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Fragen Sie Ethan: Wenn das Universum in einer großen Krise endet, wird der gesamte Weltraum-Recollapse?

Unser zukünftiges Schicksal ist wahrscheinlich schon bestimmt. Wenn wir in einer großen Krise enden, was bedeutet das?

Das ultimative Schicksal des Universums ist eine der größten existenziellen Fragen, die wir stellen können. In Anbetracht der Tatsache, dass unser Universum seit dem Urknall seit Milliarden von Jahren existiert, ist es voller Sterne und Galaxien, die über die Weiten des Weltalls verstreut sind und sich in alle Richtungen auszudehnen und abzukühlen scheinen, gibt es faszinierende Möglichkeiten für das, was möglich wäre in der Zukunft entstehen. Vielleicht erweitern wir für immer. vielleicht werden wir aufhören zu expandieren und wieder zusammenzufallen; vielleicht beschleunigt sich die Expansion und zerreißt uns. Ein mögliches Schicksal ist der Big Crunch, und das interessiert unseren Patreon-Unterstützer Jim Nance, der fragt:

Wenn Sie den Big Crunch beschreiben, sprechen Sie über ein Rennen zwischen der Schwerkraft und der Ausdehnung des Weltraums. Es ist mir nicht klar, ob die Schwerkraft dieses Rennen gewinnt, ob sich der Weltraum nicht weiter ausdehnt oder einfach nur, dass die Materie im Weltraum nicht weiter wächst. Ich würde gerne Ihre Erklärung dazu hören.

Dies ist eine komplexe Frage, aber die Physik, die wir heute kennen, erlaubt es uns, die Herausforderung anzunehmen und eine endgültige Antwort zu geben.

Die verschiedenen möglichen Schicksale des Universums, wobei unser aktuelles, beschleunigtes Schicksal rechts dargestellt ist. Mit der Zeit werden ungebundene Galaxien exponentiell weiter voneinander entfernt. (NASA & ESA)

Wenn wir auf die fernen Galaxien außerhalb unserer lokalen Gruppe schauen, stellen wir fest, dass das Licht von ihnen rot verschoben ist. Normalerweise ist die wichtigste Eigenschaft von Licht die Wellenlänge: der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Spitzen oder Tälern in den oszillierenden elektromagnetischen Feldern, die eine Lichtwelle definieren. Die Wellenlänge bestimmt die Frequenz, Farbe, Energie und den Impuls des Lichts.

Wann immer wir einen atomaren Übergang haben, bei dem Elektronen von einem Energieniveau zum anderen springen, wird dies entweder von der Absorption oder Emission eines Photons begleitet. Da diese Energieniveaus spezifische Werte haben, werden den absorbierten oder emittierten Photonen bestimmte Wellenlängen zugeordnet. Wenn Sie eine Reihe von Absorptions- oder Emissionslinien sehen, können Sie feststellen, welche Elemente in welcher Menge vorhanden sind.

Das sichtbare Lichtspektrum der Sonne, das uns hilft, nicht nur seine Temperatur und Ionisation zu verstehen, sondern auch die Fülle der vorhandenen Elemente. Die langen, dicken Linien sind Wasserstoff und Helium, aber jede zweite Linie stammt von einem schweren Element, das in einem Stern der vorherigen Generation entstanden sein muss, und nicht im heißen Urknall. Diese Elemente haben alle spezifische Signaturen, die expliziten Wellenlängen entsprechen. (NIGEL SHARP, NOAO / NATIONAL SOLAR BEOBACHTUNG BEI KITT PEAK / AURA / NSF)

Die Messung der verschiedenen Wellenlängen des Lichts gehört zur astronomischen Wissenschaft der Spektroskopie. Für jeden Stern oder jede Galaxie, die wir betrachten, können wir die Anwesenheit der verschiedenen Spektrallinien, die der Anwesenheit oder Abwesenheit bestimmter Atome, Ionen und Moleküle entsprechen, feststellen, wenn unsere Ausrüstung und Beobachtungen gut genug sind.

Wenn wir jedoch Galaxien betrachten, die über unsere eigenen hinausgehen, stellen wir fest, dass diese spektralen Signaturen von Absorptions- und Emissionslinien systematisch verschoben werden. Für jede einzelne Galaxie, die wir messen, gibt es eine einzigartige Verschiebung, die alle Linien gleichermaßen beeinflusst. Eine sehr kleine Anzahl der Galaxien, die wir betrachten, scheint blaugeschaltet zu sein: Dort verschiebt sich das Licht zu höheren Energien und kürzeren Wellenlängen. Aber fast alle sind rot verschoben, und je weiter sie sich entfernen, desto stärker rot.

