Roman startet Samstag — eine Milliarde Galaxien, das Rätsel der dunklen Energie

Das Roman Space Telescope startet am Samstag mitten in das größte offene Messproblem der Kosmologie: Zwei unabhängige Methoden zur Bestimmung der Geschwindigkeit der kosmischen Expansion weichen um acht Prozent voneinander ab. Misst man den kosmischen Mikrowellenhintergrund – das Licht aus der Zeit 380.000 Jahre nach dem Urknall –, ergibt sich eine Expansionsrate von etwa 67 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec. Misst man dagegen Cepheiden-Sterne und Supernovae vom Typ Ia in unserer kosmischen Nachbarschaft, erhält man etwa 73. Die Diskrepanz beträgt vier bis sechs Standardabweichungen. In der Physik ist das kein Rundungsfehler. Es ist ein Signal dafür, dass im Standardmodell etwas nicht stimmt.

Das Nancy Grace Roman Space Telescope, das um 7:26 Uhr Eastern Time vom Kennedy Space Center an Bord einer SpaceX Falcon Heavy abhebt, ist das leistungsfähigste Instrument, das je entwickelt wurde, um dieser Frage nachzugehen. Mit einem 2,4-Meter-Spiegel – dem gleichen Durchmesser wie Hubble – und einer 300-Megapixel-Nahinfrarotkamera, die einen 200-mal größeren Himmelsausschnitt erfasst als Hubbles Sichtfeld, kann Roman die großflächigen Karten der Galaxienverteilung erstellen, die die aktuelle Spannung erfordert.

Die Beweise, die das Standardmodell erschütterten

Dunkle Energie wurde 1998 identifiziert, als zwei unabhängige Teams, die die Entfernungen und Fluchtgeschwindigkeiten von Supernovae des Typs Ia maßen, feststellten, dass sich ferne Galaxien schneller voneinander entfernten, als es eine durch die Schwerkraft abgebremste Expansion erlauben würde. Die Beobachtung brachte 2011 den Nobelpreis ein und führte einen Term – die kosmologische Konstante Λ – in das Standardmodell der Kosmologie ein. Λ besagt, dass Dunkle Energie sowohl in ihrer Dichte als auch in ihrem Wesen konstant ist, eine feste Eigenschaft des Raums selbst.

LeseempfehlungDESI suchte dunkle Energie — und stellte dabei das Standardmodell infrage.

Zwei neuere Erkenntnisse haben dieses Bild verkompliziert. Das Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) veröffentlichte Ergebnisse, die zeigen, dass baryonische akustische Oszillationen – periodische Dichtemuster, die seit 380.000 Jahren nach dem Urknall im kosmischen Netz eingefroren sind – die Daten besser erklären, wenn sich die Stärke der Dunklen Energie im Laufe der Zeit verändert hat. Der Befund beweist keine Veränderung; er ist ein Hinweis, und die statistische Grundlage ist noch nicht abschließend. Dennoch ist es die bedeutendste empirische Herausforderung für Λ seit dem Nobelpreis.

Die Hubble-Spannung fügt einen zweiten Druckpunkt hinzu. Wenn das Standardmodell korrekt ist, sollten sowohl die Messungen des frühen Universums als auch die lokalen Messungen auf die gleiche Expansionsrate hinauslaufen. Tun sie nicht. Die jüngste Analyse mit JWST-kalibrierten Cepheiden bestätigt den lokalen Wert nahe 73 km/s/Mpc. Der aus dem CMB abgeleitete Wert bleibt nahe 67. Die Diskrepanz ist mit mehr Daten nicht geschrumpft – sie ist gewachsen.

Was Roman messen wird – und wie

Roman wird das Problem der Dunklen Energie über drei unabhängige Kanäle angehen.

