Model-independent late-universe measurements of $H_0$ and $\Omega_K$ with the parametrization based on cosmic age-improved inverse distance ladder

Stellen Sie sich das Universum als einen riesigen, expandierenden Ballon vor. Lange Zeit haben Wissenschaftler versucht, zwei spezifische Dinge über diesen Ballon zu messen: wie schnell er aktuell aufgebläht wird (die Hubble-Konstante oder $H_0$) und ob die Oberfläche des Ballons perfekt flach ist, leicht gewölbt wie eine Schüssel oder gewölbt wie ein Sattel (den Krümmungsparameter, $\Omega_K$).

Kürzlich ist ein großes Problem aufgetaucht. Es ist, als würden zwei Gruppen von Vermessern dieselbe Straße messen:

• Gruppe A (Das Team des frühen Universums): Sie betrachten die „Babyfotos“ des Universums (Licht vom Urknall) und berechnen die Geschwindigkeit. Sie sagen, die Straße ist etwa 67 Einheiten lang.
• Gruppe B (Das Team des späten Universums): Sie betrachten die „Erwachsenenfotos“ (nahegelegene explodierende Sterne und Galaxien) und sagen, die Straße ist etwa 73 Einheiten lang.

Dieser Disput wird als „Hubble-Spannung“ (Hubble Tension) bezeichnet. Es ist, als würde eine Gruppe sagen, Sie seien 1,50 m groß, während die andere Gruppe sagt, Sie seien 1,80 m groß, und beide seien sich ihrer Sache absolut sicher. Darüber hinaus gibt es eine Unstimmigkeit über die Form der Straße: Einige Daten deuten darauf hin, dass sie leicht gekrümmt ist, während andere Daten sagen, dass sie perfekt flach ist.

Der neue Ansatz: Eine „modellunabhängige“ Leiter

In dieser Arbeit haben die Autoren (Guo-Hong Du und Kollegen) beschlossen, nicht länger zu raten, welche Form das Universum hat, basierend auf einer spezifischen Theorie (wie dem Standard-$\Lambda$CDM-Modell, das ein flaches Universum voraussetzt). Stattdessen haben sie ein neues Messwerkzeug gebaut, das eine „Inverse Distanzleiter“ (Inverse Distance Ladder) genannt wird.

Dies ist vergleichbar mit der Kalibrierung eines Lineals:

1. Der Anker: Sie verwendeten ein sehr zuverlässiges „Standardlineal“, die Baryonischen Akustischen Oszillationen (BAO) aus den neuen DESI-Daten. Dies ist wie eine bekannte Distanzmarkierung auf der Straße.
2. Die Kalibrierung: Um sicherzustellen, dass ihr Lineal für das gesamte Universum funktioniert, haben sie sich nicht nur auf eine Art von Messung verlassen. Sie nutzten drei verschiedene „Kalibratoren“, um das Lineal zu überprüfen:
   • Kosmische Chronometer (CC): Die Messung des Alters alter Sterne (wie das Überprüfen der Zeit an einer Standuhr).
   • Starker Gravitationslinseneffekt (SGL): Die Nutzung massiver Galaxien als Lupen, um Entfernungen zu messen (wie die Verwendung einer Linse, um zu sehen, wie weit ein Berg entfernt ist).
   • Gammablitze (GRB): Die Nutzung massiver Explosionen als helle Leuchtfeuer (wie ein Leuchtturm, um die Entfernung zu messen).

Das Geheimrezept: „PAge“ und „MAPAge“

Der schwierige Teil ist, dass die Expansionsgeschichte des Universums komplex ist. Normalerweise zwingen Wissenschaftler die Daten in eine spezifische mathematische Kurve. Die Autoren verwendeten zwei neue, flexible mathematische Formen namens PAge und MAPAge.

• Die Analogie: Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, den Pfad einer Achterbahn zu zeichnieren. Die alte Methode ($\Lambda$CDM) zwingt Sie dazu, eine perfekte, glatte Parabel zu zeichnen. Wenn die echte Achterbahn jedoch einen seltsamen Hügel hat, passt die perfekte Parabel nicht, und Ihre Messungen sind falsch.
• Die neue Methode: PAge und MAPAge sind wie flexible, biegsame Lineale. Sie zwingen die Daten nicht in eine perfekte Form; sie lassen die Daten selbst bestimmen, was die tatsächliche Form ist. Dies macht die Messung „modellunabhängig“ – es spielt keine Rolle, welche alten Theorien existieren, es wird nur auf die Rohdaten geschaut.

Was haben sie herausgefunden?

1. Die Lösung des Geschwindigkeitsstreits: Als sie ihre neuen flexiblen Lineale mit den neuesten Daten (DESI, Supernovae und den drei Kalibratoren) verwendeten, fanden sie heraus, dass das Universum mit einer Geschwindigkeit von etwa 72 km/s pro Megaparsec expandiert.

   • Dieses Ergebnis liegt fast perfekt zwischen den beiden streitenden Gruppen.
   • In der fortgeschrittensten Version ihres Modells (MAPAge) sinkt die Diskrepanz zur „Babyfoto“-Gruppe von massiven 5-Sigma (ein riesiger Konflikt) auf nur noch 0,6 Sigma. In der Statistik bedeutet das so viel wie: „Hey, unsere Messungen liegen eigentlich sehr nah beieander; der Unterschied ist wahrscheinlich nur ein winziges bisschen Rauschen.“

2. Die Form des Universums: Als sie zuließen, dass das Universum gekrümmt ist (anstatt ein flaches Modell vorzugeben), deutete das alte Standardmodell darauf hin, dass das Universum leicht gekrümmt sein könnte. Doch als sie ihre flexiblen PAge/MAPAge-Lineale verwendeten, verschwand die Krümmung.

   • Das Ergebnis: Das Universere ist flach.
   • Die Autoren legen nahe, dass das „gekrümmte“ Ergebnis des alten Modells eine Illusion war, die dadurch entstand, dass man die Daten in die falsche Form zwang. Wenn man die Daten frei sprechen lässt, sagen sie, das Universum ist flach.

3. Welches Modell gewinnt? Sie führten eine statistische „Abstimmung“ (Bayessche Analyse) durch, um zu sehen, welche mathematische Form am besten zu den Daten passt. Die flexiblen PAge- und MAPAge-Modelle erhielten mehr Stimmen als das alte Standardmodell. Die Daten bevorzugen die flexiblen Lineale.

Das Wesentliche

Die Autoren haben nicht nur die Geschwindigkeit des Universums gemessen, sondern das Maßband repariert. Durch die Verwendung eines flexiblen, theoriefreien Ansatzes und die Kombination der neuesten Daten von leistungsstarken Teleskopen und kosmischen Explosionen fanden sie heraus:

• Die Hubble-Spannung (der Geschwindigkeitsstreit) ist fast verschwunden.
• Die Krümmungs-Spannung (der Formstreit) ist zugunsten eines flachen Universums gelöst.

Es ist, als hätten sie erkannt, dass die Vermesser stritten, weil sie starre, kaputte Lineale benutzten. Sobald sie zu flexiblen, hochtechnologischen Linealen wechselten, stimmten alle bei den Messungen überein.