Wenn wir zu immer größeren Entfernungen zurückblicken, sehen wir auch eine Zeitreise in die Vergangenheit. Wie weit müssen wir zurückgehen, um die Geburt unseres Universums zu erreichen? Bildnachweis: ESA / Hubble & NASA; Danksagung: Judy Schmidt.

Fragen Sie Ethan: Woher wissen wir, dass das Universum 13,8 Milliarden Jahre alt ist?

Auch wenn wir den Urknall akzeptieren, wie sicher sind wir, dass wir das richtige Alter haben?

"Die älteste und stärkste Emotion der Menschheit ist die Angst, und die älteste und stärkste Art der Angst ist die Angst vor dem Unbekannten." -H.P. Lovecraft

Sie haben die Geschichte schon einmal gehört: Das Universum begann vor 13,8 Milliarden Jahren mit dem Urknall und bildete Atome, Sterne, Galaxien und schließlich Planeten mit den richtigen Zutaten für das Leben. Der Blick auf ferne Orte im Universum ist auch ein Rückblick in die Zeit und irgendwie haben wir durch die Kraft der Physik und Astronomie nicht nur herausgefunden, wie das Universum begann, sondern auch sein Alter. Aber woher wissen wir, wie alt das Universum ist? Das möchte Thys Hauptfleisch für Ask Ethan wissen:

Ethan, wie wurden die 13,8 Milliarden Jahre berechnet? (Auf Englisch bitte!)

Tatsächlich gibt es zwei verschiedene, unabhängige Methoden, mit denen wir diese Zahl messen müssen, und während die eine für die andere weitaus genauer ist, sind für die weniger genaue Methode weitaus weniger Annahmen erforderlich.

Eine Darstellung der kosmischen Geschichte unseres Universums. Bildnachweis: NASA / GSFC / Dana Berry.

Umso genauer ist es, darüber nachzudenken, dass sich unser Universum heute ausdehnt und abkühlt, und zu erkennen, dass es in der Vergangenheit daher heißer und dichter war. Wenn wir in frühere und frühere Zeiten zurückgehen, werden wir feststellen, dass das Volumen des Universums kleiner ist und die Materie nicht nur näher beieinander liegt, sondern auch die Wellenlängen aller einzelnen Photonen (Lichtteilchen). es war kürzer, als die Expansion des Universums sie so lange verlängert hat, wie sie heute sind.

Die Strahlung verschiebt sich rot, wenn sich das Universum ausdehnt, was bedeutet, dass es in der Vergangenheit des Universums energiereicher war, mit einer größeren Energiemenge pro Photon. Bildnachweis: E. Siegel.

Da die Wellenlänge eines Photons seine Energie und Temperatur definiert, ist ein Photon mit kürzerer Wellenlänge energiereicher und hat eine höhere Temperatur. Wenn wir weiter und weiter in der Zeit zurückkehren, steigt die Temperatur immer weiter an, bis wir irgendwann die frühesten Stadien des heißen Urknalls erreichen. Das ist wichtig: Es gibt eine „früheste Phase“ für den heißen Urknall!

Wenn wir weit zurück „unendlich“ extrapolieren würden, würden wir eine Singularität erreichen, in der die Physik zusammenbricht. Mit unserem modernen Verständnis des sehr frühen Universums wissen wir, dass ein Inflationszustand dem heißen, dichten Urknall vorausging und dass der Inflationszustand von unbestimmter Dauer war. Wenn wir also vom "Zeitalter des Universums" sprechen, sprechen wir davon, wie viel Zeit vergangen ist, seit das Universum zum ersten Mal vom heißen Urknall bis zum heutigen Tag beschrieben werden konnte.

Nach dem Ende der kosmischen Inflation können wir unser Universum so beschreiben wie heute und die Uhr vom heißen Urknall an ticken lassen. Bildnachweis: Bock et al. (2006, astro-ph / 0604101); Modifikationen von E. Siegel.

Wenn Sie nach den Gesetzen der Allgemeinen Relativitätstheorie ein Universum wie das unsere haben, ist dies:

  • von gleichmäßiger Dichte auf den größten Skalen,
  • die an allen Standorten die gleichen Gesetze und allgemeinen Eigenschaften hat,
  • welches in alle Richtungen gleich ist, und
  • in dem der Urknall überall auf einmal auftrat,

Dann gibt es eine einzigartige Verbindung zwischen dem Alter des Universums und seiner Ausdehnung im Laufe seiner Geschichte.

