Hubble-Lemaître-Gesetz & Hubble-Konstante: Expansion des Universums erklärt

Hubble-Lemaître-Gesetz & Hubble-Konstante: Verständliche Erklärung der Universumsexpansion, Rotverschiebung, Messmethoden und Bedeutung fürs Urknallmodell

Hubble's Gesetz oder Hubble-Lemaître's Gesetz ist die Bezeichnung für die Beobachtung, dass:

1. Alle im tiefen Weltraum beobachteten Objekte haben eine Dopplerverschiebung - gemessene Geschwindigkeit relativ zur Erde und zueinander;
2. Die durch Doppler-Verschiebung gemessene Geschwindigkeit von Galaxien, die sich von der Erde entfernen, ist proportional zu ihrer Entfernung von der Erde und allen anderen interstellaren Körpern.

Tatsächlich dehnt sich das Raum-Zeit-Volumen des beobachtbaren Universums aus, und das Hubble'sche Gesetz ist die direkte physikalische Beobachtung dessen. Es ist die Grundlage für den Glauben an die Expansion des Universums und ein oft zitierter Beweis zur Unterstützung des Urknallmodells.

Obwohl das Gesetz weitgehend Edwin Hubble zugeschrieben wird, wurde es von Georges Lemaître in einem Artikel von 1927 erstmals aus den Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie abgeleitet. Dort schlug er vor, dass das Universum expandiert, und schlug einen Wert für die Expansionsrate vor, der jetzt als Hubble-Konstante bezeichnet wird. Zwei Jahre später bestätigte Edwin Hubble die Existenz dieses Gesetzes und bestimmte einen genaueren Wert für die Konstante, die jetzt seinen Namen trägt. Die Rückzugsgeschwindigkeit der Objekte wurde aus ihren Rotverschiebungen abgeleitet, von denen viele bereits 1917 von Vesto Slipher gemessen und von ihm mit der Geschwindigkeit in Beziehung gesetzt wurden.

Das Gesetz wird oft durch die Gleichung v = H0D ausgedrückt, wobei H0 die Proportionalitätskonstante (die Hubble-Konstante) zwischen der "richtigen Entfernung" D zu einer Galaxie und ihrer Geschwindigkeit v ist (siehe Verwendung der richtigen Entfernung). H0 wird normalerweise in (km/s)/Mpc angegeben, was die Geschwindigkeit einer 1 Megaparsec (3,09×1019 km) entfernten Galaxie in km/s angibt. Der Kehrwert von H0 ist die Hubble-Zeit.

Eine aktuelle Schätzung der Hubble-Konstante aus dem Jahr 2011, bei der eine neue Infrarotkamera des Hubble-Weltraumteleskops (HST) verwendet wurde, um die Entfernung und Rotverschiebung für eine Sammlung astronomischer Objekte zu messen, ergibt einen Wert von H0 = 73,8 ± 2,4 (km/s)/Mpc. Ein alternativer Ansatz unter Verwendung von Daten aus galaktischen Haufen ergab einen Wert von H0 = 67,0 ± 3,2 (km/s)/Mpc.

Es wurde eine Reihe anderer Methoden verwendet, die Zahlen zwischen 70 und 72 (km/s)/Mpc ergaben. Eine neuere Methode (2016), die das älteste Licht im Universum verwendet, legt nahe, dass der Wert der Hubble-Konstanten kurz nach Beginn der Expansion 66,53 km/s pro Megaparsec betrug. Dies impliziert, dass die Expansionsrate zugenommen hat.

Was bedeutet das physikalisch?

Wichtig ist, dass die Rotverschiebung der Galaxien in diesem Kontext meist nicht als klassische Doppler-Verschiebung durch Bewegung durch den Raum zu verstehen ist, sondern als Folge der kosmologischen Rotverschiebung infolge der Ausdehnung des Raums selbst. Bei großen Entfernungen ist die einfache Formel v = H0 D nur eine Näherung für kleine Rotverschiebungen (z ≪ 1). Für hohe Rotverschiebungen muss man das vollständige FLRW-Metrik-Modell der Kosmologie verwenden und die Abhängigkeit der Skalenfaktor-Zeit a(t) berücksichtigen. Das heißt: Die Hubble-Konstante H0 ist der heutige Wert der zeitabhängigen Hubble-Parameterfunktion H(t), die mit der Entwicklung der Dichtekomponenten des Universums (Materie, Strahlung, Dunkle Energie) variiert.

