Es gibt eine große Reihe 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 der Weltraum wächst?

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

Wenn Sie einen Blick auf das Universum werfen und in jede Richtung, in die Sie schauen, Objekte sehen, die sich von Ihnen entfernen, was würden Sie daraus schließen? Wäre es so, dass Sie irgendwie abstoßend sind? 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 "das Universum dehnt sich aus", als ob keine andere Alternative dies tun würde. Warum das? Unser Leser Buck will es wissen und fragt:

Woher wissen wir, dass der Raum wächst? In Bezug auf was? Rot verschobene Galaxien, die weiter auseinander wachsen, könnten dies im unendlichen Raum tun, anstatt den Raum auszudehnen.

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 sagen der Raumzeit, wie sie sich krümmen sollen. Die Raumzeit sagt, wie man sich bewegt. Wenn wir wissen, wie die gesamte Materie und Energie im Universum zu einem bestimmten Zeitpunkt verteilt ist und wie sich diese Materie und Energie bewegen, können wir nachvollziehen, wie sich die Raumzeit im Verlauf der Geschichte des Universums krümmt und entwickelt.

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

Wenn wir einen Blick auf die Galaxien in unserem Universum werfen, werden die ganz in der Nähe befindlichen Galaxien von der Gravitationsdynamik anderer benachbarter Galaxien dominiert. Die Milchstraße und Andromeda sind aufeinander zu gerichtet; Die anderen Galaxien in der lokalen Gruppe werden schließlich ebenfalls mit uns verschmelzen. Draußen werden Galaxien wie große Galaxien, Gruppen und Galaxienhaufen zu den anderen nahe gelegenen Massen gezogen. In jeder relativ kleinen Region des Weltraums, die einige Millionen oder zehn Millionen Lichtjahre groß ist, bestimmen die Massen in diesem Weltraum insgesamt, wie sich die Galaxien bewegen werden.

Ein ultra-entfernter Blick auf das Universum 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 im Vergleich zu denen in der Nähe. Bildnachweis: NASA, ESA, R. Windhorst und H. Yan.

In größeren Maßstäben sehen wir jedoch einen anderen Effekt. Diese kleinen Bewegungen, die als besondere Geschwindigkeiten bezeichnet werden, können zu Geschwindigkeiten führen, die bis zu einigen tausend Kilometern pro Sekunde ansteigen. Sie überlagern sich jedoch mit einem größeren Effekt, den Sie erst 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 Centre.

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

Die Rotverschiebungs-Entfernungs-Beziehung für ferne Galaxien. Die Punkte, die nicht genau auf die Linie fallen, sind auf die Unterschiede in den spezifischen Geschwindigkeiten zurückzuführen, die nur geringfügige Abweichungen von der insgesamt beobachteten Ausdehnung aufweisen. Die Originaldaten von Edwin Hubble, die zum ersten Mal für die Erweiterung des Universums verwendet wurden, passen 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 nicht gravitativ gebunden sind? Kehren wir zu den Grundlagen der Allgemeinen Relativitätstheorie zurück, zurück zu einer Erkenntnis, die Einstein vor der Veröffentlichung seiner mächtigsten Idee hatte.

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, würde gegen den Gravitationskollaps instabil sein. Einsteins Lösung bestand darin, eine unsichtbare, nach außen drängende Kraft zu erfinden, die das Auftreten dieses Kollapses verhinderte, eine kosmologische Konstante. Aber wenn Sie diese kosmologische Konstante nicht mit einbeziehen würden, wurde anderen schnell klar, dass Sie mit einem Universum enden würden, das nicht in der Zeit statisch ist, sondern in dem sich das Raumgefüge selbst mit der Zeit ausdehnt oder zusammenzieht.

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

Selbst dann war Einsteins Verlegenheit nicht gut. Seine kosmologische Konstante führte zu einem instabilen Universum: Einige überlastete Taschen würden zusammenbrechen, während die unterlasteten auf eine außer Kontrolle geratene Weise zurückgingen. Ein Universum, das den Gesetzen der Allgemeinen Relativitätstheorie folgt, 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 mitteilen:

  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 hat, egal wohin Sie gehen oder in welche Richtung Sie schauen. Dies, kombiniert mit der Tatsache, dass entfernte Galaxien sich schneller zu entfernen scheinen, je weiter sie entfernt sind Lassen Sie uns, was die Erklärung angeht, nur sehr wenige Optionen.

Ein Universum, das den Gesetzen der Relativität 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 sich in welcher Menge darin befindet. Bildnachweis: E. Siegel / Jenseits der Galaxie.

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

  • Das Licht dieser fernen Galaxien wird "müde" und verliert Energie, wenn sie sich durch den Weltraum bewegen.
  • Eine schnelle Bewegung, in 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 Gewebe des Raumes selbst expandiert,

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

Die Unterschiede zwischen einer rein bewegungsbasierten Erklärung für Rotverschiebung / Entfernungen (gepunktete Linie) und den (durchgezogenen) Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie für Entfernungen im expandierenden Universum. Definitiv stimmen nur die Vorhersagen von GR mit unseren Beobachtungen überein. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Redshiftimprove.

Schon in den 1930er Jahren wurde sehr schnell klar, dass es keine zwei Möglichkeiten gibt: Das Universum expandiert tatsächlich. Die Tatsache, dass die Rotverschiebung eines Objekts mit dem Entfernungsverhältnis und der beobachteten Expansionsrate übereinstimmte und dies auch tat, egal 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 die Materie im Universum umso dichter erscheint, je weiter wir in die ferne Vergangenheit blicken. Wir würden sehen, dass Galaxien enger zusammengewachsen sind als heute. Wir würden sehen, dass das Lichtspektrum von Schwarzkörperobjekten Schwarzkörper blieb, anstatt sich in Energie zu verschieben. Und wir würden sehen, dass die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung damals eine höhere Temperatur hatte als heute 2,7 K.

Eine Studie aus dem Jahr 2011 (rote Punkte) hat den bisher besten Beweis erbracht, dass der CMB in der Vergangenheit eine höhere Temperatur aufwies. Die Spektral- und Temperatureigenschaften des fernen Lichts bestätigen, dass wir im 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 jede andere Erklärung. Es ist keine Bewegung; es ist kein müdes Licht Es ist nicht das Ergebnis einer Explosion. Der Raum selbst dehnt sich aus und der Teil unseres Universums, den wir sehen und zu dem wir Zugang haben, wird immer größer. Obwohl es erst 13,8 Milliarden Jahre her ist, dass der Urknall stattgefunden hat, ist das am weitesten entfernte Licht, das heute in unsere Augen gelangt, 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 beobachtbare Universen, vielleicht sogar eine unendliche Menge, genau wie unser Universum darüber hinaus. Bildnachweis: Frédéric MICHEL und Andrew Z. Colvin, kommentiert von E. Siegel.

Was liegt dahinter? 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 gelangen. Das nicht beobachtbare Universum kann, jenseits dessen, was wir beobachten können, endlich oder unendlich sein; wir wissen es einfach nicht Aber auch wenn es bereits unendlich ist, kann es sich trotzdem ausdehnen! Wenn sich das Universum erweitert, multipliziert man 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, werden Sie vielleicht 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 Ask Ethan-Fragen an startswithabang at gmail dot com!

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