Wissenschaftler ermitteln die genaueste Messung der Expansion des Universums: die Hubble-Konstante

Das Institut für Weltraumwissenschaften ist an der Arbeit der H0-Distance-Network-Kollaboration beteiligt, deren Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht wurden. Die Ergebnisse zeigen mit einer Genauigkeit von etwa 1 Prozent, dass sich das Universum mit einer Geschwindigkeit von 73,5 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec Entfernung ausdehnt, das heißt pro 3,26 Millionen Lichtjahre.

Die Hubble-Konstante bestimmt die Expansionsrate des Universums auf der Grundlage einer linearen Beziehung zwischen der Geschwindigkeit, mit der sich Galaxien von uns entfernen, und ihrer Entfernung: je größer die Entfernung einer Galaxie ist, desto schneller scheint sie sich zu entfernen. Seit fast einem Jahrhundert nutzt die Astronomie die sogenannte kosmische Entfernungsleiter, um diese Konstante zu messen, wobei immer weiter entfernte kosmische Objekte durch eine Abfolge miteinander verbundener Schritte kalibriert werden.

Diese Methode hat enorme Fortschritte gebracht, bedeutet aber auch, dass sich Unsicherheiten entlang der Kette ausbreiten können, ohne dass dabei der Vorteil einer Risikostreuung oder Lastenteilung zum Tragen kommt. Aus diesem Grund hat die H0-Distance-Network-Kooperation einen umfassenderen mathematischen Rahmen gewählt und einen einzelnen Messpfad durch ein lokales Distanznetzwerk ersetzt, das zahlreiche Distanzindikatoren gleichzeitig miteinander verknüpft.

Die Forschungsgruppe hat ermittelt, dass der Wert der Hubble-Konstante bei 73,5 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec Entfernung liegt, mit einer Fehlermarge von plus/minus 0,81 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec und somit mit einer Genauigkeit von nahezu 1 Prozent. Das bedeutet, dass eine Galaxie, die sich in einer Entfernung von einem Megaparsec von der Erde befindet – das sind etwa 3,26 Millionen Lichtjahre –, sich mit einer Geschwindigkeit von 73,5 Kilometern pro Sekunde von uns wegbewegt. Diese neue Messung verfeinert frühere Schätzungen, die je nach verwendeter Methode den Wert zwischen 67 und 73 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec angaben.

„Das wirklich Neue daran ist, dass sich ein großer Teil der Forschungsgemeinschaft eine Woche lang in Bern eingeschlossen hat, um jedes Detail der einzelnen Messmethoden zu erörtern und sich darauf zu einigen, wie man sie alle kombinieren kann, um die Statistiken zu verbessern und möglichst präzise Messergebnisse zu erzielen,“, sagt Lluís Galbany, Forscher am ICE-CSIC und am Institut d’Estudis Espacials de Catalunya.

„Gleichzeitig haben wir beschlossen, den Analysecode öffentlich zugänglich zu machen, der die Expansionsrate des Universums zusammenfasst und neu berechnet. Das bedeutet, dass in Zukunft neue Daten problemlos in das Netzwerk aufgenommen und neu berechnet werden können,“, fügt er hinzu.

Anstatt sich auf einen einzigen Messweg zu stützen, verbindet das Netzwerk eine Vielzahl unabhängiger und sich überschneidender Entfernungsindikatoren. Dazu gehören in einer einzigen kohärenten Analyse: Cepheiden, eine Art pulsierender Sterne, die größer und heller sind als die Sonne, die Spitze des roten Riesenastes, Mira-Variablen, Megamaser, Supernovae vom Typ Ia und Typ II, Schwankungen der Oberflächenhelligkeit, die Tully-Fisher-Beziehung und die Fundamentalebene.

Im Wesentlichen berücksichtigt das Netzwerk durch eine vollständige Kovarianzgewichtung explizit gemeinsame Unsicherheiten und Korrelationen zwischen den Methoden – eine fortschrittliche statistische Methode, die mehrere Datenquellen kombiniert. Dadurch lässt sich erstmals die Kohärenz des gesamten Systems transparent bewerten.

„Dies ist nicht nur ein neuer Wert für H₀, sondern ein von der Fachgemeinschaft entwickeltes Rahmenkonzept, das jahrzehntelange unabhängige Entfernungsmessungen auf transparente und leicht zugängliche Weise zusammenführt,“, sagt Adam Riess, Professor an der Johns Hopkins University und Astrophysiker am Space Telescope Science Institute. Riess war einer der drei Gewinner des Nobelpreises für Physik im Jahr 2011 für seine Arbeit zur beschleunigten Expansion des Universums anhand von Beobachtungen entfernter Supernovae.