Zuerst von Vesto Slipher bemerkt, ist die Entfernung einer Galaxie im Durchschnitt umso schneller, als sie beobachtet wurde, um sich von uns zu entfernen. Dies widersetzte sich jahrelang einer Erklärung, bis Hubbles Beobachtungen es erlaubten, die Teile zusammenzusetzen: Das Universum expandierte. (VESTO SLIPHER, (1917): PROC. AMER. PHIL. SOC., 56, 403)

Das Phänomen der galaktischen Rotverschiebung ist eine Beobachtung, die mehr als ein Jahrhundert zurückliegt: zur Arbeit von Vesto Slipher. In den 1920er Jahren ermöglichte Edwin Hubbles Arbeit, auch die galaktischen Entfernungen hinzuzufügen. Die Beziehung der Rotverschiebungsentfernung wurde kurz darauf von Hubble und Georges Lemaître entdeckt. Die Ursache dafür war jedoch nicht sofort klar, da es zwei mögliche Erklärungen gab.

  1. Rotverschiebungen und Blueshifts könnten durch individuelle galaktische Bewegungen verursacht werden, da sich auf uns zu bewegende Galaxien blau verschoben erscheinen und Galaxien, die sich von uns weg bewegen, rot verschoben werden.
  2. Rotverschiebungen könnten durch die Ausdehnung des Gewebes des Raumes selbst verursacht werden, wobei die Wellenlängen des Lichts von weiter entfernten Galaxien durch das Gewebe des expandierenden Universums gedehnt werden.
Ein zweidimensionaler Schnitt der überdichten (roten) und unterdichten (blau / schwarzen) Regionen des Universums in unserer Nähe. Die Linien und Pfeile veranschaulichen die Richtung der eigentümlichen Geschwindigkeitsflüsse, die die Schwerkraft der Galaxien um uns herum sind. Alle diese Bewegungen sind jedoch in den Raum des sich erweiternden Raums eingebettet. (KOSMOGRAPHIE DES LOKALEN UNIVERSUMS - COURTOIS, HELENE M. ET AL. ASTRON.J. 146 (2013) 69)

Beide Erklärungen könnten zumindest zu Beginn als konsistent mit den Daten betrachtet werden.

In Wirklichkeit existieren beide Effekte. Galaxien bewegen sich relativ zueinander, während die Gravitationskräfte der Materie im Universum alles schieben und ziehen. Die Struktur der Raumzeit selbst kann jedoch auch nicht konstant bleiben.

Es ist nicht einfach so, dass sich Galaxien von uns wegbewegen, was zu einer Rotverschiebung führt, sondern vielmehr, dass der Raum zwischen uns und jeder Galaxie das Licht auf seiner Reise von diesem entfernten Punkt zu unseren Augen verschiebt. Dies betrifft alle Formen der Strahlung, einschließlich des verbleibenden Glühens des Urknalls. (Larry MCNISH / RASC CALGARY CENTER)

In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist Raumzeit eine dynamische Entität. Wenn Sie ein Universum wie das unsere haben - wo Materie und Energie auf den größten Skalen relativ gleichmäßig verteilt sind -, ist jede relativistische Lösung, die zu einem statischen Universum führt, grundsätzlich instabil. Das Universum muss sich ausdehnen oder zusammenziehen, da es nicht in einem unveränderlichen Zustand bleiben kann. Wir können nicht notwendigerweise wissen, was es von den ersten Prinzipien aus tut. Wir benötigen Messungen, um uns zu zeigen, was los ist.

Zum Glück haben wir diese Messungen vorgenommen, und die Schlussfolgerung ist unumgänglich.

Die Rotverschiebungs-Entfernungsbeziehung für ferne Galaxien. Die Punkte, die nicht genau auf die Linie fallen, sind auf die unterschiedlichen Geschwindigkeiten zurückzuführen, die nur geringfügige Abweichungen von der beobachteten Gesamtausdehnung bieten. Die Originaldaten von Edwin Hubble, die zuerst verwendet wurden, um zu zeigen, dass das Universum expandiert, passen alle in das kleine rote Kästchen links unten. (ROBERT KIRSHNER, PNAS, 101, 1, 8–13 (2004))

Expansion ist es. Das Gewebe unseres Universums expandiert derzeit. Dies bedeutet jedoch nicht, dass es sich immer erweitern wird, und es bedeutet auch nicht, dass keine galaktischen Bewegungen auf dem sich ausdehnenden Raum des Raums liegen. Sie werden oben feststellen, dass nur sehr wenige der beobachteten Galaxien für eine Rotverschiebungs-Distanz-Beziehung genau auf die am besten passende Linie fallen.

