Hubble-Konstante und Expansion des beobachtbaren Universums

Bildbeschreibung: Unser Universum expandiert mit einer Geschwindigkeit von ≈67,8 km/s/Mpc (Hubble-Konstante), es hat eine Episode schneller Expansion namens „Inflation“ durchlaufen und wird für immer wachsen. Die Expansionsrate des beobachtbaren Universums bedeutet, dass sich ein Objekt, das einen Megaparsec (≈3,26 Millionen Lichtjahre) von uns entfernt befindet, mit einer Geschwindigkeit von ≈67,8 Kilometern pro Sekunde wegbewegt.

Die Expansion des Universums

Wenn wir in die Vergangenheit blicken, wird das Universum immer kleiner, dichter und heißer. Mit anderen Worten: Alle Objekte im Universum rücken einander näher, wenn man den Film in der Zeit rückwärts betrachtet.

Im Jahr 1923Edwin Hubble(1889-1953) nutzte das 250-cm-Hooker-Teleskop, das leistungsstärkste Teleskop seiner Zeit. Beobachtungen mit diesem Teleskop ermöglichen Hubble die Feststellung, dass die Nebel, die zuvor mit weniger leistungsstarken Teleskopen beobachtet wurden, nicht Teil unserer Galaxie sind. Tatsächlich ermittelt er die Entfernung der Andromeda-Galaxie (M31), die er auf 800.000 Lichtjahre schätzt, womit sie außerhalb unserer Galaxie liegt. Damit beendet Hubble die lange Debatte über die Natur der diffusen Objekte, die wir im Folgenden Galaxien nennen werden.

Etwas später, im Jahr 1929, analysierte Hubble die Radialgeschwindigkeiten von Galaxien, die zuvor gemessen wurdenVesto Slipher(1875-1969), aus den Rotverschiebungen von Spektrallinien. Er beschränkte sich zunächst auf Galaxien, die weniger als 6 Millionen Lichtjahre entfernt waren, und stellte fest, dass die Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Entfernung annähernd linear war. In Begleitung von Milton Humason (1891–1972) weitete er sein Studium auf bis zu 100 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxien aus; die Beziehung bleibt linear.

Hubble formuliert dann sein berühmtes Gesetz: „Galaxien entfernen sich mit einer Geschwindigkeit voneinander, die proportional zu ihrer Entfernung ist". Mit anderen Worten: Je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, desto schneller scheint sie sich zu entfernen. Daraus ergibt sich das Konzept der Expansion des Universums. Seien Sie vorsichtig, die Galaxien bewegen sich weg, aber das ist keine wirkliche Bewegung der Galaxien, es ist das gesamte Universum, das anschwillt und den Galaxien diese scheinbare Geschwindigkeit verleiht. Es ist der Raum zwischen den Galaxien, der sich vergrößert, in Wirklichkeit ist es die Raumzeit, die sich ausdehnt.

Die Expansionsrate der Galaxien zwischen ihnen entspricht der Hubble-Konstante (Hο), die in den 1930er Jahren von Edwin Hubble und George Lemaitre berechnet wurde. Der Kehrwert der Hubble-Konstante wird „Hubble-Zeit“ genannt; es entspricht der Dauer seit dem Urknall, also dem Alter des Universums. Die 1965 entdeckte fossile Strahlung ist für Kosmologen ein wahrer „Rosetta-Stein“, denn sie ermöglicht die Entschlüsselung der thermischen Geschichte des Universums seit dem Urknall.

Welchen Wert hat die Hubble-Konstante?

Bildbeschreibung: Diese kleinen Temperaturschwankungen sind die ersten Schimmer des beobachtbaren Universums, die von der Planck-Mission (März 2013) gesehen wurden. Seit 2013 haben europäische, kanadische und amerikanische Astrophysiker die Zusammensetzung des Universums verfeinert. Dieses zusammengesetzte Falschfarbenbild stellt Spuren der ersten Momente der Schöpfung dar, etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall, vor 13,8 Milliarden Jahren (≈1 %). Das beobachtbare Universum besteht zu 69,4 % aus dunkler Energie, zu 25,8 % aus kalter dunkler Materie und zu 4,8 % aus Atomen, also gewöhnlicher Materie. Bildnachweis:ESA.

Die Karte vonKosmologischer diffuser Hintergrundstellt die elektromagnetische Strahlung dar, die von den ersten Augenblicken des beobachtbaren Universums ausgeht. Diese Photonen, die heute im Bereich der Radiowellen nachweisbar sind, haben Spuren der großen entstehenden Strukturen hinterlassen, die durch die Inflation transportiert werden.

Der Wert der Hubble-Konstante (Hο) ist nicht genau bekannt. Alle seit den 2000er Jahren durchgeführten Messungen ergeben einen Wert zwischen 63 km/s/Mpc und 73 km/s/Mpc. Im März 2013 berechnete der Planck-Satellit, dessen Aufgabe es ist, die thermische Geschichte des Universums zu rekonstruieren, einen Wert von 67 km/s/Mpc. Mit anderen Worten: Eine Blase von 1 Mpc, also 3,26 Lichtjahren, bläht sich jede Sekunde um 67 km auf, eine Blase von 10 Mpc bläst sich jede Sekunde um 670 km auf, eine Blase von 100 Mpc bläst sich jede Sekunde um 6700 km auf ...

Welche Auswirkung hat die Expansion des Universums auf den Abstand Erde-Sonne?

Die Ausdehnung des Universums gilt nur für sehr große Räume, also zwischen Gebilden wie Galaxienhaufen oder Superhaufen.

Im Sonnensystem sind Objekte durch die Gravitationskraft der Sonne „verbunden“ und das Ganze kann als kompaktes System betrachtet werden.

Objekte mit Masse, deren Geschwindigkeit relativ zueinander geringer ist als ihre Fluchtgeschwindigkeit, sind Teil eines Gravitationssystems. Solange das System gravitativ gebunden ist, kann sich der Raum zwischen Objekten unter der Wirkung einer Antigravitationskraft nicht ausdehnen. Das gesamte System ist von der Expansion des beobachtbaren Universums entkoppelt. Das Gleiche gilt für die Sonne im Inneren der Galaxie.

Tabelle: Äquivalenzen zwischen Distanzeinheiten