Hubble-Konstante und Expansion des beobachtbaren Universums

Wissenschaftliche Zusammenfassung

Der Astronoo-Artikel stellt die Hubble-Konstante und die Expansion des beobachtbaren Universums vor. Er zeichnet die Beobachtungen von Edwin Hubble und Vesto Slipher nach, die zeigten, dass sich Galaxien mit einer zu ihrer Entfernung proportionalen Geschwindigkeit entfernen, sowie die kosmische Entfernungsleiter, die diese Messung ermöglicht. Die aus der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung vom Planck-Satelliten abgeleitete Hubble-Konstante beträgt 67,4 km/s/Mpc, während die Methode der Entfernungsleiter (Cepheiden und Typ-Ia-Supernovae, SH0ES-Team) etwa 73 km/s/Mpc ergibt. Diese anhaltende Diskrepanz, Hubble-Spannung genannt, übersteigt heute 5 Standardabweichungen und bleibt eines der ungelösten Rätsel der modernen Kosmologie. Der Artikel erklärt auch, warum die Expansion gravitativ gebundene Systeme wie das Sonnensystem nicht betrifft.

Was ist die Hubble-Konstante und was bedeutet die Expansion des Universums?

Dieser Artikel ist der Hubble-Konstante, bezeichnet mit H₀, und der Expansion des Universums gewidmet. Doch was bedeutet das genau? Die Hubble-Konstante ist die Rate, mit der sich das Universum ausdehnt. Genauer gesagt beschreibt sie die Geschwindigkeit, mit der sich eine Galaxie in Abhängigkeit von ihrer Entfernung von uns entfernt. Beispielsweise entfernt sich eine Galaxie in einem Megaparsec (≈3,26 Millionen Lichtjahre) Entfernung mit einer Geschwindigkeit zwischen 67 und 73 Kilometern pro Sekunde je nach verwendeter Messmethode. Diese 1929 von Edwin Hubble entdeckte Beziehung offenbarte, dass das Universum nicht statisch ist, sondern expandiert. Achtung: Es handelt sich nicht um eine Bewegung der Galaxien im Raum, sondern um eine Dilatation der Raumzeit selbst. Die Expansion gilt nur für sehr große Entfernungen, zwischen Galaxienhaufen. Gravitativ gebundene Systeme wie das Sonnensystem oder unsere Galaxie dehnen sich nicht aus. Der genaue Wert der Hubble-Konstante bleibt umstritten, zwischen 67 und 73 km/s/Mpc je nachdem, ob man vom primordialen Universum oder vom nahen Universum ausgeht — eine anhaltende Unstimmigkeit, die „Hubble-Spannung", die heute die kosmologische Forschung anregt.

Auch interessant

Setzen Sie Ihre Erkundung des Universums mit diesen Themen fort:

Die Expansion des Universums

Ein expandierendes Universum

Wenn wir in die Vergangenheit blicken, ist das Universum immer kleiner, dichter und heißer. Mit anderen Worten: Alle Objekte des Universums nähern sich einander an, wenn wir den Film rückwärts abspielen und in der Zeit zurückgehen.

Die Beobachtungen von Edwin Hubble

Im Jahr 1923 nutzte Edwin Hubble (1889-1953) das 250-cm-Hooker-Teleskop, das damals leistungsstärkste Teleskop. Bei der Beobachtung eines veränderlichen Sterns im Andromedanebel (M31) identifizierte er einen Cepheiden — einen Stern, dessen Helligkeit mit einer Periode variiert, die direkt mit seiner tatsächlichen Leuchtkraft zusammenhängt, gemäß der von Henrietta Leavitt 1912 entdeckten Perioden-Leuchtkraft-Beziehung. Diese Methode ermöglichte es ihm, die Entfernung von M31 auf etwa 900 000 Lichtjahre zu schätzen, was sie weit außerhalb unserer Galaxie platzierte. So beendete Hubble die lange Debatte über die Natur der diffusen Objekte, die fortan Galaxien genannt werden sollten.

