Es gibt eine große Anzahl wissenschaftlicher Beweise, die das Bild des expandierenden Universums und des Urknalls stützen. Aber ob das Universum endlich oder unendlich ist, ist noch nicht entschieden. Bildnachweis: NASA / GSFC.

Fragen Sie Ethan: Woher wissen wir, dass sich der Raum erweitert?

Das Universum mag unserer Intuition trotzen, aber dafür ist die Wissenschaft da!

Wenn Sie einen Blick auf das Universum werfen und in jede Richtung, in die Sie schauen, Objekte sehen, die von Ihnen wegstürmen, was würden Sie daraus schließen? Wäre es, dass du irgendwie abstoßend bist? Dass sich das Raumgefüge selbst ausdehnt? Dass Sie sich im Zentrum einer früheren Explosion befinden und alles andere nur vom Explosionspunkt weg rast? Diese und andere Optionen mögen alle vernünftig erscheinen, aber irgendwie sagen Wissenschaftler immer, dass sich das Universum ausdehnt, als ob keine andere Alternative dies tun würde. Warum das? Unser Leser Buck will es wissen und fragt:

Woher wissen wir, dass sich der Raum ausdehnt? In Bezug auf was? Rotverschiebende Galaxien, die weiter auseinander wachsen, könnten dies im unendlichen Raum tun, im Gegensatz zum expandierenden Raum.

Ob Sie es glauben oder nicht, die Antwort steht auf dem Gesicht des Universums.

Die Raumzeit in unserer Nachbarschaft, die aufgrund des Gravitationseinflusses der Sonne und anderer Massen gekrümmt ist. Bildnachweis: T. Pyle / Caltech / MIT / LIGO Lab.

Eine der unglaublichsten Tatsachen über Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie - unsere führende Gravitationstheorie - ist, dass sie die Beziehung zwischen Raumzeit einerseits und Materie und Energie andererseits beschreibt. Materie und Energie geben der Raumzeit an, wie sie sich krümmen sollen. Die Raumzeit sagt aus, wie man sich bewegt. Wenn wir wissen, wie sich die gesamte Materie und Energie im Universum zu einem bestimmten Zeitpunkt verteilt, und wir auch wissen, wie sich diese Materie und Energie bewegen, können wir rekonstruieren, wie sich die Raumzeit im Laufe der Geschichte des Universums krümmt und entwickelt.

Eine zweidimensionale Schicht der überdichten (rot) und unterdichten (blau / schwarz) Regionen des Universums in unserer Nähe. Die Linien und Pfeile veranschaulichen die Richtung der besonderen Geschwindigkeitsflüsse, aber all dies ist in ein Gewebe aus expandierendem Raum eingebettet. Bildnachweis: Kosmographie des lokalen Universums - Courtois, Helene M. et al. Astron.J. 146 (2013) 69.

Wenn wir uns die Galaxien in unserem Universum ansehen, werden die sehr nahe gelegenen von der Gravitationsdynamik anderer nahegelegener Galaxien dominiert. Die Milchstraße und Andromeda gehen aufeinander zu; Die anderen Galaxien in der lokalen Gruppe werden schließlich auch mit uns verschmelzen. Außerhalb davon werden Galaxien zu den anderen nahe gelegenen Massen gezogen, wie große Galaxien und Gruppen und Galaxienhaufen. In jeder relativ kleinen Region des Weltraums, die einige Millionen oder zehn Millionen Lichtjahre groß ist, bestimmen die Massen in diesem Raum insgesamt, wie sich die Galaxien bewegen werden.

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.

Bei größeren Maßstäben sehen wir jedoch einen anderen Effekt. Diese kleinen Bewegungen, die als besondere Geschwindigkeiten bezeichnet werden, können Geschwindigkeiten verursachen, die bis zu einigen tausend Kilometern pro Sekunde ansteigen. Aber sie überlagern einen größeren Effekt, den Sie nur sehen können, wenn Sie viel größere Maßstäbe betrachten: Je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, desto schneller scheint sie sich von uns zu entfernen.

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 / RASC Calgary Center.

