An diesem Julimorgen in einem Raum mit eingeschränktem Blick auf den Pazifik schien Riess einen zweiten Nobelpreis im Visier zu haben. Unter den 100 Experten in der Menge — eingeladene Vertreter aller großen kosmologischen Projekte sowie Theoretiker und andere interessierte Spezialisten — konnte niemand leugnen, dass sich seine Erfolgschancen am Freitag zuvor dramatisch verbessert hatten.

Im Vorfeld der Konferenz hatte ein Team von Kosmologen, das sich H0LiCOW nannte, ihre neue Messung der Expansionsrate des Universums veröffentlicht. Durch das Licht von sechs entfernten Quasaren koppelte H0LiCOW H0 mit 73,3 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec — deutlich höher als Plancks Vorhersage. Was zählte, war, wie nahe H0licows 73.3 an Messungen von H0 durch SH0ES fiel – das Team um Riess. SH0ES misst die kosmische Expansion mit einer „Cosmic Distance Ladder“, einer schrittweisen Methode zur Messung kosmologischer Entfernungen. Die letzte Messung von SH0ES im März ergab H0 bei 74.0, gut innerhalb der Fehlergrenzen von H0LiCOW.

„Mein Herz flatterte“, erzählte mir Riess von seinem frühen Blick auf H0licows Ergebnis zwei Wochen vor Santa Barbara.

Sechs Jahre lang behauptete das SH0ES-Team, eine Diskrepanz mit Vorhersagen gefunden zu haben, die auf dem frühen Universum basierten. Nun haben die kombinierten SH0ES- und H0LiCOW-Messungen eine statistische Schwelle überschritten, die als „Fünf Sigma“ bekannt ist, was typischerweise eine Entdeckung neuer Physik bedeutet. Wenn die Hubble-Konstante nicht 67 ist, sondern tatsächlich 73 oder 74, dann fehlt ΛCDM etwas – ein Faktor, der die kosmische Expansion beschleunigt. Diese zusätzliche Zutat, die der bekannten Mischung aus Materie und Energie hinzugefügt wird, würde zu einem umfassenderen Verständnis der Kosmologie führen als die eher milde ΛCDM-Theorie.Während seines Vortrags sagte Riess über die Kluft zwischen 67 und 73: „Dieser Unterschied scheint robust zu sein.“Ich weiß, dass wir dies die’Hubble-Konstante Spannung’genannt haben“, fügte er hinzu, „aber dürfen wir das noch ein Problem nennen?“

Er stellte die Frage an Nobelpreisträger David Gross, Teilchenphysiker und ehemaliger Direktor des Kavli-Instituts für Theoretische Physik (KITP), wo die Konferenz stattfand.“Wir würden es nicht als Spannung oder Problem bezeichnen, sondern eher als Krise“, sagte Gross.

„Dann sind wir in der Krise.“Für diejenigen, die versuchen, den Kosmos zu verstehen, ist eine Krise die Chance, etwas Großes zu entdecken. Lloyd Knox, ein Mitglied des Planck-Teams, sprach nach Riess. „Vielleicht ist die Hubble-konstante Spannung der aufregende Zusammenbruch von ΛCDM, auf den wir alle oder viele von uns gewartet und gehofft haben“, sagte er.

Die Hubble-Konstante Surd

Als die Gespräche für diesen Tag zu Ende waren, stapelten sich viele Teilnehmer in einen Van, der zum Hotel fuhr. Wir fuhren an Palmen vorbei mit dem Meer auf der rechten Seite und den Santa Ynez Mountains auf der fernen linken Seite. Wendy Freedman, eine dekorierte Hubble-Astronautin, saß in der zweiten Reihe. Freedman, eine dünne, ruhige Frau von 62 Jahren, leitete das Team, das die erste Messung von H0 mit einer Genauigkeit von 10% durchführte und 2001 zu einem Ergebnis von 72 kam.

