Die kosmische Entfernungsleiter

Jede Sprosse der Leiter eicht die nächste — und ausgerechnet ihr oberes und ihr unteres Ende wollen seit den 2010er Jahren nicht mehr übereinstimmen.

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Der Beitrag

1908 untersuchte Henrietta Swan Leavitt — gehörlose amerikanische Astronomin am Harvard College Observatory, eine der Harvard Computers — eine Klasse pulsierender Sterne in der Kleinen Magellanschen Wolke: Cepheiden, deren Helligkeit in einem gleichmäßigen, uhrwerkartigen Takt an- und abschwillt. Ihr fiel auf, dass die helleren länger für einen Zyklus brauchten. Da alle Sterne dieser Wolke ungefähr gleich weit von der Erde entfernt stehen, ließ sich daran, wie hell ein Stern aussah, gut ablesen, wie hell er in Wirklichkeit war. Damit hatte Leavitt die Perioden-Leuchtkraft-Beziehung in der Hand: Wer den Takt eines Cepheiden misst, kennt seine wahre Helligkeit — und wer die wahre Helligkeit kennt, liest aus der scheinbaren Schwäche die Entfernung ab. Ihr 1912 veröffentlichtes Gesetz machte aus der Astronomie, die bis dahin vor allem katalogisierte, eine quantitative Kosmologie. Zu Lebzeiten wurde Leavitt dafür so gut wie nicht gewürdigt.

Jede Sprosse der Leiter wird an der darunterliegenden geeicht. Darin liegt ihre Kraft und zugleich ihre Gefahr: Ein Fehler ganz unten pflanzt sich bis nach oben fort und verschiebt am Ende den Wert der Hubble-Konstante. Unten steht die Parallaxe, die winzige Hin-und-Her-Verschiebung eines nahen Sterns vor dem Hintergrund, während die Erde von einer Seite ihrer Bahn zur anderen wandert — reine Geometrie, ohne jede Annahme, und die Festlegung der kosmischen Grundeinheit, des Parsec (rund 3,26 Lichtjahre). Die Raumsonde Gaia hat die Parallaxen von fast anderthalb Milliarden Sternen mit außergewöhnlicher Genauigkeit vermessen. Eine Sprosse höher folgen die Cepheiden: Leavitts Gesetz übersetzt ihre Pulsationsperiode in eine wahre Helligkeit, und Hubble wie JWST können sie noch in Galaxien einzeln herausgreifen, die einige zehn Millionen Lichtjahre entfernt sind. Wo Einzelsterne nicht mehr reichen, übernehmen die Supernovae vom Typ Ia — die thermonukleare Explosion eines Weißen Zwergs, jener dichten, erdgroßen Glut, die ein sonnenähnlicher Stern bei seinem Tod hinterlässt, sobald sie die Chandrasekhar-Grenze überschreitet, die Obergrenze von rund 1,4 Sonnenmassen, über der sich eine solche Glut nicht mehr selbst tragen kann. Alle diese Explosionen erreichen nahezu dieselbe wahre Helligkeit; damit ist jede von ihnen eine Standardkerze — ein Objekt bekannter Leuchtkraft, dessen scheinbare Schwäche die Entfernung verrät — und sichtbar quer durch einen Großteil des beobachtbaren Universums. Genau diese Supernovae waren es, die Perlmutter, Riess und Schmidt 1998 schwächer als erwartet vorfanden und an denen sich die Dunkle Energie zeigte. Auf der obersten Sprosse macht das Hubble-Gesetz aus der Rotverschiebung einer Galaxie — der Dehnung ihres Lichts ins Rote, während die kosmische Expansion sie forttreibt — eine Entfernung. Nur widersprechen sich die beiden Enden der Leiter heute: Aus nahen Cepheiden und Supernovae aufgebaute Entfernungen ergeben eine schnellere Expansion als der Wert, den man aus dem Nachglühen des frühen Universums erschließt. Dieses Patt, die Hubble-Spannung, ist die zentrale offene Frage der beobachtenden Kosmologie der 2020er Jahre.

Warum jetztDie Datenveröffentlichung von Gaia aus dem Jahr 2022 brachte die genauesten Sternparallaxen, die je gewonnen wurden, und machte das untere Ende der Leiter fester. JWST dehnt die Cepheiden-Messungen inzwischen auf Galaxien aus, an die Hubble nicht herankam; ein Ergebnis aus dem Team von Adam Riess bestätigte 2024 diese Cepheiden-Entfernungen und hielt damit der Vermutung entgegen, die Hubble-Spannung sei nur ein Messfehler, der in der Cepheiden-Sprosse steckt. Ebenfalls 2024 zeigten die ersten Resultate der Durchmusterung DESI, die die regelmäßigen Abstände in der Galaxienverteilung (baryonische akustische Oszillationen) mit Supernova-Daten zusammenbringt, eine leichte Bevorzugung einer Dunklen Energie, die sich mit der Zeit ändert, statt konstant zu bleiben — eine womöglich weitreichende Wende, die die folgenden Datenveröffentlichungen weiter prüfen. Und Gravitationswellenereignisse wie die Neutronenstern-Verschmelzung von 2017 wirken als Standardsirenen: Ihre Entfernung lässt sich direkt aus der Welle ablesen, ganz ohne die Leiter, und liefert damit eine völlig unabhängige Kontrolle, die den Streit am Ende schlichten könnte. Die Entfernungsleiter bildet die Grundlage vieler Messungen der jüngeren kosmischen Expansionsrate. Andere kosmologische Größen beruhen jedoch auf anderen Beobachtungen und Kalibrierungen.