Mit welcher Geschwindigkeit dehnt sich das Universum aus? Werden wir das jemals herausfinden können?

Diese Fragen sind schwer zu beantworten, und Beobachtungsmissionen liefern Astrophysikern ständig neue und bessere Instrumente, um die Antworten zu ergründen. Wenn sich das Universum mit einer Geschwindigkeit ausdehnt, die als "Hubble-Konstante" bezeichnet wird, werden bei dem Versuch, diese zu messen, hauptsächlich zwei Methoden angewandt, die jedoch widersprüchliche Ergebnisse geliefert haben, was zu dem geführt hat, was Wissenschaftler als "Hubble-Spannung" bezeichnen.

Die verschiedenen Modelle, die für sich in Anspruch nehmen, das Universum am besten zu beschreiben, weisen in Wirklichkeit starke Diskrepanzen untereinander auf. Einige Wissenschaftler haben sich gefragt, ob unser derzeitiges Modell des Universums vielleicht etwas Wichtiges übersehen hat.

Die zweite Methode, auf die sich Freedman spezialisiert hat, besteht in der Messung der Ausdehnung von Galaxien in der Nähe. Diese Methode hat in der Vergangenheit eine höhere Schätzung ergeben: etwa 74 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec.

Die Diskrepanz zwischen diesen beiden Zahlen hat einige Wissenschaftler zu der Annahme veranlasst, dass unser Verständnis des Universums unvollständig sein könnte. Dies deutet eindeutig darauf hin, dass etwas sehr Wichtiges übersehen wird, was hohe Erwartungen an neue und unabhängige Experimente weckt.

Derzeit gibt es zuverlässige Beobachtungen der Helligkeit sterbender Sterne nur bei Supernovae. Das Universum würde sich für den Geschmack einiger Forscher zu schnell ausdehnen.

Roman wird die Expansion des Universums untersuchen

Um mehr Licht ins Dunkel zu bringen und das Universum besser zu verstehen, wird die NASA-Mission Roman Tausende von explodierenden Sternen, so genannte Supernovae des Typs Ia, über große Zeiträume und im Weltraum beobachten. Durch diese Beobachtungen wollen die Astronomen verschiedene kosmische Geheimnisse, wie z. B. die dunkle Energie, klären. Im Rahmen dieser Forschung werden Supernovae vom Typ Ia zur Messung kosmischer Entfernungen verwendet, was uns hilft zu verstehen, wie sich das Universum im Laufe der Zeit ausgedehnt hat.

Wir erinnern uns, dass die Astronomen eine Supernova des Typs Ia als eine Supernova klassifizieren , die in Doppelsternsystemen (Systeme aus zwei umeinander kreisenden Sternen) auftritt, bei denen einer der Sterne ein Weißer Zwerg ist. Der andere Stern in diesem System kann von jedem Typ sein, von einem Riesenstern bis zu einem kleineren Weißen Zwerg.

Eines der wichtigsten wissenschaftlichen Ziele der Mission ist es, mithilfe von Supernovae die Natur der dunklen Energie zu bestimmen: der unerklärliche kosmische Druck, der die Expansion des Universums beschleunigt.

Romans Supernova-Studie wird dazu beitragen, die widersprüchlichen Messungen der aktuellen Expansionsrate des Universums zu klären, und könnte sogar einen neuen Weg zur Untersuchung der Verteilung der dunklen Materie eröffnen, die nur durch ihre Gravitationswirkung nachgewiesen werden kann.

Viele Supernovae entstehen, wenn massereiche Sterne ihren Brennstoff verbrauchen, unter ihrem eigenen Gewicht kollabieren und dann aufgrund starker Schockwellen, die aus ihrem Inneren kommen, explodieren. Diese Supernovae treten in unserer Galaxie, der Milchstraße, etwa alle 50 Jahre auf.

Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass Supernovae vom Typ Ia in einigen Doppelsternsystemen entstehen, die mindestens einen Weißen Zwerg (den kleinen, heißen Überrest eines sonnenähnlichen Sterns) enthalten. Supernovae vom Typ Ia sind viel seltener und treten in der Milchstraße etwa alle 500 Jahre auf.

In einigen Fällen kann der Weiße Zwerg Material von seinem Begleiter absorbieren. Dies löst eine unkontrollierte Reaktion aus, die den Stern zum Explodieren bringt, sobald er so viel Masse gewinnt, dass er instabil wird.

Astronomen haben auch Beweise für ein anderes Szenario gefunden, bei dem sich zwei Weiße Zwerge spiralförmig aufeinander zubewegen und verschmelzen. Wenn ihre gemeinsame Masse groß genug ist, um eine Instabilität zu verursachen, könnten auch sie eine Supernova vom Typ Ia erzeugen.

Diese Explosionen erreichen eine ähnliche und bekannte Eigenhelligkeit, was Supernovae vom Typ Ia zu so genannten Standardkerzen macht: Objekte oder Ereignisse, die eine bestimmte Lichtmenge aussenden, so dass Wissenschaftler ihre Entfernung mit einer einfachen Formel bestimmen können. Dank dieser Formel können die Astronomen die Entfernung von Supernovae einfach durch Messung ihrer Helligkeit bestimmen.

Die obige Animation zeigt, wie Roman die dunkle Energie anhand explodierender Sterne, so genannter Supernovae vom Typ Ia, messen wird. Diese Explosionen werden durch die völlige Zerstörung eines weißen Zwergsterns verursacht und strahlen jeweils ähnliche Lichtmengen ab. Je weiter sie jedoch entfernt sind, desto schwächer erscheinen die Explosionen.

Durch die Messung der scheinbaren Helligkeit von Supernovae des Typs Ia können wir ihre Entfernungen messen. Durch den Vergleich der Rotverschiebungen von Supernovae mit ihrer scheinbaren Helligkeit entdeckten die Astronomen die dunkle Energie. Diese Studien zeigten, dass Supernovae mit größeren Rotverschiebungen dunkler waren, als sie in einem Modell, in dem sich die Expansion des Universums nicht beschleunigte, sein sollten.

Roman wird untersuchen, wie schnell sich das Universum ausdehnt

Die Astronomen werden auch die Roman-Mission der NASA nutzen, um das Licht dieser Supernovae zu untersuchen und die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der sie sich von uns zu entfernen scheinen. Indem sie vergleichen, wie schnell sie sich in verschiedenen Entfernungen entfernen, können die Wissenschaftler die kosmische Expansion über die Zeit verfolgen. Dies wird uns helfen zu verstehen, ob sich die dunkle Energie im Laufe der Geschichte des Universums verändert hat und wie sie dies getan hat.

Bisherige Untersuchungen von Supernovae des Typs Ia konzentrierten sich auf das relativ nahe Universum, was vor allem an den begrenzten Möglichkeiten der Instrumente lag. Romans Infrarotsicht, sein riesiges Sichtfeld und seine exquisite Empfindlichkeit werden die Suche dramatisch ausweiten und den kosmischen Vorhang so weit zurückziehen , dass die Astronomen Tausende von weit entfernten Supernovae des Typs Ia entdecken können.

Roman wird den Einfluss der dunklen Energie über mehr als die Hälfte der Geschichte des Universums, von 4 bis 12 Milliarden Jahren, genau untersuchen. Die Erforschung dieses relativ unerforschten Gebiets wird den Wissenschaftlern helfen, entscheidende Teile des Rätsels der dunklen Energie zu lösen.

Quellenheinweis:

“Type Ia Supernovae”. Roman Mission, NASA Explore.