Das expandierende Universum

Hubbles Deep Field von 1995 erfasste einen Himmelsausschnitt mit etwa 1/13 der Breite des Vollmonds und zeigte darin ungefähr 3000 Galaxien.

Galaxien entfernen sich voneinander

Zerlegt man das Licht einer Galaxie in ein Spektrum, erkennt man die vertrauten dunklen Linien von Wasserstoff, Calcium und anderen Elementen. Bei fast jeder Galaxie sind sie jedoch zum roten Ende hin verschoben. Diese Rotverschiebung bedeutet, dass sich die Galaxie von uns entfernt. Wie die NASA erklärt, verknüpfte Hubble die mithilfe von Cepheiden gemessenen Galaxienentfernungen mit diesen Rotverschiebungen. Er stellte fest, dass die Verschiebung proportional zur Entfernung zunimmt: Eine doppelt so weit entfernte Galaxie entfernt sich doppelt so schnell. Zwei Jahre vor Hubbles Veröffentlichung hatte der belgische Physiker Georges Lemaître bereits die Beobachtungen von Hubble und Vesto Slipher ausgewertet und daraus geschlossen, dass sich das Universum ausdehnt. Heute heißt dieser Zusammenhang Hubble-Lemaître-Gesetz.

Als Formel lautet der Zusammenhang: Geschwindigkeit = H₀ × Entfernung. H₀, die Hubble-Konstante, wird in Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec angegeben. Ein Megaparsec entspricht 3.26 Millionen Lichtjahren. Bei H₀ = 70 entfernt sich eine Galaxie in 100 Megaparsec Entfernung mit etwa 7000 km/s. Dabei fliegen die Galaxien nicht durch den Raum speziell von uns weg. Der Raum selbst dehnt sich aus. Deshalb sieht jede Galaxie die anderen zurückweichen, so wie sich Rosinen in einem aufgehenden Teig voneinander entfernen. Nahe Galaxien können von diesem Trend abweichen: Andromeda ist durch die Schwerkraft an uns gebunden und nähert sich uns.

Die Hubble-Spannung

Rechnet man die Ausdehnung zurück, erhält man ein Alter für das Universum. Eins geteilt durch H₀ hat die Einheit einer Zeit. Für H₀ = 70 ergibt sich etwa 14 Milliarden Jahre, nahe den 13.8 Milliarden Jahren, die die NASA aus sorgfältigen Modellrechnungen angibt. Doch zwei Gruppen von Messverfahren widersprechen sich. Passt man Modelle an das Muster der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung an, das der Planck-Satellit der ESA gemessen hat, erhält man 67.4 ± 0.5 km/s pro Megaparsec. Direkte Entfernungsmessungen mit Cepheiden und Supernovae vom Typ Ia mithilfe von Hubble ergeben dagegen etwa 73. Die Lücke beträgt ungefähr 8% und ist damit deutlich größer als die angegebenen Unsicherheiten beider Teams. Auch mit besseren Daten ist sie nicht verschwunden. Astronomen nennen sie Hubble-Spannung. Sie könnte auf Physik hinweisen, die wir noch nicht verstehen.

Wie viele Galaxien gibt es?

2016 nutzte ein Team um Christopher Conselice Hubble und weitere Himmelsdurchmusterungen sowie Modelle für Galaxien, die zu lichtschwach für eine Beobachtung sind. Das Ergebnis: Es gibt mindestens 10-mal so viele, etwa 2 Billionen Galaxien, die im beobachtbaren Universum existieren oder existiert haben. Die meisten waren klein und verschmolzen schon vor langer Zeit zu größeren Galaxien. Eine Studie von 2021 nutzte die NASA-Raumsonde New Horizons fern vom blendenden Sonnenlicht, um zu messen, wie dunkel der Weltraum tatsächlich ist. Später korrigierte die NASA ihre Mitteilung: Die Messungen grenzen die gesamte Lichtmenge aus Galaxien ein, nicht deren Anzahl. Eine ehrliche Zusammenfassung lautet daher: Die Zahl liegt irgendwo zwischen Hunderten von Milliarden und etwa zwei Billionen, je nachdem, wie lichtschwache Galaxien mitgezählt werden.