Die Expansionsrate des Universums wird durch die verschiedenen Arten und Prozentsätze der darin enthaltenen Materie und Energie bestimmt. Bildnachweis: NASA, ESA und A. Feild (STScI).

Mit anderen Worten, wenn wir messen können, wie sich das Universum heute ausdehnt und wie es sich über die gesamte Geschichte ausgedehnt hat, können wir genau wissen, aus welchen verschiedenen Komponenten es besteht. Wir lernen dies aus einer ganzen Reihe von Beobachtungen, einschließlich:

  • Durch direkte Messungen der Helligkeiten und Entfernungen von Objekten im Universum wie Sternen, Galaxien und Supernovae können wir die kosmische Entfernungsleiter konstruieren.
  • Aus Messungen von großräumigen Strukturen, Galaxienhaufen und aus baryonalen akustischen Oszillationen.
  • Und aus den Schwankungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, eine „Momentaufnahme“ des Universums, als es nur 380.000 Jahre alt war.
Drei verschiedene Arten von Messungen, Entfernungsindikatoren in Sternen und Galaxien, die großräumige Struktur des Universums und die Schwankungen im CMB geben Aufschluss über die Expansionsgeschichte des Universums. Bildnachweis: ESA / Hubble und NASA, Sloan Digital Sky Survey, ESA und Planck Collaboration.

Sie fügen all diese Dinge zusammen und erhalten ein Universum, das heute aus 68% dunkler Energie, 27% dunkler Materie, 4,9% normaler Materie, etwa 0,1% Neutrinos, etwa 0,01% Strahlung und so ziemlich nichts besteht sonst. Aber Sie werfen ein, wie sich das Universum heute ausdehnt, und wir können dies in der Zeit zurückrechnen und die gesamte Expansionsgeschichte des Universums und damit sein Alter kennenlernen.

Die Aufteilung der verschiedenen Komponenten, die zur Energiedichte des Universums als Funktion der Zeit beitragen. Bildnachweis: E. Siegel.

Die Zahl, die wir erhalten - am genauesten von Planck, aber ergänzt durch andere Quellen wie Supernova-Messungen, das HST-Schlüsselprojekt und den Sloan Digital Sky Survey -, ist, dass das Universum 13,81 Milliarden Jahre alt ist und eine Unsicherheit von nur 120 Millionen Jahren aufweist. Dies bedeutet, dass wir mit einer Genauigkeit von 99,1% im Zeitalter des Universums zuversichtlich sind, was eine erstaunliche Leistung ist!

Ja, wir haben eine Reihe unterschiedlicher Datensätze, die auf diese Schlussfolgerung hinweisen. In Wirklichkeit ist es jedoch dieselbe Methode. Wir haben einfach das Glück, dass es ein konsistentes Bild gibt, auf das sie alle hinweisen, aber in Wirklichkeit reicht eine der Einschränkungen nicht aus, um zu sagen, „genau so ist das Universum“. Stattdessen bieten sie alle eine Vielzahl von Möglichkeiten und es ist nur ihre Kreuzung, die uns sagt, wo wir leben.

Die Kombination der drei Haupttypen von Datensätzen, Entfernungsindikatoren wie Supernovae, Galaxienhaufen und CMB, zeigt genau, was unser Universum ausmacht. Bildnachweis: Suzuki et al. (The Supernova Cosmology Project), zur Veröffentlichung angenommen, Ap.J., 2011., via http://supernova.lbl.gov/Union/.

Wenn das Universum heute die gleichen aktuellen Eigenschaften hätte, aber zu 100% aus normaler Materie und ohne dunkle Materie oder dunkle Energie besteht, wäre unser Universum nur 10 Milliarden Jahre alt. Wenn das Universum 5% normale Materie (ohne Dunkle Materie oder Dunkle Energie) und die Hubble-Konstante 50 km / s / Mpc anstelle von 70 km / s / Mpc wäre, wäre unser Universum satte 16 Milliarden Jahre alt. Mit den Kombinationen von Dingen, die wir heute haben, können wir jedoch zuversichtlich sagen, dass 13,81 Milliarden Jahre das Alter des Universums sind, mit einer sehr geringen Unsicherheit. Es ist eine unglaubliche Leistung der Wissenschaft.