Diese Linie entspricht der Gesamtraumausdehnung, aber die tatsächlichen Datenpunkte können auf beiden Seiten der Linie liegen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich Galaxien im expandierenden Universum relativ zueinander bewegen, einschließlich unserer eigenen Milchstraße, die sich mit etwa 370 km / s relativ zur Hubble-Expansion des Universums bewegt.

Spezielle Vorhersagen der Relativität (gepunktet) und der allgemeinen Relativität (Körper) für Entfernungen im expandierenden Universum. Auf jeden Fall stimmen nur die Vorhersagen des sich ausdehnenden Universums für die allgemeine Gelatität mit dem überein, was wir beobachten.

Wenn wir immer größere Entfernungen (und Rotverschiebungen) betrachten, können wir jedoch den Fall absolut ausschließen, bei dem einzelne Bewegungen für 100% der beobachteten Rotverschiebungen verantwortlich sind. Die Relativitätstheorie bietet für ein expandierendes Universum verschiedene Vorhersagen über große Entfernungen im Vergleich zu einer schnellen Bewegung von uns weg, und die Daten stimmen mit der Expansion überein, nicht mit Bewegungen mit großer Stärke.

Damit werden alle Zweifel gelöst, die Sie möglicherweise an der Erweiterung des Raumgefüges hatten: es ist. Der Grund, warum Galaxien sich von uns zu entfernen scheinen - und voneinander - liegt darin, dass sich das Universum ausdehnt. Expansion ist jedoch nicht die einzig mögliche Lösung. Wenn wir die Gleichungen betrachten, die die Expansion des Universums bestimmen, finden wir etwas Interessantes: Sie geben uns keinen Wert für die Expansionsrate. Sie geben uns vielmehr einen Wert für die Expansionsrate im Quadrat.

Ein Foto von mir auf der Hyperwall der American Astronomical Society 2017 sowie die erste Friedmann-Gleichung rechts. Der erste Term in der Friedmann-Gleichung beschreibt die Hubble-Expansionsrate im Quadrat, die die Entwicklung der Raumzeit bestimmt. Die verbleibenden Begriffe umfassen alle verschiedenen Formen von Materie und Energie sowie räumliche Krümmung, die bestimmt, wie sich das Universum in der Zukunft entwickelt. Diese wurde in der gesamten Kosmologie als die wichtigste Gleichung bezeichnet und wurde bereits 1922 von Friedmann im Wesentlichen in seiner modernen Form abgeleitet. (PERIMETER INSTITUT / HARLEY THRONSON)

Sie sehen anfangs keinen großen Unterschied. Wenn ich Ihnen erzählte, dass die Quadrate der Expansionsrate gleich 4 waren, nehmen Sie einfach die Quadratwurzel und sagen mir, dass die Expansionsrate 2 ist.

Und dann würde ich dich fragen, ob du dir sicher warst.

„Versucht er, mich zu betrügen?“ Vielleicht, aber es geht nicht darum, Sie zu betrügen. Die Quadratwurzel von 4 könnte 2 sein, aber auch -2. Wenn wir unsere Gleichungen für die Expansionsrate lösen, könnten wir zu einem expandierenden Universum gelangen. Aber wir könnten auch zu einem negativ expandierenden Universum führen, das einem kontrahierenden Universum entspricht. Auch wenn wir wissen, dass es sich heute ausdehnt, weil wir es messen, gibt es nichts, was das Universum daran hindert, eine maximale Größe zu erreichen, seine Ausdehnung zu stoppen und sich zu kontrahieren.

Die erwarteten Schicksale des Universums (obere drei Abbildungen) entsprechen einem Universum, in dem Materie und Energie gegen die anfängliche Expansionsrate kämpfen. In unserem beobachteten Universum wird eine kosmische Beschleunigung durch eine Art von dunkler Energie verursacht, die bisher ungeklärt ist. Alle diese Universen werden von den Friedmann-Gleichungen beherrscht, die die Ausdehnung des Universums mit den verschiedenen Arten von Materie und Energie in Beziehung setzen. (E. SIEGEL / ÜBER DEN GALAXIE)

Ja, wenn wir auf das ferne Universum schauen, sehen wir gegenwärtig, dass sich die Dinge weiter ausdehnen. Wenn das Universum in einer großen Krise endet, hat es noch nicht seinen Wendepunkt erreicht.

