Supernova könnte Antwort liefern

Wie schnell wächst das Universum?

Dass sich das Universum ausdehnt, ist seit fast 100 Jahren bekannt. Doch wie schnell genau? Diese Frage ist heftig umstritten und stellt das Standardmodell der Kosmologie infrage. Forscher haben jetzt eine Antwort präsentiert.

Von Markus Brauer

Dass sich das Universum ausdehnt, ist seit fast 100 Jahren bekannt. Doch wie schnell genau? Diese Frage ist heftig umstritten und stellt das Standardmodell der Kosmologie infrage.

Ein Forscherteam an der Technischen Universität München (TUM), der Ludwig-Maximilians Universität (LMU) sowie den Max-Planck-Instituten MPA und MPE hat nun eine außergewöhnlich seltene Supernova aufgenommen, die einen neuen Weg eröffnen könnte, die Expansionsgeschwindigkeit des Universums zu bestimmen.

Anfang und Ende des Universums

Der Urknall-Theorie zufolge ist unser Universum rund 13,7 Milliarden Jahren aus einem extrem heißen und dichten Zustand hervorgegangen – dem Urknall. „Diese Hypothese geht davon aus, dass die gesamte Materie im Kosmos in ferner Vergangenheit in einem einzigen Big Bang entstanden ist“, erklärte einmal der Astronom und Mathematiker Fred Hoyle (1915-2001).

Der Samen des Universums war dabei viel kleiner als ein Atom und enthielt alle Materie und Energie, die sich heute über viele Milliarden Lichtjahre verteilen. Aus diesem Stoff ist alles entstanden: Sonne und Sterne, Materie und Strahlung – und das Leben. Einfach alles.

Irgendwann – den Grund kennen die Physiker nicht – fing dieser winzige, jenseits aller Vorstellungskraft dicht gepackte und unvorstellbar heiße Raum schlagartig an sich zum Universum auszudehnen. Und das tut er bis heute.

Doch unser Universum wird nicht unendlich lange bestehen – zumindest nicht in der Form, in der wir es kennen. Denn durch die fortschreitende Expansion kühlt der Kosmos ab und seine Materiedichte verringert sich.

Irgendwann ist dann auch das Rohmaterial für neue Sterne aufgebraucht und das Weltall wird dunkel, kalt und leer. Nur noch Schwarze Löcher und ausgebrannte Sternenreste wie die „Schwarzen Zwerge“ bleiben übrig.

Treibt Dunkle Energie kosmische Expansion voran?

Doch so weit ist es noch lange nicht. Seit dem Urknall dehnt sich das Universum rasant aus. Und diese kosmische Expansion beschleunigt sich zudem, wie Astronomen in den 1990er Jahren erstmals erkannten.

Als mögliche Triebkraft dafür gilt die Dunkle Energie – eine bisher unbekannte Kraft, die der anziehenden Wirkung der Gravitation entgegenwirkt. Doch wie schnell sich der Kosmos aktuell ausdehnt, ist strittig – und damit auch der Wert der Hubble-Konstante (H0) – einer der Grundpfeiler unseres kosmologischen Standardmodells.

Dem kosmologischen Standardmodell zufolge müsste die Hubble-Konstante – und damit die Expansionsrate des Kosmos – bei rund 67 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec liegen. Doch astronomische Messungen anhand von Supernovae, Gravitationslinsen, veränderlichen Sternen (Cepheiden) sowie Roten Riesen liefern einen signifikant höheren Wert von im Mittel 73 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec.

Eine ganz besondere Supernova

Zurück zur bereits erwähnten Supernova. Bei diesem Phänomen handelt es sich um eine seltene, superleuchtkräftige Sternexplosion in rund zehn Milliarden Lichtjahren Entfernung, die weit heller ist als gewöhnliche Supernovae.

Gleichzeitig ist sie noch aus einem weiteren Grund besonders: Durch den sogenannten Gravitationslinseneffekt erscheint dieselbe Explosion gleich fünfmal am Nachthimmel – wie ein kosmisches Feuerwerk.

Zwei Vordergrundgalaxien krümmen das Licht der Supernova auf seinem Weg zur Erde und zwingen es, unterschiedliche Wege einzuschlagen. Weil diese Wege leicht unterschiedlich lang sind, erreicht das Licht uns zeitversetzt. Aus den Zeitverzögerungen zwischen den einzelnen Bildern lässt sich die heutige Expansionsrate des Universums – die Hubble-Konstante – bestimmen.

Extrem seltenes kosmisches Ereignis

Sherry Suyu, Professorin für Beobachtende Kosmologie an der TUM und Fellow am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching, erklärt: „Wir haben diese Supernova SN Winny getauft – in Anlehnung an ihre offizielle Bezeichnung SN 2025wny.“ Es sei ein extrem seltenes Ereignis, das für unser Verständnis des Kosmos eine Schlüsselrolle spielen könnte.

