Eine weit entfernte Ansicht des Universums zeigt Galaxien, die sich mit extremer Geschwindigkeit von uns entfernen. In diesen Entfernungen erscheinen Galaxien zahlreicher, kleiner, weniger entwickelt und treten bei großen Rotverschiebungen zurück als in der Nähe. Bildnachweis: NASA, ESA, R. Windhorst und H. Yan.

5 Fragen, die Ihnen zu peinlich waren, um sie über das expandierende Universum zu stellen

Von der Erweiterung bis hin zur Frage, ob sich die Dinge schneller als das Licht bewegen, werden einige unserer größten Missverständnisse ausgeräumt.

"Je klarer wir unsere Aufmerksamkeit auf die Wunder und Realitäten des Universums über uns richten können, desto weniger Geschmack werden wir für die Zerstörung haben." -Rachel Carson

Wenn wir auf das ferne Universum schauen, sehen wir über Millionen und sogar Milliarden von Lichtjahren hinweg überall und in alle Richtungen Galaxien. Mit geschätzten zwei Billionen Galaxien, die möglicherweise für die Menschheit beobachtbar sind, ist die Gesamtsumme dessen, was da draußen ist, größer und spektakulärer, als die meisten von uns sich vorstellen können. Eine der rätselhaftesten Tatsachen ist, dass von allen Galaxien, die wir jemals beobachtet haben, alle (im Durchschnitt) der gleichen Regel gehorchen: Je weiter sie von uns entfernt sind, desto schneller scheinen sie sich von uns zu entfernen. Diese Entdeckung, die Edwin Hubble und seine Mitarbeiter in den 1920er Jahren gemacht haben, führte uns zum Bild des expandierenden Universums. Aber was bedeutet es, dass sich das Universum ausdehnt? Die Wissenschaft weiß es, und jetzt wirst du es auch!

Je weiter wir wegschauen, desto weiter zurück in die Zeit zu einem weniger entwickelten Universum, das wir sehen. Aber nur, wenn die Allgemeine Relativitätstheorie gilt und ein expandierendes Universum regiert. Bildnachweis: Wikipedia-Nutzer Pablo Carlos Budassi.

1.) In was expandiert das Universum? Dies ist eine dieser Fragen, die so vernünftig klingt, weil alles andere, was sich ausdehnt, aus Materie besteht und im Raum und in der Zeit des Universums existiert. Aber das Universum selbst ist einfach Raum und Zeit und enthält die gesamte Materie und Energie, die in ihm vorhanden ist. Wenn wir sagen, dass sich das Universum ausdehnt, meinen wir, dass sich der Raum selbst ausdehnt, was dazu führt, dass wir sehen, wie sich die einzelnen Galaxien und Galaxienhaufen voneinander entfernen. Die beste Visualisierung, die ich je gesehen habe, ist, sich einen Teigball mit Rosinen vorzustellen, der in einem Ofen gebacken wird.

Das 'Rosinenbrot'-Modell des expandierenden Universums, bei dem die relativen Abstände mit der Ausdehnung des Raums (Teigs) zunehmen. Bildnachweis: NASA / WMAP Science Team.

Der Teig ist das Gewebe des Weltraums, die Rosinen sind die gebundenen Strukturen (wie Galaxien oder Gruppen / Galaxienhaufen), und aus der Sicht einer Rosine bewegen sich alle anderen Rosinen mit den weiter entfernten Rosinen davon weg schneller wegziehen. Nur im Fall des Universums gibt es keinen Ofen und keine Luft außerhalb des Teigs; Es gibt nur Teig (Raum) und Rosinen (Materie).

Es ist nicht einfach so, dass sich Galaxien von uns entfernen, was eine Rotverschiebung verursacht, sondern dass der Raum zwischen uns und der Galaxie das Licht auf seiner Reise von diesem entfernten Punkt zu unseren Augen rot verschiebt. Bildnachweis: Larry McNish vom RASC Calgary Center.