Der Fahrer, ein junger, bärtiger Kalifornier, hörte vom Hubble-Problem und der Frage, wie man es nennt. Anstelle von Spannung, Problem oder Krise schlug er „surd“ vor, was unsinnig oder irrational bedeutet. Die Hubble-Konstante surd.Freedman schien jedoch weniger schwindlig zu sein als der durchschnittliche Konferenzbesucher über die offensichtliche Diskrepanz und war nicht bereit, sie als real zu bezeichnen. „Wir haben noch mehr zu tun“, sagte sie leise und sprach fast die Worte.Freedman verbrachte Jahrzehnte damit, H0-Messungen mit der Cosmic Distance Ladder-Methode zu verbessern. Lange Zeit kalibrierte sie die Sprossen ihrer Leiter mit Cepheidensternen — den gleichen pulsierenden Sternen bekannter Helligkeit, die SH0ES auch als „Standardkerzen“ in seiner kosmischen Entfernungsleiter verwendet. Aber sie macht sich Sorgen um unbekannte Fehlerquellen. „Sie weiß, wo alle Skelette begraben sind“, sagte Barry Madore, Freedmans Ehemann mit weißem Bart und enger Mitarbeiter, der vorne neben dem Fahrer saß.Freedman sagte, das sei der Grund, warum sie, Madore und ihr Carnegie-Chicago Hubble-Programm (CCHP) vor einigen Jahren begannen, „Tip of the Red Giant Branch“ -Sterne (TRGBs) zu verwenden, um eine neue kosmische Entfernungsleiter zu kalibrieren. TRGBs sind das, was Sterne wie unsere Sonne am Ende ihres Lebens kurzzeitig verwandeln. Aufgebläht und rot werden sie immer heller, bis sie eine charakteristische Spitzenhelligkeit erreichen, die durch das plötzliche Entzünden von Helium in ihren Kernen verursacht wird. Freedman, Madore und Myung Gyoon Lee wiesen erstmals 1993 darauf hin, dass diese roten Riesen als Standardkerzen dienen können. Jetzt hatte Freedman sie zur Arbeit gebracht. Als wir aus dem Van ausluden, fragte ich sie nach ihrem geplanten Gespräch. „Es ist das zweite Gespräch nach dem Mittagessen morgen“, sagte sie.

„Sei da“, sagte Madore mit einem Schimmer in den Augen, als wir uns trennten.

Als ich in mein Hotelzimmer kam und Twitter überprüfte, stellte ich fest, dass sich alles geändert hatte. Freedman, Madore und das Papier ihres CCHP-Teams waren gerade gefallen. Mit der Spitze der roten Riesenzweigsterne hatten sie die Hubble-Konstante bei 69,8 fixiert – deutlich weniger als SH0ES ‚74,0-Messung mit Cepheiden und H0licows 73.3 von Quasaren und mehr als auf halber Strecke zu Plancks 67, 4-Vorhersage. „Das Universum spielt gerade mit uns, richtig?“ ein Astrophysiker twitterte. Die Dinge wurden surd.Dan Scolnic, ein junges Mitglied von SH0ES mit Brille an der Duke University, sagte, dass er, Riess und zwei andere Teammitglieder zusammengekommen seien, „um herauszufinden, was in der Zeitung stand. Adam und ich gingen dann zum Abendessen und wir waren ziemlich ratlos, denn in dem, was wir bis zu diesem Zeitpunkt gesehen hatten, waren sich die Cepheiden und TRGBs wirklich gut einig.“

Sie kamen bald auf die wichtigste Änderung in der Arbeit zu Sprechen: eine neue Art, die Auswirkungen von Staub zu messen, wenn die Eigenhelligkeit von TRGBs gemessen wird — der ersten Sprosse der kosmischen Entfernungsleiter. „Wir hatten eine Reihe von Fragen zu dieser neuen Methode“, sagte Scolnic. Wie andere Teilnehmer, die über das Best Western Plus verstreut waren, warteten sie gespannt auf Freedmans Vortrag am nächsten Tag. Scolnic twitterte: „Morgen wird interessant.“