Die Studie ist im Fachjournal „Astronomy & Astrophysics (A&A)“ erschienen.

Die Wahrscheinlichkeit, eine superleuchtkräftige Supernova zu finden, die sich genau hinter einer Gravitationslinse befindet, liege unter eins zu einer Million, erklärt die Astrophysikerin. „Wir haben sechs Jahre damit verbracht, eine Liste vielversprechender Gravitationslinsen zusammenzustellen und dort nach einem solchen Ereignis zu suchen. Im August 2025 landeten wir mit SN Winny schließlich einen Treffer.“

Zum Video: Die Animation zeigt den Gravitationslinseneffekt zweier Vordergrundgalaxien auf die Heimatgalaxie von SN Winny. Dabei werden mehrere Abbilder der Hintergrundgalaxie erzeugt und zu einem blauen Ring um die Gravitationslinse verzerrt. (Video: Elias Mamuzic / MPA / TUM)

Hochauflösendes Farbbild einer einzigartigen Supernova

Supernovae hinter Gravitationslinsen sind so selten, dass bislang nur wenige solcher Messungen versucht wurden. Ihre Genauigkeit hängt stark davon ab, wie gut man die Massen der Galaxien bestimmen kann, die als Linse wirken, denn diese entscheiden darüber, wie stark das Licht der Supernova abgelenkt wird.

Um die Massen zu messen, nutzten die Astrophysiker das Large Binocular Telescope in Arizona mit seinen zwei Spiegeln von je 8,4 Metern Durchmesser und einem adaptiven Optiksystem, das atmosphärische Unschärfen korrigiert. Das Ergebnis ist das einzige bislang veröffentlichte hochauflösende Farbbild dieses Systems.

Aufnahme erinnert an explodierendes Feuerwerk

Die Aufnahme zeigt die beiden Linsengalaxien im Zentrum sowie fünf bläuliche Abbilder der Supernova, die an ein explodierendes Feuerwerk erinnern. Das ist ungewöhnlich, denn Linsensysteme auf Galaxienskala erzeugen normalerweise nur zwei oder vier Abbilder. Mithilfe der Positionen aller fünf Abbilder erstellten die Allan Schweinfurth (TUM) und Leon Ecker (LMU) das erste Modell für die Massenverteilung der Linse.

„Wenn wir bisher Supernovae durch Gravitationslinsen gesehen haben, waren die Linsen zumeist massive Galaxienhaufen, deren Massenverteilungen komplex und schwer zu modellieren sind“, erklärt Schweinfurth. „Für SN Winny besteht die Linse jedoch nur aus zwei einzelnen Galaxien. Wir finden insgesamt sehr glatte und regelmäßige Licht- und Massenverteilungen, was darauf hindeutet, dass diese Galaxien trotz ihrer scheinbaren Nähe zueinander bislang nicht miteinander kollidiert sind.“

Zwei Methoden, zwei unterschiedliche Ergebnisse

Bislang stützen sich Forscher vor allem auf zwei Methoden zur Bestimmung der Hubble-Konstante, doch diese liefern widersprüchliche Ergebnisse. Dieses Rätsel ist als Hubble-Spannung bekannt.

Die erste Methode ist lokal: Entfernungen zu Galaxien werden Schritt für Schritt bestimmt, ähnlich wie beim Erklimmen einer Leiter, bei dem jeder Schritt vom vorherigen abhängt. Daher stammt auch der Begriff kosmische Entfernungsleiter. Objekte mit bekannter Helligkeit liefern Entfernungen, die anschließend mit den Fluchtgeschwindigkeiten der Galaxien verglichen werden. Da viele Kalibrierungsschritte nötig sind, können sich selbst kleine Fehler aufsummieren und das Endergebnis beeinflussen.

Die zweite Methode blickt weit in die Vergangenheit. Sie untersucht die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung – das schwache Nachleuchten des Urknalls – und nutzt Modelle des frühen Universums, um die heutige Expansionsrate zu berechnen. Dieser Ansatz ist sehr präzise, beruht jedoch stark auf Annahmen über die Entwicklung des Universums, die nicht unumstritten sind.

In einem Schritt zur Hubble-Konstante

Nun kommt eine dritte, unabhängige Methode ins Spiel: die Beobachtung einer Supernova durch eine Gravitationslinse.

Stefan Taubenberger, Erstautor der Studie zur Identifikation von SN Winny, erklärt, dass sich aus den Zeitverzögerungen zwischen den einzelnen Bildern der Supernova und der bekannten Massenverteilung der Linse die Hubble-Konstante direkt berechnen lässt. „Im Gegensatz zur kosmischen Entfernungsleiter ist dies eine Messung in einem Schritt mit weniger und völlig anderen Quellen systematischer Unsicherheiten.“