Diese empirische Beobachtung ist als Hubble-Gesetz bekannt und besagt lediglich, dass die scheinbare Rezessionsgeschwindigkeit einer Galaxie proportional zu ihrer Entfernung von uns ist. Die Proportionalitätskonstante ist als Hubble-Konstante bekannt und wurde sehr genau mit etwa 70 km / s / Mpc gemessen, mit einer Unsicherheit von etwa 3 bis 4 km / s / Mpc, je nachdem, wie Sie sie messen.

Die Rotverschiebungs-Distanz-Beziehung für entfernte Galaxien. Die Punkte, die nicht genau auf die Linie fallen, verdanken die leichte Nichtübereinstimmung den Unterschieden in den besonderen Geschwindigkeiten, die nur geringfügige Abweichungen von der insgesamt beobachteten Ausdehnung bieten. Die Originaldaten von Edwin Hubble, die zuerst verwendet wurden, um zu zeigen, dass sich das Universum ausdehnte, passten alle in das kleine rote Kästchen unten links. Bildnachweis: Robert Kirshner, PNAS, 101, 1, 8–13 (2004).

Aber warum passiert das? Warum bewegt sich alles von allem anderen weg, solange sie gravitativ ungebunden sind? Kehren wir zu den Grundlagen der Allgemeinen Relativitätstheorie zurück, bis hin zu einer Erkenntnis, die Einstein hatte, bevor er jemals seine mächtigste Idee veröffentlichte.

Als Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie aufstellte, erkannte er schnell, dass es eine Konsequenz gab, über die er unglücklich war: Ein Universum, das in alle Richtungen mit Materie gefüllt war, wäre gegen den Gravitationskollaps instabil. Einsteins Lösung bestand darin, eine unsichtbare, nach außen drückende Kraft zu bilden, die das Auftreten dieses Zusammenbruchs verhinderte, eine kosmologische Konstante. Aber wenn Sie diese kosmologische Konstante nicht einbeziehen würden, wurde anderen schnell klar, dass Sie mit einem Universum enden würden, das nicht zeitlich statisch ist, in dem sich das Raumgefüge selbst jedoch mit der Zeit ausdehnt oder zusammenzieht.

Die Ballon / Münz-Analogie des expandierenden Universums. Die einzelnen Strukturen (Münzen) dehnen sich nicht aus, die Abstände zwischen ihnen jedoch in einem expandierenden Universum. Bildnachweis: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

Selbst dann war Einsteins Fix nicht gut. Seine kosmologische Konstante führte zu einem instabilen Universum: Einige überdichte Taschen würden zusammenbrechen, während die unterdichten auf außer Kontrolle geratene Weise zurücktreten würden. Ein Universum, das den Gesetzen der Allgemeinen Relativitätstheorie gehorcht, kann nicht einfach eine statische Raumzeit haben, solange es voller Materie ist. Wenn wir auf unsere schauen, sehen wir, dass sie sowohl homogen als auch isotrop erscheint. Diese beiden Eigenschaften sind so wichtig, weil sie uns zwei wichtige Dinge sagen:

  1. Homogen bedeutet, dass das Universum überall im Raum gleich ist.
  2. Isotrop bedeutet, dass das Universum in alle Richtungen gleich ist.

Zusammen sagen sie uns, dass das Universum eine gleichmäßige Verteilung von Materie / Energie enthält, egal wohin Sie gehen oder in welche Richtung Sie schauen. Dies, kombiniert mit der Tatsache, dass entfernte Galaxien umso schneller zurückzutreten scheinen, je weiter sie entfernt sind Lassen Sie uns nur sehr wenige Optionen, was die Erklärung betrifft.

Ein Universum, das den Relativitätsgesetzen gehorcht und isotrop und homogen mit Materie und / oder Strahlung gefüllt ist, kann nicht statisch sein. Es muss sich ausdehnen oder zusammenziehen, abhängig davon, was darin enthalten ist und in welcher Höhe. Bildnachweis: E. Siegel / Jenseits der Galaxis.

Dies könnte auf eine Reihe von Faktoren zurückzuführen sein, darunter:

  • Das Licht dieser fernen Galaxien wird „müde“ und verliert Energie, wenn sie durch den Weltraum reisen.
  • Eine schnelle Bewegung, bei der sich die sich schneller bewegenden Galaxien mit der Zeit weiter entfernen.
  • Eine anfängliche Explosion, die einige Galaxien durch die Gegenwart weiter von uns entfernt,
  • Oder das Raumgefüge selbst dehnt sich aus,

Nur die letzte Option wurde durch die vollständige Datenreihe validiert, die sowohl die allgemeine Relativitätstheorie als auch die astrophysikalische Verteilung und Eigenschaften aller beobachteten Galaxien stützt.