2.) Woher wissen wir, dass sich das Gefüge des Weltraums ausdehnt und nicht nur Galaxien, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen? Wenn Sie Objekte sehen, die sich in alle Richtungen von Ihnen wegbewegen, kann dies daran liegen, dass sich der Raum zwischen Ihnen und diesen Objekten vergrößert. Das ist eine Möglichkeit. Es scheint aber auch vernünftig, dass Sie sich in der Nähe des Zentrums einer Explosion befinden könnten, und viele Objekte sind nur weiter entfernt und bewegen sich heute schneller, weil sie bei der Explosion mehr Energie erhalten haben. Wenn das letztere wahr wäre, würde es zwei Beweisstücke geben, die auffallen würden:

  1. Bei großen Entfernungen und hohen Geschwindigkeiten würde es weniger Galaxien geben, da sie sich im Laufe der Zeit leichter im Weltraum ausbreiten würden.
  2. Die Beziehung zwischen Rotverschiebung und Entfernung würde bei großen Entfernungen einer ganz bestimmten Form gehorchen, die sich von dem Fall unterscheiden würde, in dem sich das Raumgefüge ausdehnte.
Die Unterschiede zwischen einer nur auf Bewegung basierenden Erklärung für Rotverschiebung / Entfernungen (gepunktete Linie) und den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie (durchgezogen) für Entfernungen im expandierenden Universum. Definitiv stimmen nur die Vorhersagen von GR mit dem überein, was wir beobachten. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Redshiftimprove.

Wenn wir auf große Entfernungen schauen, stellen wir fest, dass es im fernen Universum tatsächlich eine größere Galaxiendichte gibt als in der Nähe. Dies steht im Einklang mit einem Bild, in dem sich der Raum ausdehnt, da ein Blick in die Ferne dasselbe ist wie ein Blick in die Vergangenheit, in der weniger Ausdehnung stattgefunden hat. Wir stellen auch fest, dass die entfernten Galaxien eine Rotverschiebung und -entfernung aufweisen, die mit der Ausdehnung des Weltraums übereinstimmt, und sehr viel nicht mit Galaxien, die sich einfach schnell von uns entfernen. Diese Frage kann die Wissenschaft auf zwei sehr unterschiedliche Arten beantworten, und beide Antworten unterstützen ein expandierendes Universum.

Ein Diagramm der scheinbaren Expansionsrate (y-Achse) gegen die Entfernung (x-Achse) stimmt mit einem Universum überein, das sich in der Vergangenheit schneller ausgedehnt hat, sich aber heute noch ausdehnt. Dies ist eine moderne Version von Hubbles Originalwerk, die sich tausendfach weiter erstreckt. Beachten Sie die Tatsache, dass die Punkte keine gerade Linie bilden, was auf die zeitliche Änderung der Expansionsrate hinweist. Bildnachweis: Ned Wright, basierend auf den neuesten Daten von Betoule et al. (2014).

3.) Hat sich das Universum immer mit der gleichen Geschwindigkeit ausgedehnt? Wir nennen es die Hubble-Konstante, aber es ist nur eine Konstante überall im Raum, nicht jedes „Wann“ in der Zeit. Das Universum expandiert zu diesem Zeitpunkt langsamer als jemals zuvor. Wenn wir über die Expansionsrate sprechen, ist es eine Geschwindigkeit pro Einheitsentfernung: heute etwa 70 km / s / Mpc. (Ein „Mpc“ ist ein Megaparsec oder ungefähr 3.260.000 Lichtjahre.) Die Expansionsrate hängt jedoch von der Dichte aller verschiedenen Dinge im Universum ab, einschließlich Materie und Strahlung. Wenn sich das Universum ausdehnt, werden die Materie und die Strahlung in ihm weniger dicht, und wenn die Materie und die Strahlungsdichte abnehmen, nimmt auch die Expansionsrate ab. Das Universum expandierte in der Vergangenheit schneller und hat sich seit dem heißen Urknall verlangsamt. Die Hubble-Konstante ist eine Fehlbezeichnung. Es sollte als Hubble-Parameter bezeichnet werden.