Ein Netzwerk, kein einzelner Pfad

Die Studie ist das Ergebnis einer breit angelegten gemeinschaftlichen Initiative, die im Rahmen des ISSI Breakthrough Workshops ins Leben gerufen wurde, der im März 2025 am International Space Science Institute in Bern, Schweiz, stattfand. Rund 40 Experten für Entfernungsmessungen und Kosmologie, die ein breites Spektrum an Institutionen und methodischen Ansätzen repräsentierten, nahmen direkt an den Sitzungen teil, darunter auch Lluís Galbany.

Vor der Durchführung der Berechnungen stimmten die Teilnehmer über die Auswahl der primären Distanzindikatoren ab, die als Referenzstandards zur Definition einer Basislösung dienten, sowie über vordefinierte Varianten zur Prüfung der Robustheit.

Die Netzwerkanalyse zeigt, dass unabhängige Entfernungsindikatoren innerhalb ihrer angegebenen Unsicherheiten und ohne Ausreißer miteinander vereinbar sind. Sie zeigt außerdem, dass das Entfernen oder Ersetzen von Schlüsselkomponenten wie Cepheiden, TRGB-Sternen oder Supernovae vom Typ Ia nur geringfügige Änderungen des abgeleiteten Werts der Hubble-Konstante zur Folge hat, und dass keine einzelne Methode das Endergebnis dominiert.

Um eine kritische Analyse und die Weiterverwendung zu fördern, veröffentlicht die Arbeitsgruppe Open-Source-Software und Datenprodukte, sodass jeder die Analyse nachvollziehen, alternative Annahmen untersuchen oder künftige Messungen einbeziehen kann, sobald neue Daten verfügbar werden.

Implications for precision cosmology in the future

Trotz beispielloser Präzision und interner Konsistenz weist die neue lokale Messung weiterhin erhebliche Abweichungen von den Werten auf, die aus Beobachtungen des frühen Universums im Rahmen des Standardmodells der Kosmologie, dem Lambda-CDM-Modell, abgeleitet wurden. Die ermittelte Expansionsrate weicht um etwa 5 bis 7 Standardabweichungen von aktuellen Messungen ab, die auf der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung und baryonischen akustischen Oszillationen basieren. Mit anderen Worten: diese Diskrepanzen sind nicht auf Rechenfehler zurückzuführen, sondern deuten darauf hin, dass das aktuelle kosmologische Modell unvollständig ist.

Das Ergebnis des Entfernungsnetzwerks deutet nicht auf einen Fehler in einer einzelnen Messmethode hin, sondern erweitert die Grundlage für die lokale Messung der Hubble-Konstante. Bislang gab es zwei Methoden zur Berechnung dieser Konstante: Die Messung naher Galaxien ergibt einen Wert von etwa 73 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec, während Berechnungen auf der Grundlage der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung einen Wert von etwa 67 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec ergeben. Diese Diskrepanz ist als Hubble-Spannung bekannt, ein zentrales Streitpunkt in der modernen Kosmologie.

„Diese Arbeit schließt Erklärungen für den Hubble-Konflikt, die auf einem einzigen übersehenen Fehler bei den lokalen Entfernungsmessungen beruhen, praktisch aus. Sollte der Konflikt tatsächlich bestehen, wie immer mehr Hinweise nahelegen, könnte dies auf eine neue Physik jenseits des Standardmodells der Kosmologie hindeuten“, sagt Stefano Casertano, Forscher am Space Telescope Science Institute.

Das Local Distance Network liefert nicht nur die bislang genaueste direkte Messung der Hubble-Konstante, sondern schafft auch einen flexiblen und erweiterbaren Rahmen für die Zukunft. Mit neuen Observatorien, verbesserten Kalibrierungen und zusätzlichen geometrischen Entfernungsreferenzpunkten können diese Elemente integriert werden, um unser Verständnis der kosmischen Expansion zu verfeinern und zur Lösung des Hubble-Paradoxons beizutragen.

„Diese Arbeit zeigt, dass Erklärungen, die sich auf einen einzigen, bisher übersehenen systematischen Fehler bei der Messung lokaler Entfernungen stützen, immer schwerer aufrechtzuerhalten sind. Sollte dieser Widerspruch die tatsächlichen physikalischen Gegebenheiten widerspiegeln, könnte dies auf neue Komponenten jenseits des Standardmodells der Kosmologie hindeuten oder eine Neubewertung unseres Verständnisses des frühen Universums erfordern,“ schließt Eleonora Di Valentino, Forscherin an der University of Sheffield.

Quellenhinweis:

The Local Distance Network: a community consensus report on the measurement of the Hubble constant at ∼1% precisión. Astronomy & Astrophysics. DOI: doi.org/10.1051/0004-6361/202557993