Kosmisches Altersproblem - Cosmic age problem
Das kosmische Altersproblem ist ein historisches Problem der Astronomie bezüglich des Alters des Universums . Das Problem war , dass zu verschiedenen Zeiten im 20. Jahrhundert, einige Objekte im Universum älter sein geschätzt als die verstrichene Zeit seit dem Urknall , wie aus Messungen der Expansionsrate des Universums bekannt als den geschätzten Hubble - Konstante , bezeichnete H 0 . (Dies wird korrekter als Hubble-Parameter bezeichnet, da er im Allgemeinen mit der Zeit variiert). Dies wäre dann ein Widerspruch, da Objekte wie Galaxien, Sterne und Planeten in den extremen Temperaturen und Dichten kurz nach dem Urknall nicht existieren können.
Seit etwa 1997–2003 gilt das Problem als gelöst von den meisten Kosmologen: Moderne kosmologische Messungen führen zu einer genauen Schätzung des Alters des Universums (dh der Zeit seit dem Urknall) von 13,8 Milliarden Jahren, und neuere Altersschätzungen für die ältesten Objekte sind entweder jünger als diese oder konsistent unter Berücksichtigung von Messunsicherheiten.
Frühe Jahre
Nach den theoretischen Entwicklungen der Friedmann-Gleichungen durch Alexander Friedmann und Georges Lemaître in den 1920er Jahren und der Entdeckung des expandierenden Universums durch Edwin Hubble im Jahr 1929 war es sofort klar, dass eine zeitliche Rückverfolgung dieser Expansion voraussagt, dass das Universum bei . fast die Größe Null hat eine endliche Zeit in der Vergangenheit. Dieses Konzept, das von Lemaitre zunächst als "Primeval Atom" bekannt war, wurde später in der modernen Urknalltheorie ausgearbeitet . Wenn sich das Universum in der Vergangenheit mit konstanter Geschwindigkeit ausgedehnt hatte, ist das Alter des Universums jetzt (dh die Zeit seit dem Urknall) einfach die Umkehrung der Hubble-Konstante, die oft als Hubble-Zeit bekannt ist . Für Urknallmodelle mit kosmologischer Konstante Null und positiver Materiedichte muss das tatsächliche Alter etwas jünger sein als diese Hubble-Zeit; typischerweise würde das Alter zwischen 66 % und 90 % der Hubble-Zeit betragen, abhängig von der Dichte der Materie.
Hubbles frühe Schätzung seiner Konstanten war 550 (km/s)/Mpc, und das Gegenteil davon ist 1,8 Milliarden Jahre. Viele Geologen wie Arthur Holmes glaubten in den 1920er Jahren, dass die Erde wahrscheinlich über 2 Milliarden Jahre alt sei, aber mit großer Unsicherheit. Die mögliche Diskrepanz zwischen dem Alter der Erde und des Universums war wahrscheinlich eine Motivation für die Entwicklung der Steady-State-Theorie im Jahr 1948 als Alternative zum Urknall; In der (jetzt veralteten) Steady-State-Theorie ist das Universum unendlich alt und im Durchschnitt unveränderlich mit der Zeit. Die Steady-State-Theorie postulierte die spontane Entstehung von Materie, um die durchschnittliche Dichte bei der Expansion des Universums konstant zu halten, und daher haben die meisten Galaxien immer noch ein Alter von weniger als 1/H 0 . Wäre H 0 jedoch 550 (km/s)/Mpc gewesen, wäre unsere Milchstraße im Vergleich zu den meisten anderen Galaxien außergewöhnlich groß, könnte also viel älter sein als eine durchschnittliche Galaxie, wodurch das Altersproblem beseitigt wäre.
1950–1970
In den 1950er Jahren wurden zwei wesentliche Fehler in der extragalaktischen Entfernungsskala von Hubble entdeckt: Zuerst entdeckte Walter Baade 1952, dass es zwei Klassen von variablen Cepheiden- Stern gab. Hubbles Stichprobe umfasste verschiedene Klassen in der Nähe und in anderen Galaxien, und die Korrektur dieses Fehlers führte dazu, dass alle anderen Galaxien doppelt so weit entfernt waren wie die Werte von Hubble, wodurch die Hubble-Zeit verdoppelt wurde. Ein zweiter Fehler wurde von Allan Sandage und Mitarbeitern entdeckt: Für Galaxien außerhalb der Lokalen Gruppe waren Cepheiden zu schwach, um mit Hubbles Instrumenten beobachtet zu werden, daher verwendete Hubble die hellsten Sterne als Entfernungsindikatoren. Viele der "hellsten Sterne" von Hubble waren tatsächlich HII-Regionen oder Haufen mit vielen Sternen, was zu einer weiteren Unterschätzung der Entfernungen für diese weiter entfernten Galaxien führte. So veröffentlichte Sandage 1958 die erste einigermaßen genaue Messung der Hubble-Konstante mit 75 (km/s)/Mpc, was nahe an modernen Schätzungen von 68–74 (km/s)/Mpc liegt.