Und das Ganze ist zu Recht eine Methode. Es ist das wichtigste, es ist das beste, es ist das vollständigste und es gibt eine Menge verschiedener Beweise, die darauf hindeuten. Aber es gibt noch eine andere und sie ist unglaublich nützlich, um unsere Ergebnisse zu überprüfen.

Die funkelnden Sterne, die Sie sehen, sind ein Beweis für die Variabilität, die auf eine einzigartige Beziehung zwischen Periode und Helligkeit zurückzuführen ist. Bildnachweis: Joel D. Hartman, Princeton University, über http://www.astro.princeton.edu/~jhartman/M3_movies.html.

Es ist die Tatsache, dass wir wissen, wie Sterne leben, ihren Treibstoff verbrennen und sterben. Insbesondere wissen wir, dass alle Sterne, wenn sie leben und ihren Hauptbrennstoff verbrennen (Wasserstoff zu Helium verschmelzen), eine bestimmte Helligkeit und Farbe haben und nur für eine bestimmte Zeit bei dieser bestimmten Helligkeit und Farbe bleiben: bis Ihren Kernen geht der Treibstoff aus.

Zu diesem Zeitpunkt beginnen die helleren, blaueren und massereicheren Sterne, sich aus der Hauptsequenz (der gekrümmten Linie im Farbgrößen-Diagramm unten) zu "auszuschalten" und entwickeln sich zu Riesen und / oder Überriesen.

Die Lebenszyklen von Sternen können im Zusammenhang mit dem hier gezeigten Farb- / Größendiagramm verstanden werden. Bildnachweis: Richard Powell unter c.c.-by-s.a.-2,5 (L); R. J. Hall unter c.c.-by-s.a.-1.0 (R).

Wenn wir uns ansehen, wo sich dieser Wendepunkt für eine Gruppe von Sternen befindet, die sich alle gleichzeitig gebildet haben, können wir herausfinden, wie alt diese Sterne in der Gruppe sind, wenn wir wissen, wie Sterne funktionieren. Wenn wir uns die ältesten Kugelhaufen dort draußen ansehen, die am wenigsten schwere Elemente enthalten und bei denen die Sterne mit der geringsten Masse abgeschaltet werden, stellen wir fest, dass sie in einem Alter von bis zu 13,2 Milliarden Jahren ziemlich konstant eintreten. aber nicht viel älter. (Es gibt jedoch erhebliche Unsicherheiten von rund einer Milliarde Jahren.)

Die ältesten bekannten Kugelhaufen enthalten Sterne bis zu 95% des Alters des Universums. Bildnachweis: ESA / Hubble & NASA.

Alter von 12 Milliarden Jahren und darüber sind weit verbreitet, aber Alter von beispielsweise 14 Milliarden Jahren und darüber sind unbekannt, obwohl es in den 1990er Jahren Zeiträume gab, in denen häufig Alter von 14 bis 16 Milliarden Jahren genannt wurden. (Durch ein verbessertes Verständnis der Sterne und ihrer Entwicklung sind diese Zahlen gesunken.)

Insgesamt haben wir also zwei Methoden - eine aus unserer kosmischen Geschichte und eine aus der Messung lokaler Sterne -, die zeigen, dass unser Universum zwischen 13 und 14 Milliarden Jahre alt ist. Es würde niemanden überraschen, wenn wir nur 13,6 oder 14,0 Milliarden Jahre alt wären, aber wir sind nicht mit äußerster Gewissheit 13,0 oder 15,0 Milliarden Jahre alt. Nehmen wir an, wir sind mit Zuversicht 13,8 Milliarden Jahre alt und jetzt wissen Sie, wie wir es herausgefunden haben!

Senden Sie Ihre Fragen an Ask Ethan, um sie hier zu sehen. Schreiben Sie dazu an startswithabang at gmail dot com!

Dieser Beitrag erschien zum ersten Mal bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!