Maßeinheiten und kosmologische Kennwerte

Die gebräuchliche Einheit (km/s)/Mpc lässt sich in die SI-Einheit s⁻¹ umrechnen. Ein typischer Wert von etwa 70 (km/s)/Mpc entspricht ungefähr 2,3×10⁻¹⁸ s⁻¹. Der Kehrwert dieser Zahl, die Hubble-Zeit, liegt dann bei knapp 14 Milliarden Jahren und gibt eine grobe Skala für das Alter des Universums. Die Hubble-Radius c/H0 (auch Hubble-Länge) liegt bei einigen Gigaparsec und gibt eine Längenordnung an, bei der die kosmologische Expansion mit Lichtgeschwindigkeit zusammenhängt.

Messmethoden zur Bestimmung von H0

• Entfernungslatte (klassische Methode): Cepheiden, die Leuchtkraft von Supernovae Typ Ia als „Standardkerzen“ und andere Zwischenschritte, um Entfernungen im Universum zu kalibrieren (z. B. TRGB – Tip of the Red Giant Branch).
• Direkte geometrische Methoden: Wasser-Megamaser in rotierenden Scheiben um supermassereiche Schwarze Löcher liefern direkte Entfernungen ohne lange Kette von Kalibrierungen.
• Kosmische Hintergrundstrahlung (CMB): Beobachtungen der Anisotropien (z. B. durch die Planck-Sonde) liefern, im Rahmen eines Kosmologiemodells, eine indirekte Bestimmung von H0 aus frühen Universumsparametern.
• Baryonische akustische Oszillationen (BAO) und großräumige Strukturmessungen geben zusätzliche Entfernungsmaßstäbe und kombinieren sich mit anderen Daten zur Bestimmung von H0.
• Gravitationswellen-“Standard Sirens“: Ereignisse wie Kollisionen von Neutronensternen erlauben eine unabhängige Entfernungsmessung (erste Messungen sind bereits möglich, die Präzision steigt mit weiteren Ereignissen).
• Zeitverzögerung bei Gravitationslinsen: Aus der Messung von Lichtlaufzeit-Unterschieden mehrerer Bilder einer gelinsenen Quelle lässt sich H0 ableiten.

Aktueller Stand und die sogenannte „Hubble-Spannung“

In den letzten Jahren hat sich ein Konflikt zwischen zwei Gruppen von Messungen herauskristallisiert: lokale Bestimmungen (Entfernungslatte, Supernovae, Cepheiden — z. B. das SH0ES-Team um Adam Riess) finden Werte um ~73–74 (km/s)/Mpc, während indirekte Bestimmungen aus dem frühen Universum (vor allem die CMB-Messungen der Planck-Mission) Werte um ~67–68 (km/s)/Mpc ergeben. Diese Differenz ist statistisch signifikant geworden und wird als Hubble-Spannung bezeichnet. Mögliche Erklärungen reichen von noch nicht verstandenen systematischen Fehlern in den Messverfahren bis zu neuen physikalischen Effekten (z. B. frühe Dunkle Energie, veränderte Neutrinoeigenschaften oder andere Modifikationen des kosmologischen Modells).

Bedeutung für Kosmologie und Alltag

Die genaue Kenntnis der Hubble-Konstanten ist zentral für die Bestimmung des Alters, der Größe und der Entwicklung des Universums sowie für das Verständnis der Zusammensetzung (Anteil von Materie, Strahlung und Dunkler Energie). Obwohl die Expansion auf großen Skalen dominiert, bleiben lokal gebundene Systeme (Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen) von der Expansion unbeeinflusst, weil lokale Gravitations- oder Bindungskräfte sie zusammenhalten.

Historische Anmerkungen

Kurz zusammengefasst: Vesto Slipher maß frühzeitig Rotverschiebungen entfernter Nebel (heute Galaxien), Georges Lemaître lieferte 1927 die theoretische Grundlage aus der Allgemeinen Relativitätstheorie und schätzte eine Expansionsrate, und Edwin Hubble präsentierte 1929 die empirische Beziehung zwischen Abstand und Rotverschiebung für eine Reihe von Galaxien. Seitdem wurde die Präzision der Messungen stetig verbessert, doch einige Fragen — insbesondere die Hubble-Spannung — bleiben offen und treiben die Forschung an.

Fazit: Das Hubble–Lemaître–Gesetz ist ein zentrales, wohlbegründetes Ergebnis der modernen Kosmologie, das die Expansion des Universums beschreibt. Die genaue Bestimmung des Zahlenwertes H0 ist jedoch weiterhin Gegenstand aktiver Forschung und liefert Hinweise auf mögliche neue Physik jenseits des Standardmodells der Kosmologie.

Fragen und Antworten

F: Was ist das Hubble'sche Gesetz?

F: Wer hat dieses Gesetz zuerst abgeleitet?

F: Wer hat seine Existenz bestätigt?

F: Wie wurde die Rezessionsgeschwindigkeit gemessen?

F: Welche Gleichung drückt dieses Gesetz aus?

F: In welcher Einheit wird H0 normalerweise angegeben?

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