Der erste sind Supernovae vom Typ Ia, die als standardisierbare Entfernungsmarker dienen: Jede erreicht eine vorhersagbare Spitzenhelligkeit, die verrät, wie weit sie entfernt ist. Der Vergleich von Entfernung und Rotverschiebung – wie stark das Licht einer Galaxie durch die Expansion des Universums gedehnt wurde – ergibt die Expansionsrate zu jener kosmischen Epoche. Roman wird voraussichtlich Tausende von Supernovae pro Jahr über einen viel größeren Rotverschiebungsbereich entdecken als bodengebundene Durchmusterungen und die Beschleunigungsgeschichte des Universums mit einer Präzision kartieren, die aktuelle Instrumente nicht erreichen können.

Der zweite Kanal sind baryonische akustische Oszillationen. Diese Schallwellen aus dem frühen Universum hinterließen einen charakteristischen Maßstab, der in der Art und Weise eingeprägt ist, wie Galaxien clusterförmig angeordnet sind – eine statistische Bevorzugung von Galaxienpaaren, die etwa 490 Millionen Lichtjahre voneinander entfernt sind. Dieser Maßstab fungiert als „Standardlineal“: Misst man, wie groß er bei verschiedenen Rotverschiebungen erscheint, lässt sich die Expansionsgeschichte des Universums für jede kosmische Epoche rekonstruieren. Romans Weitfeldbildgebung wird Millionen von Galaxien kartieren und eine statistische Aussagekraft liefern, die aktuelle Durchmusterungen nicht erreichen.

Der dritte ist die schwache Gravitationslinsenwirkung: die leichte Verzerrung der Formen von Hintergrundgalaxien durch die Masse der Vordergrundstruktur. Linsenwirkung zeigt, wie sich Materie im Laufe der Zeit verklumpt hat, was sowohl von der Dichte der Dunklen Materie als auch vom Verhalten der Dunklen Energie abhängt. In Kombination mit den Supernova- und BAO-Daten bietet die Linsenwirkung eine Gegenprobe, die isolieren kann, ob eine Diskrepanz in der Expansionsgeschichte real oder instrumentell bedingt ist.

Im Vergleich zu dem, was vorher kam

Hubbles Infrarotkamera deckt pro Belichtung etwa zehn Quadratbogenminuten ab. Roman deckt etwa 0,28 Quadratgrad ab – grob das Hundertfache der Fläche bei vergleichbarer Auflösung und Tiefe. Sein Weitfeldinstrument wird Himmelsausschnitte sehen, für die Hubble Jahre bräuchte, in Wochen. JWST bietet außergewöhnliche Tiefe, aber ein ähnliches Sichtfeld wie Hubble; JWST ist das Mikroskop, Roman ist das Weitwinkelobjektiv. ESAs Euclid, 2023 gestartet und bereits mit der Datenauslieferung, deckt ein größeres Feld ab als Roman, jedoch bei geringerer räumlicher Auflösung und Tiefe; beide Missionen werden sich voraussichtlich ergänzen.

Der Größenunterschied ist das Kernargument der Mission. Um die Eigenschaften der Dunklen Energie mit der erforderlichen Präzision zu messen, um eine echte kosmologische Konstante von einer sich entwickelnden zu unterscheiden, braucht man statistische Stichproben von Millionen von Objekten. Die Hubble-Spannung lässt sich nicht mit kleinen Durchmusterungen auflösen – sie erfordert eine Volkszählung.

Was Roman nicht klären wird

Romans Messungen werden die Einschränkungen für die Dunkle Energie erheblich verschärfen, aber sie werden nicht jede damit verbundene Frage beantworten. Das Instrument kann Dunkle Energie nicht direkt nachweisen – es misst ihre Auswirkungen auf beobachtbare Größen, und diese Messungen tragen ihre eigenen systematischen Unsicherheiten in sich. Die Kalibrierung von Supernovae des Typs Ia hängt beispielsweise von Cepheiden-Entfernungsmessungen ab, die wiederum davon abhängen, wie die Pulsationseigenschaften dieser Sterne durch ihre chemische Umgebung beeinflusst werden. Genau in dieser Kalibrierungskette liegt derzeit die Hubble-Spannung.