Das Alter der Erde (eigentlich des Sonnensystems) wurde erstmals um 1955 von Clair Patterson mit 4,55 Milliarden Jahren genau gemessen , was im Wesentlichen mit dem modernen Wert identisch ist. Für H 0 ~ 75 (km/s)/Mpc beträgt der Kehrwert von H 0 13,0 Milliarden Jahre; nach 1958 war das Modellalter des Urknalls also deutlich älter als die Erde.
In den 1960er Jahren und danach ermöglichten jedoch neue Entwicklungen in der Theorie der Sternentwicklung Altersschätzungen für große Sternhaufen, die Kugelsternhaufen genannt werden : Diese ergaben im Allgemeinen Altersschätzungen von etwa 15 Milliarden Jahren mit erheblicher Streuung. Weitere Überarbeitungen der Hubble-Konstanten durch Sandage und Gustav Tammann in den 1970er Jahren ergaben Werte um 50–60 (km/s)/Mpc und einen Kehrwert von 16–20 Milliarden Jahren, was mit dem Alter der Kugelsternhaufen übereinstimmt.
1975–1990
Ende der 1970er bis Anfang der 1990er Jahre tauchte das Altersproblem jedoch wieder auf: Neue Schätzungen der Hubble-Konstanten ergaben höhere Werte, wobei Gerard de Vaucouleurs Werte von 90–100 (km/s)/Mpc schätzte, während Marc Aaronson und Co. Arbeiter gaben Werte um 80-90 (km/s)/Mpc an. Sandage und Tammann plädierten weiterhin für Werte zwischen 50 und 60, was zu einer Kontroverse führte, die manchmal als "Hubble-Kriege" bezeichnet wird. Die höheren Werte für H 0 schienen ein Universum zu prognostizieren, das jünger als das Alter des Kugelsternhaufens ist, und gaben in den 1980er Jahren Anlass zu Spekulationen, dass das Urknallmodell ernsthaft falsch war.
Ende der 1990er Jahre: wahrscheinliche Lösung
Das Altersproblem wurde schließlich durch mehrere Entwicklungen zwischen 1995 und 2003 als gelöst angesehen: Erstens maß ein großes Programm mit dem Hubble-Weltraumteleskop die Hubble-Konstante bei 72 (km/s)/Mpc mit einer Unsicherheit von 10 Prozent. Zweitens haben die Messungen der Parallaxe durch die Raumsonde Hipparcos im Jahr 1995 die Kugelsternhaufenabstände um 5-10 Prozent nach oben korrigiert; dies machte ihre Sterne heller als bisher geschätzt und damit jünger, was ihre Altersschätzungen auf etwa 12-13 Milliarden Jahre nach unten verschiebt. Schließlich führten von 1998-2003 eine Reihe neuer kosmologischer Beobachtungen, darunter Supernovae, kosmische Mikrowellenhintergrundbeobachtungen und große Galaxien- Rotverschiebungsdurchmusterungen , zur Akzeptanz der Dunklen Energie und zur Etablierung des Lambda-CDM- Modells als Standardmodell der Kosmologie. Das Vorhandensein dunkler Energie impliziert, dass sich das Universum bei etwa der Hälfte seines heutigen Alters langsamer ausdehnte als heute, was das Universum für einen bestimmten Wert der Hubble-Konstante älter macht. Die Kombination der drei obigen Ergebnisse beseitigte im Wesentlichen die Diskrepanz zwischen dem geschätzten Alter der Kugelsternhaufen und dem Alter des Universums.
Neuere Messungen von WMAP und der Raumsonde Planck führen zu einer Schätzung des Alters des Universums von 13,80 Milliarden Jahren mit nur 0,3 Prozent Unsicherheit (basierend auf dem Standard- Lambda-CDM-Modell ), und moderne Altersmessungen für Kugelsternhaufen und andere Objekte sind derzeit kleiner als dieser Wert (innerhalb der Messunsicherheiten). Eine deutliche Mehrheit der Kosmologen glaubt daher, dass das Altersproblem nun gelöst ist.
Neue Forschungen von Teams, darunter eine unter der Leitung des Nobelpreisträgers Adam Riess vom Space Telescope Science Institute in Baltimore, haben ergeben, dass das Universum zwischen 12,5 und 13 Milliarden Jahre alt ist, was mit den Planck-Ergebnissen nicht übereinstimmt. Ob dies lediglich auf Fehler bei der Datenerfassung zurückzuführen ist oder mit den noch ungeklärten Aspekten der Physik wie Dark Energy oder Dark Matter zusammenhängt, muss noch bestätigt werden.