Es ist auch nicht wahrscheinlich, dass uns ein Big Crunch bevorsteht. Wenn wir die Art und Weise messen, wie sich die Expansionsrate in unserer kosmischen Geschichte verändert hat, zeigt dies alle Anzeichen dafür, dass die Expansionsrate nicht auf Null sinkt und sich selbst umkehrt. Die Art und Weise, wie sich die Expansionsrate im Laufe der Zeit ändert, wird durch die Gesamtmenge sowie die Arten von Materie und Energie bestimmt, die sich in ihr befinden. Da unser Universum zu wenig Materie, zu wenig Strahlung und zu viel dunkle Energie hat, sieht es so aus, als würden wir uns für immer ausdehnen.

Es sei denn, die dunkle Energie ist natürlich dynamisch und kann sich im Laufe der Zeit verändern.

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 der roten Kurve folgen. Wenn dies nicht der Fall ist, könnte ein Big Crunch immer noch im Spiel sein. (NASA / GSFC)

Wenn sich die Energiedichte der dunklen Energie im Laufe der Zeit in einer bestimmten Anzahl von Moden ändert, kann dies dazu führen, dass unser Universum in einem Big Crunch endet. Wir halten es oft für selbstverständlich, dass unser Universum aufgrund der scheinbaren Beschleunigung entfernter Galaxien in einem großen Freeze endet, aber es gibt immer noch fünf mögliche Schicksale für unser Universum. Wie ich bereits geschrieben habe, könnte dunkle Energie schwächer werden und abnehmen, wenn sich das Universum weiter ausdehnt:

Wenn es auf null abfällt, könnte dies zu einer der oben genannten ursprünglichen Möglichkeiten führen: dem Big Freeze. Das Universum würde sich immer noch ausdehnen, aber ohne genügend Materie und andere Energieformen, um sich zusammenzuschließen.
Wenn es abfällt, um negativ zu werden, könnte dies jedoch zu einer anderen Möglichkeit führen: zu einem großen Crunch. Das Universum konnte mit Energie gefüllt werden, die dem Weltraum innewohnt, die plötzlich die Zeichen wechselte und den Raum zum Zusammenfallen brachte. Die Zeitspanne für diese Änderungen ist zwar auf einen längeren Zeitraum als die Zeit seit dem Urknall beschränkt, könnte aber dennoch auftreten.
Als die Astronomen erstmals erkannten, dass sich das Universum beschleunigte, bestand die gängige Meinung darin, dass es sich für immer erweitern würde. Bis wir jedoch die Natur der dunklen Energie besser verstehen, sind andere Szenarien für das Schicksal des Universums möglich. Dieses Diagramm umreißt diese möglichen Schicksale. (NASA / ESA UND A. RIESS (STSCI))

Die Verbindung zwischen der gesamten Materie und der Energie im Universum einerseits und der Ausdehnung des Raumgewebes andererseits kann nicht geleugnet werden. Wir leben in einem Universum, das auf der größten Skala isotrop, homogen und von der Allgemeinen Relativitätstheorie bestimmt ist. Im Allgemeinen bedeutet dies, dass es einen Zusammenhang gibt zwischen der Expansion des Universums und dem, was in diesem Universum gegenwärtig ist.

Wenn die gesamte Materie im Universum aufhört, sich auszudehnen, sich umzukehren und auf uns zuzugehen beginnt, muss das Raumgefüge auch wieder zusammenfallen. Es gibt wirklich eine kosmische Rasse: zwischen der Expansion des Universums und der Schwerkraft. Im Moment sieht es so aus, als würde die Erweiterung gewinnen, aber wenn dunkle Energie dynamisch ist, wirft das Ergebnis Zweifel auf. Wenn die Schwerkraft letztendlich zum Sieg führt und der Big Crunch unser ultimatives Schicksal ist, könnte jemand in einer langen Zeit erleben, wie sich der gesamte Shebang in einen einzigartigen Zustand zurückzieht. Wir können uns nur vorstellen, wozu das führen könnte.

Senden Sie uns Ihre Ask Ethan-Fragen an gmail dot com!

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