Eine Entfernungsleiter bauen

Spannung, Problem, Krise, Surd — seit 90 Jahren gibt es eine Hubble-Konstante, seitdem der amerikanische Astronom Edwin Hubbles Diagramme der Entfernungen und Rezessionsgeschwindigkeiten von Galaxien zeigten, dass sich der Weltraum und alles darin von uns zurückzieht (Hubbles eigene Weigerung, diese Schlussfolgerung ungeachtet zu akzeptieren). Eine der größten kosmologischen Entdeckungen aller Zeiten, die kosmische Expansion, impliziert, dass das Universum ein endliches Alter hat.

Das Verhältnis der Rezessionsgeschwindigkeit eines Objekts zu seiner Entfernung ergibt die Hubble-Konstante. Aber während es einfach ist zu sagen, wie schnell ein Stern oder eine Galaxie zurückweicht — messen Sie einfach die Dopplerverschiebung seiner Frequenzen, ein Effekt, der einer Sirene ähnelt, die in der Tonhöhe abfällt, wenn der Krankenwagen wegfährt —, ist es viel schwieriger, die Entfernung eines Nadelstichs zu sagen des Lichts am Nachthimmel.Es war Henrietta Leavitt, eine der menschlichen „Computer“ am Harvard College Observatory, die 1908 entdeckte, dass Cepheidensterne mit einer Frequenz pulsieren, die proportional zu ihrer Leuchtkraft ist. Große, helle Steinpilze pulsieren langsamer als kleine, schwache (so wie ein großes Akkordeon schwerer zu komprimieren ist als ein winziges). Und so kann man an den Pulsationen eines entfernten Cepheiden ablesen, wie intrinsisch hell es ist. Vergleichen Sie das damit, wie schwach der Stern erscheint, und Sie können seine Entfernung erkennen — und die Entfernung der Galaxie, in der er sich befindet.In den 1920er Jahren verwendete Hubble Cepheiden und Leavitts Gesetz, um zu folgern, dass Andromeda und andere „Spiralnebel“ (wie sie genannt wurden) getrennte Galaxien sind, weit jenseits unserer Milchstraße. Dies zeigte zum ersten Mal, dass die Milchstraße nicht das ganze Universum ist — dass das Universum tatsächlich unvorstellbar groß ist. Hubble verwendete dann Cepheiden, um die Entfernungen zu nahe gelegenen Galaxien abzuleiten, die, aufgetragen gegen ihre Geschwindigkeiten, die kosmische Expansion offenbarten.Hubble überschätzte die Rate als 500 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec, aber die Zahl sank, als Kosmologen Cepheids verwendeten, um immer genauere kosmische Entfernungsleitern zu kalibrieren. Ab den 1970er Jahren argumentierte der bedeutende Beobachtungskosmologe und Hubble-Protegé Allan Sandage, dass H0 etwa 50 sei. Seine Rivalen behaupteten einen Wert um 100, basierend auf verschiedenen astronomischen Beobachtungen. Die vitriolische 50-versus-100-Debatte tobte in den frühen 80er Jahren, als Freedman, ein junger Kanadier, der als Postdoc an den Carnegie Observatories in Pasadena, Kalifornien, arbeitete, wo Sandage auch arbeitete, sich daran machte, die kosmischen Entfernungsleitern zu verbessern.

Um eine Entfernungsleiter zu erstellen, kalibrieren Sie zunächst die Entfernung zu Sternen mit bekannter Leuchtkraft, wie z. B. Cepheiden. Diese Standardkerzen können verwendet werden, um die Entfernungen zu schwächeren Cepheiden in weiter entfernten Galaxien zu messen. Dies ergibt die Entfernungen von „Typ—1a-Supernovas“ in denselben Galaxien – vorhersehbare Sternexplosionen, die als viel hellere, wenn auch seltenere Standardkerzen dienen. Sie verwenden dann diese Supernovas, um die Entfernungen zu Hunderten von weiter entfernten Supernovas zu messen, in Galaxien, die sich im Strom der kosmischen Expansion frei bewegen, bekannt als „Hubble Flow.“ Dies sind die Supernovas, deren Verhältnis von Geschwindigkeit zu Entfernung H0 ergibt.