Etwas später, im Jahr 1929, analysierte Hubble die Radialgeschwindigkeiten der Galaxien, die zuvor von Vesto Slipher (1875-1969) aus den Rotverschiebungen der Spektrallinien gemessen worden waren. Er beschränkte sich zunächst auf Galaxien in weniger als 6 Millionen Lichtjahren Entfernung und stellte fest, dass die Geschwindigkeits-Entfernungs-Beziehung annähernd linear ist. Gemeinsam mit Milton Humason (1891-1972) dehnte er seine Studie auf entfernte Galaxien bis zu 100 Millionen Lichtjahren aus; die Beziehung blieb linear.

Das Hubble-Gesetz und die Expansionsrate

Hubble formulierte dann sein berühmtes Hubble-Gesetz: „Die Galaxien entfernen sich voneinander mit einer zu ihrer Entfernung proportionalen Geschwindigkeit". Mit anderen Worten: Je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, desto schneller scheint sie sich zu entfernen. Er schuf damit das Konzept der Expansion des Universums. Achtung: Die Galaxien entfernen sich, aber es handelt sich nicht um eine echte 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 zunimmt; in Wirklichkeit ist es die Raumzeit, die sich ausdehnt.

Die Expansionsrate der Galaxien untereinander entspricht der Hubble-Konstante (H₀), die in den 1930er Jahren von Edwin Hubble und Georges Lemaître berechnet wurde. Der Kehrwert der Hubble-Konstante wird Hubble-Zeit genannt; sie entspricht der Zeit seit dem Urknall und somit dem Alter des Universums. Die 1965 entdeckte fossile Strahlung ist ein wahrer „Stein von Rosette" für Kosmologen, denn sie ermöglicht es, die thermische Geschichte des Universums seit dem Urknall zu entschlüsseln.

Anm.: Die von Hubble 1923-1925 für M31 berechnete Entfernung von 900 000 Lichtjahren unterschätzte die Realität stark (heute auf etwa 2,5 Millionen Lichtjahre festgelegt). Der Fehler rührte von einer Verwechslung zweier verschiedener Cepheiden-Populationen mit unterschiedlichen Perioden-Leuchtkraft-Beziehungen her, die erst 1952 vom Astronomen Walter Baade korrigiert wurde — der die geschätzte Größe des beobachtbaren Universums auf einen Schlag verdoppelte.

Die kosmische Entfernungsleiter: von Cepheiden zu Supernovae

Eine Kette von aufeinander kalibrierten Messungen

Eine Rezessionsgeschwindigkeit zu messen ist relativ einfach, dank der Rotverschiebung des Lichtspektrums. Eine intergalaktische Entfernung zu messen ist hingegen viel heikler, und genau das ist die Hauptquelle der Unsicherheit über die Hubble-Konstante. Astronomen verwenden dafür eine kosmische Entfernungsleiter, eine Abfolge von Messstandards, jeder auf dem vorherigen kalibriert: die Parallaxe für Sterne in der Nähe unserer Galaxie, die Cepheiden für nahe Galaxien (ihre tatsächliche Leuchtkraft wird aus ihrer Pulsationsperiode abgeleitet), dann die Typ-Ia-Supernovae für weiter entfernte Galaxien, deren maximale Helligkeit bemerkenswert standardisiert ist und als „Standardkerze" dient.

Eine alternative Methode: die Spitze des Roten-Riesen-Astes

Eine andere Methode, Tip of the Red Giant Branch (TRGB) genannt, stützt sich auf die Tatsache, dass rote Riesensterne alle eine sehr ähnliche maximale Leuchtkraft erreichen, bevor sie die Heliumfusion in ihrem Kern beginnen. Sie bietet eine von Cepheiden unabhängige Kalibrierung und liefert, mit dem James-Webb-Weltraumteleskop durchgeführt, Werte der Hubble-Konstante, die zwischen denen der beiden Hauptmethoden liegen — eine ernstzunehmende Spur zum Verständnis des Ursprungs der weiter unten beschriebenen Unstimmigkeit.

Wie hoch ist der Wert der Hubble-Konstante?

Hubble-Konstante und Expansion des Universums — 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 Falschfarben-Composite-Bild stellt die Spuren der ersten Augenblicke der Schöpfung dar, etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall, vor 13,8 Milliarden Jahren (≈1%). Das beobachtbare Universum besteht aus 69,4 % Dunkler Energie, 25,8 % kalter Dunkler Materie und 4,8 % Atomen, also gewöhnlicher Materie.
Bildquelle: ESA (neues Fenster).

Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung

Die Karte der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung stellt die elektromagnetische Strahlung aus den ersten Augenblicken des beobachtbaren Universums dar. Diese heute im Radiobereich nachweisbaren Photonen haben die Spuren der großen entstehenden Strukturen bewahrt, die von der Inflation getragen werden.

Die Messungen der Hubble-Konstante

Der Wert der Hubble-Konstante (H₀) ist nicht mit perfekter Genauigkeit bekannt und unterscheidet sich vor allem je nach verwendeter Methode. Im März 2013 hatte eine erste Analyse der Daten des Planck-Satelliten einen Wert von 67,8 km/s/Mpc ergeben; die 2018 veröffentlichte endgültige Analyse der Mission verfeinerte ihn auf 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc, abgeleitet aus der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung. Das SH0ES-Team hingegen erhält durch Kombination von Cepheiden und Typ-Ia-Supernovae auf der Entfernungsleiter einen deutlich höheren Wert, etwa 73,0 ± 1,0 km/s/Mpc (Ergebnisse 2022). Eine Blase von 1 Mpc schwillt heute also je nach gewählter Methode um 67 bis 73 km jede Sekunde an; eine Blase von 10 Mpc, zehnmal mehr; eine Blase von 100 Mpc, hundertmal mehr…

Die Hubble-Spannung: eine Anomalie, die fortbesteht

Zwei Methoden, zwei unvereinbare Ergebnisse

Diese Diskrepanz zwischen den beiden großen Messfamilien — 67,4 km/s/Mpc aus der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung gegenüber etwa 73 km/s/Mpc aus der lokalen Entfernungsleiter — hat einen Namen: die Hubble-Spannung. Es ist keine einfache Fehlermarge: Die Diskrepanz übersteigt heute 5 Standardabweichungen (5σ) laut dem SH0ES-Team, was es höchst unwahrscheinlich macht, dass es sich um einen statistischen Zufall handelt. Nun beruhen beide Methoden auf extrem gut verstandener Physik — dem Standard-ΛCDM-Kosmologiemodell für die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung und der gut etablierten Kalibrierung von Cepheiden und Typ-Ia-Supernovae für die Entfernungsleiter.

Unabhängige Messungen, die das Bild verkomplizieren

Andere, von den beiden vorherigen völlig unabhängige Methoden nähren die Debatte, ohne sie zu entscheiden. Die Baryonischen Akustischen Oszillationen (BAO), 2024 vom DESI-Instrument gemessen, ergeben einen niedrigen Wert von etwa 68,4 km/s/Mpc, nahe dem von Planck. Umgekehrt ergeben neuere Messungen auf der Grundlage von Zeitverzögerungen gravitativ gelinsteter Quasare (TDCOSMO-Kollaboration, 2025) hohe Werte, um 70 bis 78 km/s/Mpc, was eher das Lager der lokalen Messungen stärkt. Dazwischen liefert die mit dem James-Webb-Weltraumteleskop durchgeführte TRGB-Methode Zwischenwerte, um 69 bis 70 km/s/Mpc, die eine Spur für eine teilweise Lösung aufzeigen könnten — ohne dass die wissenschaftliche Gemeinschaft heute einig ist.

Neue Physik oder einfacher systematischer Fehler?

Zwei große Hypothesen stehen sich gegenüber, um die Hubble-Spannung zu erklären. Die erste nimmt die Existenz eines noch nicht identifizierten systematischen Fehlers in einer der Messmethoden an — eine Verzerrung bei der Kalibrierung der Cepheiden oder ein Missverständnis eines Parameters des ΛCDM-Modells. Die zweite, spekulativere, erwägt eine echte neue Physik: eine Form früher Dunkler Energie, eine Modifikation der Gravitation oder eine von der heute anerkannten abweichende Neutrinophysik. Zukünftige Missionen wie das Nancy Grace Roman Space Telescope oder die Euclid-Mission der ESA sollen in den kommenden Jahren zusätzliche Daten liefern, um zwischen diesen Hypothesen zu entscheiden.

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

Eine Expansion im großen Maßstab

Die Expansion des Universums gilt nur über sehr große Räume, das heißt zwischen Entitäten wie Galaxienhaufen oder Superhaufen.

