Hubble-Konstante

Der Hubblekonstante ist der aktuelle Wert des Hubble Parameter $H$ . Es ist die Proportionalitätskonstante, die heute zwischen der Entfernung und der Geschwindigkeit des scheinbaren Rückgangs der Galaxien des beobachtbaren Universums existiert (je weiter eine Galaxie von der Erde entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich von ihr). Sie ermöglicht es, das Hubble-Lemaître-Gesetz , das die Expansion des Universums beschreibt , im Rahmen des kosmologischen Modells des Urknalls zu klären und die aktuelle Expansionsrate des Universums zu bestimmen . $H_0$

Dieser Name wurde zu Ehren des amerikanischen Astronomen Edwin Hubble vergeben , der 1929 dank seiner Beobachtungen am Mount-Wilson-Observatorium als erster die Proportionalität von Entfernungen und Geschwindigkeiten demonstrierte . Einige Jahre zuvor hatten Alexandre Friedmann 1922 und Georges Lemaître 1927 ihrerseits und unabhängig voneinander aus den Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie das theoretische Modell eines expandierenden Universums konstruiert und die Möglichkeit der Existenz einer solchen Proportionalität mathematisch nachgewiesen.

Die Hubble-Konstante wird normalerweise in km / s / Mpc ausgedrückt und liefert somit die Geschwindigkeit einer Galaxie in Kilometern pro Sekunde ( km / s ) als Funktion ihrer Entfernung in Megaparsec (Mpc). Sein Beobachtungswert liegt derzeit bei etwa 70 km / s / Mpc . Dennoch gibt es heute eine große Anzahl unabhängiger Messungen dieses Parameters, die nahe, aber inkompatibel sind, wobei diese Unterschiede bis heute nicht erklärt werden.

Obwohl als "konstant" bezeichnet, variiert dieser kosmologische Parameter als Funktion der Zeit. Es beschreibt daher die Expansionsgeschwindigkeit des Universums zu einem bestimmten Zeitpunkt.

Terminologie

Genau genommen ist zwischen der Hubble-Konstante, dem Hubble-Parameter und der Expansionsrate zu unterscheiden.

Die Hubble-Konstante ist der aktuelle Wert des Hubble-Parameters.

Die Expansionsrate ist der prozentuale Ausdruck des Wertes des Hubble-Parameters.

Bewertung

Die Hubble-Konstante wird normalerweise notiert , wobei der Buchstabe H die Initiale von Edwin Hubbles Patronym ist (der Buchstabe H allein wird in der Physik bereits häufig verwendet, und der Index Null ist vorhanden, um anzuzeigen, dass es sich um den aktuellen Wert der Hubble-Konstante handelt. $H_0$

Abmessungen und Einheiten

Die Dimension der Hubble-Konstanten ist die des Kehrwerts einer Zeit .

Seine SI- Einheit ist die zweite hoch negative (s −1 ).

Es ist jedoch üblich, ihn in Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec (km / s / Mpc oder km⋅s −1 ⋅Mpc −1 ) in der folgenden Form auszudrücken :

H_0 = 100 \, h \, \ mathrm {km \, s ^ ​​​​{- 1} \, Mpc ^ {- 1}}

wo ist die Expansionsrate. $ha$

Interpretation der Hubble-Konstanten

Intuitive Bedeutung

Ein Wert von 70 km / s / Mpc für die Hubble-Konstante bedeutet, dass sich eine Galaxie, die sich 1 Megaparsec (ca. 3,26 Millionen Lichtjahre ) vom Beobachter entfernt befindet, aufgrund der Expansion des Universums entfernt (und damit den Effekt einer bestimmten Bewegung ausschließt) des Objekts, bei sehr großer Entfernung vernachlässigbar) mit einer Geschwindigkeit von ca. 70 km/s . Eine Galaxie, die sich bei 10 Mpc befindet, entfernt sich mit einer Geschwindigkeit von 700 km / s usw.

Eine a priori überraschende Konsequenz des Hubble-Gesetzes ist, dass eine Galaxie, die sich bei mehr als 4000 Mpc (14 Milliarden Lichtjahre) befinden würde, sich mit einer Geschwindigkeit von mehr als der Lichtgeschwindigkeit von uns entfernen würde. Dies deutet lediglich darauf hin, dass die Interpretation in Bezug auf die Bewegung von Galaxien im Raum bei großen Entfernungen unpassend wird. Die allgemeine Relativitätstheorie erklärt, dass wir berücksichtigen müssen, dass wir uns in einer Ausdehnung des Raumes selbst befinden.