Sollten Romans Daten die H0-Lücke verkleinern – lokale und frühe Universumsmessungen näher zusammenbringen –, würde dies darauf hindeuten, dass die Spannung auf nicht berücksichtigte systematische Fehler in früheren Messungen zurückzuführen ist. Sollte die Lücke nach Romans verbesserter Kalibrierung bestehen bleiben oder sich sogar vergrößern, wäre das ein starkes Indiz dafür, dass das Standardmodell tatsächlich unvollständig ist. Dieses Ergebnis wäre das folgenreichere, würde aber nicht selbst benennen, was falsch ist – nur bestätigen, dass etwas falsch ist.

Jason Rhodes, ein Kosmologe am Jet Propulsion Laboratory der NASA, der an der Mission beteiligt ist, beschrieb die aktuelle Lage nüchtern: „Wir beginnen, Spannungen zwischen Messungen des frühen Universums und Messungen des späten Universums zu sehen.“ Roman wurde speziell dafür entwickelt, diese Spannungen entweder verschwinden zu lassen oder zu einer bestätigten Anomalie zu verhärten.

Die Inbetriebnahme dauert etwa 90 bis 100 Tage nach dem Start; der wissenschaftliche Betrieb soll Anfang 2027 beginnen. Das Teleskop wird am L2-Lagrange-Punkt operieren, etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, wo bereits JWST kreist. Die primäre Mission erstreckt sich über fünf Jahre.

Häufige Fragen zum Roman-Teleskop und zur Dunklen Energie

Was genau ist Dunkle Energie?
Dunkle Energie ist der Name für die unbekannte Ursache der beschleunigten Expansion des Universums. Sie macht nach aktuellen Schätzungen etwa 68 Prozent des gesamten Energieinhalts des Universums aus, aber ihre physikalische Natur bleibt unbekannt. Das einfachste Modell behandelt sie als konstante Energiedichte, die dem leeren Raum innewohnt. Komplexere Modelle erlauben ihr, sich im Laufe der Zeit zu verändern oder sich in ihrem Wesen von der kosmologischen Konstante zu unterscheiden. Roman wurde entwickelt, um zwischen diesen Möglichkeiten zu unterscheiden.

Was ist die Hubble-Spannung?
Die Hubble-Konstante (H0) misst, wie schnell sich das Universum derzeit ausdehnt. Zwei große Kategorien von Messungen – eine, die den kosmischen Mikrowellenhintergrund als Ausgangspunkt nimmt, die andere, die nahe Standardkerzen wie Cepheiden-Sterne und Supernovae verwendet – ergeben konsistent unterschiedliche Werte, nahe 67 bzw. 73 km/s/Mpc. Die Diskrepanz ist statistisch so signifikant, dass sie nicht plausibel durch Zufall erklärt werden kann, aber ihre Ursache ist ungeklärt.

Wie unterscheidet sich Roman vom James-Webb-Weltraumteleskop?
JWST ist für tiefe, schmalwinklige Beobachtungen einzelner Objekte mit außergewöhnlicher Empfindlichkeit optimiert. Roman hat die gleiche Spiegelgröße wie Hubble, aber ein 100- bis 200-mal größeres Sichtfeld; es tauscht Tiefe gegen Breite. Die beiden Teleskope sind für die Zusammenarbeit konzipiert: Roman findet und kartiert im großen Maßstab, JWST verfolgt spezifische Ziele im Detail.

Warum ist Dunkle Energie über die Kosmologie hinaus wichtig?
Dunkle Energie bestimmt das langfristige Schicksal des Universums. Ist sie wirklich konstant, wird sich das Universum unbegrenzt weiter beschleunigen und Galaxien schließlich außerhalb der Reichweite des Lichts der jeweils anderen bringen. Wenn sich Dunkle Energie im Laufe der Zeit verändert – oder umkehrt –, ändert sich die Flugbahn. Romans Messungen werden eingrenzen, welches dieser Szenarien physikalisch plausibel ist.

Sollte die Hubble-Spannung Romans Prüfung überstehen, wird die Kosmologie ein neues Modell benötigen – eines, das erklären kann, warum die frühesten und die jüngsten Signaturen der Expansion des Universums nicht mehr übereinstimmen.

Schlagwörter: nasa, cosmology, Dark Matter, dark energy, Hubble tension, Nancy Grace Roman Space Telescope

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