Gravitativ gebundene Systeme

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

Objekte mit einer Masse, deren Geschwindigkeit zueinander geringer ist als ihre Fluchtgeschwindigkeit, gehören zu einem gravitativen System. Solange das System gravitativ gebunden ist, kann der Raum zwischen den Objekten unter dem Einfluss einer antigravitativen Kraft nicht anschwellen. Das gesamte System ist von der Expansion des beobachtbaren Universums entkoppelt. Dasselbe gilt für die Sonne im Inneren der Galaxie.

Tabelle: Äquivalenzen zwischen den Entfernungseinheiten

Diese Tabelle zeigt die Äquivalenzen zwischen den wichtigsten in der Astronomie verwendeten Entfernungseinheiten: das Parsec (pc), das Lichtjahr (Lj), die Astronomische Einheit (AE) und der Kilometer (km).

Astronomische Entfernungseinheiten
Entfernungseinheiten	pc	Lj	AE	km
pc	1	3,26	206265	3,09x10¹³
Lj	0,307	1	63242	9,46x10¹²
AE	4,85x10^-6	1,58x10^-5	1	1,50x10⁸
km	3,24x10^-14	1,06x10^-13	6,68x10^-9	1

Referenzen

FAQ: Alles Wissenswerte über die Hubble-Konstante und die Expansion des Universums

Was ist die Hubble-Konstante?

Die Hubble-Konstante ist die Expansionsrate des Universums. Sie misst die Geschwindigkeit, mit der sich eine Galaxie in Abhängigkeit von ihrer Entfernung entfernt. Ihr Wert liegt zwischen 67 und 73 km/s/Mpc je nach verwendeter Messmethode.

Wie hoch ist der aktuelle Wert der Hubble-Konstante?

Der Planck-Satellit hat aus der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung 67,4 km/s/Mpc gemessen, während das SH0ES-Team aus Cepheiden und Typ-Ia-Supernovae etwa 73 km/s/Mpc erhält. Diese statistisch sehr signifikante Differenz wird Hubble-Spannung genannt.

Was ist die Hubble-Spannung?

Die Hubble-Spannung bezeichnet die anhaltende Unstimmigkeit, heute größer als 5 Standardabweichungen, zwischen dem aus dem primordialen Universum (kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung) abgeleiteten Wert von H₀ und dem im nahen Universum (Entfernungsleiter) gemessenen Wert. Ihr Ursprung bleibt umstritten: nicht identifizierter systematischer Fehler oder neue Physik jenseits des Standardmodells der Kosmologie.

Wie werden Entfernungen zwischen Galaxien gemessen?

Astronomen verwenden eine kosmische Entfernungsleiter: Cepheiden, veränderliche Sterne, deren tatsächliche Leuchtkraft aus ihrer Pulsationsperiode abgeleitet wird, ermöglichen die Kalibrierung von Typ-Ia-Supernovae, die als Standardkerzen für weiter entfernte Galaxien verwendet werden. Die TRGB-Methode (Spitze des Roten-Riesen-Astes) bietet eine unabhängige Kalibrierung.

Warum betrifft die Expansion des Universums nicht das Sonnensystem?

Die Expansion gilt nur für sehr große Entfernungen, zwischen Galaxienhaufen. Gravitativ gebundene Systeme wie das Sonnensystem oder unsere Galaxie sind von der Expansion entkoppelt. Ihre gravitative Kohäsion ist viel stärker als die Expansion des Raums.

Was ist die Hubble-Zeit?

Die Hubble-Zeit ist der Kehrwert der Hubble-Konstante. Sie liefert eine Schätzung des Alters des Universums, etwa 13,8 Milliarden Jahre.

Was ist die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung?

Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) ist eine fossile Strahlung, die etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall emittiert wurde. Sie stellt eine Photographie des primordialen Universums dar und ermöglicht die Messung der Hubble-Konstante.

Beschleunigt sich die Expansion des Universums?

Ja, seit 1998 ist bekannt, dass die Expansion des Universums sich beschleunigt. Diese Beschleunigung wird der Dunklen Energie zugeschrieben, einer mysteriösen Komponente, die etwa 69 % des Universums ausmacht.

🏠