Es steht 2 zu 1 für eine Hubblekonstante um 74

km/s/Mpc, wenn man die drei wichtigsten und in sich stabilsten – und gänzlich voneinander unabhängigen – Methoden zur Bestimmung der Expansionsgeschwindigkeit des Universums nach Lage aktueller Papers vergleicht, von denen gerade dieses Jahr mehrere wichtige erschienen sind. Die Planck-Kollaboration kommt aus den Eigenschaften der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (unter Annahme der Standard-, also ΛCDM-Kosmologie) in ihrem jüngsten Paper von Mitte 2018 auf H0 = 67.4±0.5 km/s/Mpc, was sich – bis auf einen halbierten angegebenen Fehlerbalken – kein Bisschen vom ersten Ergebnis fünf Jahre früher unterscheidet, mit dem die ‚tension‘ zu fast allen anderen Methoden zur H0-Bestimmung ihren Anfang nahm, die heute allerdings signifikanter denn je geworden ist, weil zwar die Zahlen aller Beteiligten inetwa gleich geblieben, die Fehlerbalken aber überall geschrumpft sind.

Denn zwei andere Techniken, die oft als „lokal“ bezeichnet werden, auch wenn sie auf Messungen in Galaxien in bis zu einigen Milliarden Lichtjahren Entfernung basieren, und die besonders gut abgesichert sind, liefern konsistent Hubble-Konstanten von etwa 72 bis 76, mit ebenfalls immer kleineren statistischen wie (so hofft man) systematischen Fehlerangaben. Der Klassiker ist die kosmologische Entfernungsleiter, bei der Supernovae in fernen Galaxien als Standardkerzen verwendet werden, wobei die Galaxien-Entfernungen wiederum über andere Sterne bekannten Verhaltens, am liebsten Cepheiden, heraus kommen, deren Parameter wiederum tatsächlich lokal – in den Magellanschen Wolken etwa oder gar in der Milchstraße – geeicht werden. Hier wird als bestes Paper derzeit meist Riess et al. von Anfang 2019 zitiert, die auf H0 = 74.0±1.4 (genauer: 74.03±1.42) km/s/Mpc kommen. Was in jenem Rahmen liegt, den 20 Jahre früher das Hubble Space Telescope Key Project on the Extragalactic Distance Scale auf demselben Weg ermittelt hatte, H0 = 71±7 km/s/Mpc.

Und just dieses Jahr ist auch Methode Nr. 3 quasi erwachsen geworden, die zwar bereits 1964 erstmals vorgeschlagen wurde, für die aber erst jetzt die notwendigen guten Daten zur Verfügung stehen: Time-delay Cosmography. Dabei werden Gravitationslinsen beobachtet, bei denen die Quelle im Hintergrund, deren Bild von der Schwerkraft des Vordergrundobjekts verformt wird, zeitlich variabel ist. Ihr Licht erreicht uns auf verschieden langen Wegen aus etwas anderen Richtungen, und wenn man den zeitlichen Versatz der Lichtkurven dieser Bilder misst und die Massenverteilung der linsenden Vordergrund-Galaxie gut kennt, kommen – da die Lichtgeschwindigkeit bekannt ist – die Distanzen beider Beteiligten direkt heraus. Woraus sich dann über ihre gemessenen Rotverschiebungen abermals eine Hubblekonstante ergibt, die weder von Informationen über die Hintergrundstrahlung oder anderen Gesamt-kosmischen Strukturmessungene einerseits noch der ‚lokalen‘ Entfernungsleiter andererseits abhängt.

Die Time-delay Cosmography ist nun dieses Jahr in einen Genauigkeitsbereich vorgedrungen, der die anderen beiden Methoden einzuholen beginnt. Da ist zum einen das H0LiCOW-Projekt, das im Juli mit drei analysierten Linsen [alt.] auf 76±3 bzw. 77±3 km/s/Mpc gekommen ist, je nach Methodik bei der hochauflösenden Abbildung der Linsen-Galaxie (was jetzt zu diesem, diesem und diesem Press Release geführt hat, letzterer mit arg reißerischer Überschrift), und mit sogar sechs Linsen auf 73±2 km/s/Mpc – was nur noch ein Fehler von 2.4% ist und geradezu perfekt zu dem besten Supernova-Resultat passt. (Erlaubt man sich etwas exotischere Kosmologien, so ist das konservative Fazit dieser Arbeit übrigens H0 ~ 73 bis 78 km/s/Mpc.) Und eine andere Gruppe, STRlDES, ist mit einer einzelnen besonders guten Linse auf 74±3 km/s/Mpc gekommen, was hier gewürdigt wird.

Beide Gruppen sind sich einig, dass es eingehender Untersuchungen von etwa 40 Graviationslinsen bedarf, um den Fehler von H0 auf 1% zu drücken, was dann die ‚Spannung‘ zu Planck – die schon jetzt bei 5 Standardabweichungen liegt – endgültig etablieren würde, aber das ist keine Utopie mehr. Und die H0-Forschung macht auch anderswo gerade Fortschritte:

  • Eine alternative Verwendung von Gravitationslinsen mit Lichtlaufzeiten und mehr Geometrie, die dafür weniger kosmologischer Annahmen bedarf, kommt mit zwei starken Linsen auf 82±8 km/s/Mpc, was angesichts des 10%-Fehlers derzeit nur generell in Richtung eines hohen H0 weist.

  • Statt Cepheiden lassen sich auch Mira-Sterne für die untere Stufe der kosmologischen Leiter-Methode verwenden, was aber mühsam ist (laaange Perioden, besser im Infraroten) – doch es gibt nun eine Entfernungsbestimmung von NGC 1599 mit 115 Mirasternen, und weil es in dieser Galaxie auch eine Supernova des Typs Ia gab, kommt via Leiter ein H0 = 73±4 km/s/Mpc heraus, was hier bewundert wird.

  • Wichtig ist auch eine Neuberechnung der Entfernung von NGC 4258 über Wasser-Maser in Bewegung, eine direkte geometrische Technik unter Umgehung der Entfernungsleiter, weshalb sich viele Arbeiten zur Hubblekonstanten hier ‚bedienen‘: 7.6±0.1 Mpc. Und daraus folgt über Cepheiden-Eichung und Supernovae ein H0 = 72±2 bzw. zusammen mit weiteren Informationen 73.5±1.4 km/s/Mpc.

Und zu erwähnen ist schließlich noch diese Analyse zahlloser Supernovae, die ausschließen kann, dass ‚lokale‘ Hohlräume und große Strömungsbewegungen von Galaxien ein zu großes H0 vortäuschen: Die bald 7 Jahre alte ‚tension‘ zwischen zwischen H0 aus der Urknall-Reststrahlung und zig anderen Methoden will nicht weichen – und das intensive Nachdenken über Erweiterungen der ΛCDM-Kosmologie, die alles unter einen Hut bringen könnten, ist mehr als gerechtfertigt. NACHTRAG: Das sagt auch dieser Artikel, der leider die Linsen als 3. großen Test nicht kennt.

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