Die Unterschiede zwischen den verschiedenen oben angegebenen Werten für die Hubble-Konstante sind bescheiden; aber wenn dieser Unterschied von einer Beschleunigung der Expansion des Universums herrührt und nicht von Annäherungen der Messung, kann er das kosmologische Modell des Werdens des Universums in Frage stellen. Zu den bisherigen Hypothesen von Big Bounce , Big Crunch und Big Chill käme dann die Möglichkeit eines Big Rip hinzu, die bereits der amerikanische Astrophysiker Robert Caldwell in den 1990er Jahren in Betracht zog .

Formalisierung

Die experimentelle Entdeckung der linearen Beziehung zwischen der Rotverschiebung und der Entfernung eines entfernten Objekts, verbunden mit einer a priori linearen Beziehung zwischen der Rezessionsrate und der Rotverschiebung, wird mathematisch wie folgt formalisiert:

{\ Anzeigestil v = H_ {0} \, D}

oder

$v$ ist die Rezessionsgeschwindigkeit, typischerweise in km / s ausgedrückt.
$H_0$ ist die Hubble-Konstante und entspricht dem Wert des Hubble-Parameters zum Zeitpunkt t, ausgedrückt als Funktion des Skalierungsfaktors
$D$ ist die natürliche Distanz (die sich im Gegensatz zur konstanten Bewegungsdistanz als Funktion der Zeit ändern kann ) vom entfernten Objekt zum Beobachter, gemessen in Megaparsec (Mpc) von der Galaxie des Beobachters, im dreidimensionalen Raum, der durch die kosmologische Zeit gegeben. Die Geschwindigkeit der Rezession ist dann einfach . $v$ ${\ Anzeigestil v = dD / dt}$

Messung der Hubble-Konstante

Im XX. Jahrhundert verwendete Werte ändern

Der Wert der Hubble-Konstante wird aus der Messung von zwei Parametern bezüglich entfernter Objekte geschätzt. Erstens gibt die Rotverschiebung ( Rotverschiebung ) an, mit welcher Geschwindigkeit sich entfernte Galaxien von uns entfernen (bei großer Entfernung kann man die Eigenbewegung vernachlässigen). Andererseits messen wir die Entfernung dieser Galaxien. Diese zweite Messung ist schwierig durchzuführen, was große Unsicherheiten bezüglich des Wertes der Hubble-Konstante verursacht.

Früh in der zweiten Hälfte der XX - ten Jahrhundert wurde zwischen 50 und 100 der Wert des Hubble - Konstante geschätzt km / s / Mpc . In den 1990er Jahren ergaben die Annahmen des ΛCDM-Modells dann einen Wert nahe 70 km/s/Mpc .

Zu Beginn des XXI ten Jahrhunderts Methoden, um inkompatible Werte

Stimmen die seit den 2010er Jahren gemachten Beobachtungen in etwa mit einem Wert nahe 70 km/s/Mpc überein , stellen sie dennoch Astrophysiker vor ein Problem.

Bis Ende der 2010er Jahre wurden zwei Hauptmethoden verwendet, um den Wert der Hubble-Konstante experimentell abzuschätzen:

Verwenden von Beobachtungen mit Standardkerzen . Das verwendete Verfahren hat zwei Schritte. Vor allem ermöglichen sehr genaue Messungen des Weltraumteleskops auf Cepheiden die Entfernung vieler Galaxien im Umkreis von 30 Mpc. Da die Cepheiden einfache Sterne sind, können sie nicht in sehr großen Entfernungen beobachtet werden, jedenfalls nicht in Entfernungen, die an eine Messung von angepasst sind . In einem zweiten Schritt werden die bisherigen Daten verwendet, um Messungen von Entfernungen über viel weiter entfernte Galaxien (innerhalb eines Radius von 400 Mpc) zu kalibrieren, die mit verschiedenen Methoden gewonnen wurden: Messung der Supernova- Leuchtkraft , Messung der globalen Leuchtkraft von Spiralgalaxien und in Bezug auf ihrer Rotationsgeschwindigkeit ( Tully-Fisher-Gesetz ) oder sogar Messung der Gesamtleuchtkraft elliptischer Galaxien und in Bezug auf ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit (Nutzung der Fundamentalebene zur Entfernungsmessung). $H_0$
Durch Beobachtung diffuser kosmologischer Strahlung im Rahmen des ΛCDM-Modells . Wir verlassen uns dann auf Beobachtungsprogramme, die die Hauptparameter des letztgenannten Modells schätzen sollen, wie zum Beispiel WMAP oder das Planck-Weltraumteleskop.

