Seit Jahrzehnten rätseln Astronomen über die Ausdehnungsrate des Weltraums. Jetzt steht ihr Wert fest.
“Man lege drei Sandkörner ins Innere einer riesigen Kathedrale – dann ist dieser Raum immer noch mit mehr Sand gefüllt als das Universum mit Sternen”, hat der englische Mathematiker und Astronom James Jeans (1877 bis 1946) einmal gesagt. Heute wissen wir, daß dies stark untertrieben ist: An die Stelle der Kathedrale müßte man das Volumen der Erde setzen, um sich die kosmische Leere vorzustellen. Und auch das wäre nur eine Momentaufnahme. Denn angetrieben vom Schwung des Urknalls dehnt sich der Weltraum zwischen den Galaxienhaufen ständig aus, so daß die mittlere Materiedichte immer geringer wird.
Die Expansion des Universums hatte Edwin Powell Hubble bereits 1929 entdeckt. Dem amerikanischen Astronomen zu Ehren wird die gegenwärtige Ausdehnungsrate als Hubble-Konstante (Ho) bezeichnet. Ihr Wert ist seit 70 Jahren die wahrscheinlich wichtigste Zahl der Kosmologie. Denn von ihr hängt das Alter und Schicksal des Universums ab: Wann hat sich der Urknall ereignet? Wird der Weltraum ewig expandieren oder eines Tages in sich zusammenstürzen und in einem Endknall verschwinden?
Der Wert von Ho war von Anfang an Gegenstand von Kontroversen und Unsicherheit. Hubbles Messungen legten nahe, daß das Universum nur ein bis zwei Milliarden Jahre alt sei – also wesentlich jünger als die Erde. Und noch vor fünf Jahren ergaben Messungen des ebenfalls Hubble zu Ehren benannten Weltraumteleskops Werte, die sich nicht mit dem Alter der ältesten Sterne vereinbaren ließen (bild der wissenschaft 4/1995, “Der Streit um das Alter der Welt”). Das kann natürlich nicht stimmen – das Universum muß vor seinen ersten Sternen entstanden sein. Doch das Paradox machte deutlich, daß selbst mit der modernen Technik die Meßfehler noch viel zu groß waren.
Jetzt gelang den Astronomen der Durchbruch. Nach fast zehn Jahren ist das Schlüsselprojekt des Weltraumteleskops zur Bestimmung von Ho abgeschlossen. “Endlich beginnt die Ära der präzisen Kosmologie”, freut sich Wendy Freedman von den Observatorien der Carnegie Institution in Washington, die das 27köpfige international besetzte Projekt leitet.
Die Hubble-Konstante wird gewöhnlich in Kilometer pro Sekunde und Megaparsec angegeben (1 Megaparsec entspricht 3,26 Millionen Lichtjahren). Die Meßunsicherheit pendelte bisher zwischen 50 und 90. Die neuen Daten liegen in der Mitte, bei 70. Das bedeutet, daß die Geschwindigkeit, mit der sich eine ferne Galaxie aufgrund der Raumausdehnung fortbewegt, um 70 Kilometer pro Sekunde in jedem Megaparsec Abstand von uns zunimmt. “Bislang stritten wir um einen Faktor zwei”, sagt Robert Kirshner von der Harvard University. “Nun beträgt die Meßungenauigkeit nur noch zehn Prozent. Ein Unsicherheitsfaktor zwei bedeutet, daß man nicht wissen kann, ob man einen Fuß hat oder zwei. Ein Meßfehler von zehn Prozent dagegen heißt, daß man sich um eine Zehe streitet.”
Die neuen Daten stützen sich auf die Beobachtung von insgesamt 18 Galaxien in einer Entfernung von bis zu 65 Millionen Lichtjahren. Die Astronomen haben dort fast 800 Cepheiden entdeckt. Das sind alte, regelmäßig pulsierende Riesensterne. Schon Hubble hat sie als kosmische Meterstäbe verwendet. Aus der Pulsationsperiode der Cepheiden läßt sich nämlich ihre absolute Leuchtkraft errechnen. Diese verrät zusammen mit der relativen (scheinbaren) Leuchtkraft, die leicht gemessen werden kann, die Entfernung der Cepheiden und somit der Galaxie, zu der sie gehören. Und daraus können die Astronomen Ho berechnen.
Erst die hohe Empfindlichkeit des Hubble-Weltraumteleskops jenseits der störenden Erdatmosphäre hat es ermöglicht, Cepheiden in so großen Distanzen zu beobachten, daß die irreführenden Gravitationseffekte durch die gegenseitigen Anziehungen der Galaxien gering genug wurden.
Freedman und ihre Kollegen bekommen Rückenwind von Tom Richtler an der Universität Bonn. Sein Team hat Ho mit Hilfe von Supernovae vom Typ Ia bestimmt und ist auf einen Wert von 72 gekommen. Bei einer Unsicherheit von höchstens zehn Prozent steht das in guter Übereinstimmung mit Freedmans Gruppe. Das Ergebnis ist mit dem Alter der ältesten Sterne gerade noch verträglich. Es beträgt den neuesten Berechnungen zufolge elf bis zwölf Milliarden Jahre. Bei einer mittleren Materiedichte von 30 Prozent des Grenzfalls zwischen ewiger Ausdehnung und Zusammensturz des Universums folgt aus Ho = 70 ein Weltalter von etwa zwölf Milliarden Jahren.
Neue Messungen der Veränderung von Ho im Lauf der Zeit, die ebenfalls auf Supernovae vom Typ Ia basieren, bringen noch eine weitere Größe ins Spiel: die schon von Einstein eingeführte Kosmologische Konstante. Die Daten zeigen, daß sie einen positiven Wert hat. Das bedeutet, daß die Ausdehnung des Weltraums niemals aufhört und sich sogar beschleunigt (bild der wissenschaft 6/1999, “Bis in alle Ewigkeit”). Damit ist das Universum noch älter – der Urknall liegt 13 bis 14 Milliarden Jahre zurück.
Rüdiger Vaas