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.

Bereits in den 1930er Jahren wurde sehr schnell klar, dass es keine zwei Möglichkeiten gibt: Das Universum dehnt sich tatsächlich aus. Die Tatsache, dass die Rotverschiebung eines Objekts mit der Entfernungsrelation und der beobachteten Expansionsrate übereinstimmte und auch unabhängig davon, wie weit ein Objekt entfernt war, bestätigte dies.

Aber es gibt noch mehr Beweise. Wenn sich das Universum tatsächlich ausdehnen würde, gäbe es eine Reihe von Dingen, die wir erwarten könnten. Wir würden sehen, dass je weiter wir in die ferne Vergangenheit blickten, desto dichter die Materie im Universum erscheinen würde. Wir würden sehen, dass Galaxien näher beieinander liegen als heute. Wir würden sehen, dass das Lichtspektrum von Schwarzkörperobjekten eher Schwarzkörper als Energieverschiebung blieb. Und wir würden sehen, dass die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung damals eine höhere Temperatur hatte als die 2,7 K, die sie heute ist.

Eine Studie aus dem Jahr 2011 (rote Punkte) hat bisher die besten Beweise dafür geliefert, dass der CMB in der Vergangenheit eine höhere Temperatur hatte. Die spektralen und Temperatureigenschaften von entferntem Licht bestätigen, dass wir in einem expandierenden Raum leben. Bildnachweis: P. Noterdaeme, P. Petitjean, R. Srianand, C. Ledoux und S. López (2011). Astronomy & Astrophysics, 526, L7.

Alle diese Beweise stimmen überein und lehren uns, dass sich das Universum ausdehnt, und das ist eher die Ursache für die offensichtliche Rezession als irgendeine andere Erklärung. Es ist keine Bewegung; es ist kein müdes Licht; Es ist nicht das Ergebnis einer Explosion. Der Raum selbst erweitert sich und der Teil unseres Universums, den wir sehen und auf den wir zugreifen können, wird immer größer. Obwohl es erst 13,8 Milliarden Jahre her ist, dass der Urknall stattgefunden hat, befindet sich das am weitesten entfernte Licht, das heute in unseren Augen ankommt, derzeit 46 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt.

Das beobachtbare Universum mag aus unserer Sicht 46 Milliarden Lichtjahre in alle Richtungen betragen, aber es gibt sicherlich mehr, nicht beobachtbares Universum, vielleicht sogar eine unendliche Menge, genau wie unser darüber hinaus. Bildnachweis: Frédéric MICHEL und Andrew Z. Colvin, kommentiert von E. Siegel.

Was liegt darüber hinaus? Wir sind uns fast sicher, dass es da draußen mehr „Universum“ gibt, aber es ist einfach so, dass das Licht noch nicht genug Zeit hatte, um zu unseren Augen zu reisen. Das nicht beobachtbare Universum kann, jenseits dessen, was wir beobachten können, endlich oder unendlich sein; wir wissen es einfach nicht. Aber selbst wenn es schon unendlich ist, kann es sich immer noch ausdehnen! Wenn sich das Universum ausdehnt, multiplizieren Sie einfach seine Größe mit einem „Wachstumsfaktor“. Wenn es also endlich beginnt, ist es immer noch endlich (aber größer), und wenn es unendlich beginnt, ist es immer noch unendlich. Und wenn Ihre Neugier Sie weiter bringt, können Sie gerne lernen, in was sich das Universum ausdehnt, oder 5 andere Fragen über das sich ausdehnende Universum. Wir sind sicher, dass sich das Universum im Laufe der Zeit verändert, erweitert und ausdehnt, da die Auswirkungen konsistent und unbestreitbar sind. Aber was liegt jenseits des Universums, das wir gegenwärtig beobachten können? Wir arbeiten immer noch daran, es herauszufinden. Wie immer gibt es mehr Wissenschaft zu tun!

Senden Sie Ihre Fragen an Ethan an Startwithabang bei gmail dot com!

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.