Die genauesten Werte für die Hubble-Konstante, die mit der ersten Methode erhalten wurden, konvergieren um 73 km / s / Mpc, während die beim zweiten Ansatz verwendeten 67 km / s / Mpc. Der Unterschied ist dann signifikant (je nach Studien in der Größenordnung von drei bis fünf Standardabweichungen ). Während die Genauigkeit der ersten Art der Messung innerhalb von fünf Jahren auf 1 % reduziert werden sollte, gibt es keinen Hinweis darauf, dass zusätzliche Beobachtungen die Meinungsverschiedenheiten mit der zweiten Art der Messung signifikant verringern können. Da Studien diesen Unterschied bestätigen, wird die Wahrscheinlichkeit von Verzerrungen bei Distanzmessungen immer geringer.

Andere Messmethoden befeuerten die Forschung Ende der 2010er Jahre:

Die Verwendung von Gravitationswellen, die von LIGO und Virgo detektiert wurden , mit einer erwarteten Genauigkeit von 2 % bis 2025 (und 1 % bis 2030). Im Jahr 2019 erlaubt es die Genauigkeit dieser Methode nicht, sich zugunsten des einen oder anderen der Referenzwerte für die Hubble-Konstante zu neigen.
Die Verwendung von zeitlichen Variationen zwischen mehreren Bildern (durch Gravitationslinsen ) von massiven Objekten, eine Methode, die insbesondere von der internationalen Kollaboration H0LiCOW ( H0 Lenses in COSMOGRAIL's Wellspring ) verwendet wird und deren Ergebnisse mit der Standardkerzenmethode kompatibel sind.

Im Jahr 2019 kennen wir die Gründe für diese Inkompatibilität nicht definitiv. Während des Kosmologie-Kongresses im Juli 2019 in Santa Barbara (Kalifornien) präsentieren Astrophysiker mehrere Messungen der Expansionsrate des Universums zwischen 69,8 und 76,5 km / s / Mpc , bei ± 2 km / s / Mpc in der Nähe, eine Diskrepanz qualifiziert von den meisten Teilnehmern als "Problem" oder "Anspannung" bezeichnet . Mehrere Veröffentlichungen fordern insbesondere eine erneute Überprüfung des ΛCDM-Modells , um dieses Problem zu lösen.

Aktuelle Messungen der Hubble-Konstante (bei mehreren Veröffentlichungen wird nur die letzte zitiert)

Datiert	Hubble-Konstantenwert (in km / s / Mpc)	Mannschaft	Hinweis / Methodik
06.11.2019	73,3+1,7 -1,8	H0LiCOW	Beobachtung zeitlicher Variationen zwischen mehreren Bildern (durch Gravitationslinsen ) von sechs Quasaren .
14.10.2019	74,2+2,7 -3	SCHRITTE	Modellierung der Massenverteilung und Zeitverzögerungen des DES J0408-5354 Quasars über eine Gravitationslinse.
13.09.2019	82,4 ± 8,4		Kalibrierung von Entfernungen anhand von Geisterbildern eines Quasars aufgrund eines Gravitationslinseneffekts .
07.08.2019	70,3+5,3 -5	LIGO- und VIRGO- Detektoren	Analyse von Gravitationswellen und zugehörigen Radiowellen, insbesondere GW170817 .
26.03.2019	74,03 ± 1,42	Hubble-Weltraumteleskop / SHoES	Beobachtung der Cepheiden der Großen Magellanschen Wolke (nach ihrer genauen Kalibrierung) durch das Hubble- Weltraumteleskop .
11.09.2020	67,4 ± 0,5	PLANCK 2018	Analyse kosmischer diffuser Hintergrundbeobachtungen des Planck-Satelliten ( veröffentlicht am 11. September 2020 ).
20.12.2012	69,32 ± 0,8	WMAP	Analyse von Daten von WMAP zum kosmischen diffusen Hintergrund kombiniert mit anderen kosmologischen Daten in einer vereinfachten Version des ΛCDM-Modells.
August 2006	76,9+10,7 -8,7	Chandra	Beobachtung im Bereich der Röntgenstrahlen.
Mai 2001	72 ± 8	Hubble-Weltraumteleskop	Analyse im optischen Bereich mit handelsüblichen Kerzen .

Hinweise und Referenzen

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