Aber obwohl die Schwachheit einer Standardkerze ihre Entfernung anzeigen soll, verdunkelt Staub auch Sterne und lässt sie weiter weg aussehen als sie sind. Wenn sie von anderen Sternen gedrängt werden, können sie heller (und damit näher) aussehen. Darüber hinaus weisen selbst vermeintliche Standardkerzensterne aufgrund von Alter und Metallizität inhärente Variationen auf, die korrigiert werden müssen. Freedman entwickelte neue Methoden, um mit vielen systematischen Fehlerquellen umzugehen. Als sie anfing, H0-Werte höher als Sandages zu bekommen, wurde er antagonistisch. „Für ihn war ich ein junger Emporkömmling“, erzählte sie mir 2017. Trotzdem baute sie in den 90er Jahren das Hubble Space Telescope Key Project zusammen und leitete es, eine Mission, mit der das neue Hubble-Teleskop Entfernungen zu Cepheiden und Supernovae mit größerer Genauigkeit als je zuvor messen sollte. Der H0-Wert von 72, den ihr Team 2001 veröffentlichte, teilte den Unterschied in der 50-versus-100-Debatte.Freedman wurde zwei Jahre später zum Direktor der Carnegie Observatories ernannt und wurde Sandages Chef. Sie war gnädig und er erweichte. Aber „bis zu seinem Todestag“, sagte sie, „glaubte er, dass die Hubble-Konstante einen sehr niedrigen Wert hatte.“Ein paar Jahre nach Freedmans Messung von 72 auf 10% Genauigkeit stieg Riess, Professor an der Johns Hopkins University, in das Spiel der kosmischen Distanzleiter ein und machte sich daran, H0 innerhalb von 1% zu nageln, in der Hoffnung, die dunkle Energie, die er mitentdeckt hatte, besser zu verstehen. Seitdem hat sein SH0ES-Team die Sprossen der Leiter stetig angezogen – vor allem die erste und wichtigste: die Kalibrierstufe. Wie Riess es ausdrückte: „Wie weit ist etwas entfernt? Danach wird das Leben einfacher; Sie messen relative Dinge.“ SH0ES verwendet derzeit fünf unabhängige Methoden zur Messung der Entfernungen zu seinen Cepheid-Kalibratoren. „Sie stimmen alle recht gut überein, und das gibt uns viel Vertrauen“, sagte er. Als sie Daten sammelten und ihre Analyse verbesserten, reduzierten sich die Fehlerbalken um H0 auf 5% im Jahr 2009, dann 3,3%, dann 2,4%, dann 1,9% ab März.

Dank der immer präziseren Iterationen der kosmischen Mikrowellenhintergrundkarte konnte das Planck-Team seit 2013 den Wert für H0 immer genauer extrapolieren. In seiner Analyse von 2018 stellte Planck fest, dass H0 67,4 mit einer Genauigkeit von 1% betrug. Da Planck und SH0ES mehr als „vier Sigma“ voneinander entfernt waren, entstand ein verzweifelter Bedarf an unabhängigen Messungen.

Tommaso Treu, einer der Gründer von H0LiCOW und Professor an der University of California, Los Angeles, hatte seit seiner Studienzeit in Pisa davon geträumt, die Hubble-Konstante mit Hilfe der Time—Delay-Kosmographie zu messen – eine Methode, die die Sprossen der kosmischen Distanzleiter komplett überspringt. Stattdessen bestimmen Sie direkt die Entfernung zu Quasaren — den flackernden, leuchtenden Zentren weit entfernter Galaxien —, indem Sie sorgfältig die Zeitverzögerung zwischen verschiedenen Bildern eines Quasars messen, die sich bilden, wenn sich sein Licht um dazwischenliegende Materie biegt.