor im Universum war, bevor sie ihre Herrschaft über die Schwerkraft begann, und keine Spuren auf dem kosmischen Mikrowellenhintergrund hinterließ, weshalb Messungen der Die Hubble-Konstante mit dieser fossilen Strahlung ergibt einen kleinen Wert.„EDE-Modelle sind theoretische Rezepte, die wir kürzlich untersucht haben, um eine dunkle Energiekomponente zu beschreiben, deren Energie im Laufe der Zeit nicht konstant ist“, sagt García.Diese Art von Modellen lässt dunkle Energie mit der Entfernung variieren.Somit würde die Expansionsrate durch eine variable Energiedichte der Dunklen Energie beeinflusst.„Die Einbeziehung früher dunkler Energie könnte erklären, warum wir zu frühen und späten Zeiten unterschiedliche Werte der Hubble-Konstante messen“, erklärt García.„Dies liegt daran, dass frühe dunkle Energie die Expansionsrate vor dem Zeitpunkt ändern würde, zu dem der CMB beobachtet wird, und dann ihre Wirkung einstellen würde, wobei eine Hubble-Konstante zurückbleibt, die wir mit den Standardkerzen des lokalen Universums erkennen, wenn sich die Struktur lange entwickelt hat.“In der Zwischenzeit hat Lombriser eine Idee, die Änderungen über den Raum hinweg und nicht über die Zeit beinhaltet.Er glaubt, dass sich unser Lokaluniversum – die Milchstraße und die umgebenden Galaxien – in einer Tasche mit geringer Dichte innerhalb des Universums befinden könnte.Lombriser nennt diese Tasche eine „Hubble-Blase“ und sagt, die Folge wäre, dass sich der lokale Raum in der dichten Region außerhalb der Blase schneller ausdehnt als der Rest des Universums.Das würde erklären, warum die Betrachtung naher Supernovae zu einem größeren Wert führt als der, der von entfernten Messungen der CMB-Ausbeute geliefert wird, wodurch die Hubble-Spannung aufgelöst wird.„Die Tatsache, dass die „konforme“ „Hubble-Blase“ keine neue Physik hervorruft, ist ein ansprechendes Merkmal, das zu einer genaueren Betrachtung einlädt“, sagt Lombriser.„Eine Möglichkeit, dies zu testen, wäre, die CMB-Temperatur in unserer sehr nahen kosmischen Struktur aufzulösen, um zu testen, ob sie lokal auf eine niedrigere Temperatur abfällt.“Wenn die Verwendung von Gravitationswellen zur Messung der Hubble-Konstante die Hubble-Spannung auflösen soll, müssen Instrumente wie LIGO erheblich empfindlicher werden, um Wellen in der Raumzeit von weiter entfernten Kollisionen zu erkennen.García ist nicht unbedingt besorgt über die Hubble-Spannung, wenn sie nicht bald gelöst werden kann.Stattdessen sieht sie es als Chance, die Grenzen der Physik auszutesten.„Zukünftige Experimente, die sich auf die Natur der dunklen Energie und die großräumige Struktur des Universums konzentrieren, werden einen großen Einfluss darauf haben, wie wir diese Krise in der Kosmologie lösen“, schloss sie.„Aber wenn die Spannung anhält, müssen wir intensiver darüber nachdenken, wie die Schwerkraft auf anderen Maßstäben funktioniert, und das ist ziemlich aufregend!“Robert Lea ist freiberuflicher Wissenschaftsjournalist mit den Schwerpunkten Weltraum, Astronomie und Physik.Robs Artikel wurden in Newsweek, Space, Live Science, Astronomy magazine und New Scientist veröffentlicht.Er lebt im Nordwesten Englands mit zu vielen Katzen und Comics.Die Chaostheorie erklärt, warum das Leben so ... chaotisch istWie man widerspenstiges Plasma in einem Tokamak-Reaktor kontrolliertDiese Wellen könnten das unsichtbare Universum enthüllen„Großvater-Paradoxon“ schließt Zeitreisen nicht aus5 Tipps, um ein Cornhole-Spiel zu dominieren (von einem Profi)Protonen enthalten ein überraschendes subatomares TeilchenWarum Detektoren für kosmische Strahlung den Weltraum erforschenDie Quantenphysik kann endlich das Bewusstsein erklärenFusionsreaktor muss 8-mal heißer laufen als ITERWas passiert, wenn Schwarze Löcher sterben?Physiker haben möglicherweise einen neuen Zustand der Materie geschaffenKann diese Maschine endlich dunkle Materie jagen?Ein Teil von Hearst Digital MediaGear-besessene Redakteure wählen jedes Produkt, das wir überprüfen.Wir können eine Provision verdienen, wenn Sie über einen Link kaufen.©Hearst Magazine Media, Inc. 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