Der Gravitationslinseneffekt einer Supernova liefert neuen Wert für die Hubble-Konstante – Physics World

Eine Studie darüber, wie Licht einer fernen Supernova auf seinem Weg zur Erde durch eine Gravitationslinse beeinflusst wurde, wurde zur Berechnung eines neuen Wertes für die Hubble-Konstante genutzt – ein wichtiger Parameter, der die Expansion des Universums beschreibt. Während dieses neueste Ergebnis die Astronomen nicht überrascht hat, könnten ähnliche Beobachtungen in der Zukunft uns helfen zu verstehen, warum verschiedene Techniken bisher zu sehr unterschiedlichen Werten für die Hubble-Konstante geführt haben.

Das Universum expandiert seit seiner Entstehung durch den Urknall vor 13.7 Milliarden Jahren. In den 1920er Jahren beobachtete der amerikanische Astronom Edwin Hubble, dass sich Galaxien, die weiter von der Erde entfernt sind, offenbar schneller von der Erde wegbewegen als Galaxien, die näher bei uns sind. Er tat dies, indem er die Rotverschiebung des Lichts dieser Galaxien maß – das ist die Ausdehnung der Lichtwellenlänge, die auftritt, wenn sich ein Objekt von einem Beobachter entfernt.

Der von ihm gemessene lineare Zusammenhang zwischen Entfernung und Geschwindigkeit wird durch die Hubble-Konstante beschrieben und Astronomen haben seitdem mehrere Techniken entwickelt, um ihn zu messen.

Astronomen sind allerdings verwirrt, denn Verschiedene Messungen haben sehr unterschiedliche Werte für die Hubble-Konstante geliefert. Messungen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (CRB) durch den Planck-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation ergeben einen Wert von etwa 67 km/s/Mpc. Messungen der SH1ES-Kollaboration mit Beobachtungen von Supernovae vom Typ 0a ergeben jedoch einen Wert von etwa 73 km/s/Mpc. Die Unsicherheiten bei diesen Messungen betragen etwa 1–2 %, sodass zwischen den beiden Techniken ein klares Spannungsverhältnis besteht. Astronomen wollen wissen, warum das so ist, und herausfinden, dass sie neue Methoden zur Messung der Hubble-Konstante entwickeln.

Jetzt haben Astronomen die Hubble-Konstante mithilfe des Lichts einer Supernova gemessen, die vor 9.34 Milliarden Jahren explodierte. Auf seinem Weg zur Erde passierte das Licht einen Galaxienhaufen und wurde durch das gewaltige Gravitationsfeld des Galaxienhaufens abgelenkt, wodurch das Licht auf die Erde gerichtet wurde. Dieser Effekt wird Gravitationslinseneffekt genannt.

Klumpige Massenverteilung

Die klumpige Massenverteilung im Cluster erzeugte ein komplexes Gravitationsfeld, das das Licht der Supernova auf mehreren verschiedenen Wegen zur Erde schickte. Als die Supernova 2014 zum ersten Mal beobachtet wurde, erschien sie in Form von vier Lichtpunkten. Als die vier Punkte verblassten, erschien 376 Tage später ein fünfter. Dieses Licht wurde durch den längeren Weg, den es durch den Sternhaufen zurückgelegt hatte, verzögert.

Während dieser 376 Tage hatte sich das Universum ausgedehnt, was bedeutet, dass die Wellenlänge des spät eintreffenden Lichts rotverschoben war. Durch die Messung dieser zusätzlichen Rotverschiebung konnte ein Team unter der Leitung von Patrick Kelly von der University of Minnesota konnte die Hubble-Konstante berechnen. Unter Verwendung verschiedener Massenverteilungsmodelle für die Cluster gelangte das Team zu Werten für die Konstante von entweder 64.8 km/s/Mpc oder 66.6 km/s/Mpc.

Die Supernova-Zeitverzögerungsmessung scheint auf den ersten Blick Plancks Wert der Hubble-Konstante gegenüber SH0ES zu bevorzugen. Frühere Zeitverzögerungsmessungen des vom H0LiCOW Die Zusammenarbeit ergibt einen Wert von 73.3 km/s/Mpc – also näher an SH0ES.

Das mag zwar verwirrend erscheinen, Kellys Kollege Tommaso Treu von der University of California, Los Angeles weist darauf hin, dass die neuesten Ergebnisse nicht überraschend seien.

„Sie sind nicht sehr unterschiedlich“, sagt er. „Innerhalb der Unsicherheiten stimmt diese neue Messung mit allen drei [Planck, SH0ES und H0LiCOW] überein.“

Sherry Suyu vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Deutschland, der das H0LiCOW-Projekt leitet und nicht an diesen neuen Zeitverzögerungsmessungen beteiligt war, sieht auch nicht unbedingt ein Paradoxon.

Zukunftsversprechen

„Dieser Wert [von der Supernova] stammt von einem Einzellinsensystem, und angesichts seiner Fehlerbalken stimmt die Messung statistisch mit den Ergebnissen der Linsenquasare von H0LiCOW überein“, sagt sie.

Die Unsicherheit bei der Messung der Supernova-Zeitverzögerung hängt davon ab, wie die Masse in der Galaxie verteilt ist – wie viel dunkle Materie und baryonische (normale) Materie vorhanden ist und wie sie über den Galaxienhaufen verteilt ist. Das Team von Kelly und Treu verwendete verschiedene Modelle, und die Unterschiede zwischen den Modellen machen einen großen Teil der Unsicherheit ihrer Werte für die Hubble-Konstante aus.

Eine konsistente Konstante finden

„Die Präzision der hier vorgestellten Messungen mit niedriger Hubble-Konstante reicht einfach nicht aus, um gegen den höheren SH0ES-Wert zu argumentieren“, sagt er Daniel Mortlock vom Imperial College, London, der ebenfalls nicht an der Forschung beteiligt war.

Dennoch hält Mortlock diese Berechnung der Hubble-Konstante aus der Zeitverzögerungsmessung einer Supernova für einen Meilenstein. Bisher wurden nur ein paar Linsensupernovae entdeckt, aber in den kommenden Jahren werden die Vera C. Rubin Observatorium In Chile, das über ein riesiges 8.4-Meter-Durchmusterungsteleskop verfügt, geht die Zahl der Entdeckungen von Linsen-Supernovae dramatisch an.

„Schöne“ Arbeit

„Im Großen und Ganzen denke ich, dass es eine schöne Arbeit ist, diese Messung durchzuführen, aber der vielleicht aufregendste Aspekt daran ist die Aussicht auf die Zukunft, da Umfragen wie Rubin noch viele weitere Systeme dieser Art entdecken werden“, sagt Mortlock.

Mit zunehmender Anzahl von Linsen-Supernovae werden die Messungen der Hubble-Konstante präziser, was dazu beitragen wird, die Fehlerbalken zu reduzieren und zu bestätigen, ob diese Daten die Planck- oder SH0ES-Ergebnisse stützen. Einige Theoretiker haben sogar schlug diese neue Physik vor kann erforderlich sein, um die Hubble-Spannung zu erklären, vorausgesetzt, sie ist real und kein unerkannter systematischer Fehler in den Beobachtungen.

„Es ist eindeutig mehr Präzision erforderlich, um zur Lösung der Hubble-Spannung beizutragen“, schließt Treu. „Aber das ist ein wichtiger erster Schritt.“

Die Forschung ist beschrieben in Wissenschaft.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/gravitational-lensing-of-supernova-yields-new-value-for-hubble-constant/