Die weit entfernten Schicksale des Universums bieten eine Reihe von Möglichkeiten, aber wenn die Dunkle Energie wirklich eine Konstante ist, wie die Daten zeigen, wird sie weiterhin der roten Kurve folgen. Bildnachweis: NASA / GSFC.

4.) Wird sich das Universum für immer ausdehnen oder wird es eines Tages aufhören oder sogar wieder zusammenbrechen? Für Generationen war dies eine der heiligen Gralsfragen der Kosmologie und Astrophysik, und sie konnte nur beantwortet werden, indem sowohl bestimmt wurde, wie schnell sich das Universum ausdehnte, als auch welche verschiedenen Arten (und Mengen) von Energie in ihm vorhanden waren. Wir haben jetzt erfolgreich gemessen, wie viel normale Materie, Strahlung, Neutrinos, dunkle Materie und dunkle Energie vorhanden sind, sowie die Expansionsrate des Universums. Basierend auf den Gesetzen der Physik und dem, was in der Vergangenheit passiert ist, sieht es so aus, als würde sich das Universum für immer weiter ausdehnen. Obwohl dies keine 100% ige Gewissheit ist; Wenn sich so etwas wie dunkle Energie in Zukunft anders verhält als in Vergangenheit und Gegenwart, werden alle unsere Schlussfolgerungen überarbeitet.

5.) Bewegen sich Galaxien schneller als mit Lichtgeschwindigkeit weg und ist das nicht verboten? Aus unserer Sicht erweitert sich der Raum zwischen uns und jedem entfernten Punkt. Je weiter etwas entfernt ist, desto schneller scheint es von uns zurückzutreten. Selbst wenn die Expansionsrate winzig wäre, würde ein Objekt, das weit genug entfernt ist, schließlich diese Schwelle einer endlichen Geschwindigkeit überschreiten, da eine Expansionsrate (eine Geschwindigkeit pro Entfernung) multipliziert mit einer ausreichend großen Entfernung eine Geschwindigkeit ergibt, die so schnell ist wie Sie wollen. Aber das ist in der Allgemeinen Relativitätstheorie in Ordnung! Das Gesetz, dass sich nichts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen kann, gilt nur für die Bewegung eines Objekts durch den Raum, nicht für die Ausdehnung des Raums selbst. In Wirklichkeit bewegen sich die Galaxien selbst nur mit einer Geschwindigkeit von Hunderten oder Tausenden von km / s, die weit unter der durch die Lichtgeschwindigkeit festgelegten Geschwindigkeitsbegrenzung von 300.000 km / s liegt. Es ist die Expansion des Universums, die diese Rezession und die Rotverschiebung verursacht, keine echte galaktische Bewegung.

Innerhalb des beobachtbaren Universums (gelber Kreis) gibt es ungefähr 2 Billionen Galaxien. Galaxien, die mehr als ein Drittel des Weges bis zur Grenze dessen, was wir beobachten können, zurücklegen, können aufgrund der Expansion des Universums niemals erreicht werden, so dass nur 3% des Universumsvolumens für die Erforschung durch den Menschen offen bleiben. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Azcolvin 429 und Frédéric MICHEL / E. Siegel.

Die Ausdehnung des Universums ist eine notwendige Folge davon, dass Materie und Energie eine Raumzeit füllen, die den Gesetzen der Allgemeinen Relativitätstheorie gehorcht. Solange es Materie gibt, gibt es Anziehungskraft, also gewinnt entweder die Schwerkraft und alles kollabiert, oder die Schwerkraft verliert und die Expansion gewinnt. Es gibt kein Zentrum für die Expansion, noch gibt es etwas außerhalb des Raumes, in das sich das Universum ausdehnt. Das Gewebe des Universums selbst ist das, was die Expansion überall und für alle Zeiten bewirkt. Selbst wenn wir heute die Erde mit Lichtgeschwindigkeit verlassen, werden nur 3% der Galaxien im beobachtbaren Universum jemals erreichbar sein. 97% von ihnen sind bereits außerhalb unserer Reichweite. Das Universum mag ein komplizierter Ort sein, aber zumindest kennen Sie jetzt die Antworten auf fünf seiner am häufigsten missverstandenen Fragen!

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.