Entfernte Galaxien wie die Hercules-Galaxienhaufen sind nicht nur rotverschoben und entfernen sich von uns, sondern ihre scheinbare Rezessionsgeschwindigkeit beschleunigt sich. Über einen bestimmten Punkt hinaus werden wir aufhören, Licht von ihnen zu empfangen. (ESO / INAF-VST / OMEGACAM. ANERKENNUNG: OMEGACEN / ASTRO-WISE / KAPTEYN-INSTITUT)

Wie können wir das verschwindende Universum noch sehen?

Wenn dunkle Energie dazu führt, dass das Universum verschwindet, wie können wir dann noch entferntere Sterne und Galaxien finden und sehen?

In den 1920er Jahren entdeckten Wissenschaftler, dass sich das Universum aufgrund von Entfernungen zu Galaxien und der Rotverschiebung ihres Lichts ausdehnte. In den 1990er Jahren haben wir erfahren, dass das Universum nicht einfach expandiert, sondern dass entfernte Galaxien mit zunehmender Geschwindigkeit in größere Entfernungen gelangen. Die zugrunde liegende Ursache wurde als dunkle Energie identifiziert, wodurch das Universum mit der Zeit verschwindet.

Es stimmt, es gibt zwei Billionen Galaxien im beobachtbaren Universum, und 97% davon sind bereits außerhalb unserer Reichweite, selbst wenn wir heute mit Lichtgeschwindigkeit abgereist wären. Obwohl wir sie nicht erreichen können, können wir sie trotzdem sehen. Noch rätselhafter ist dies: Neue, noch nie zuvor gesehene Galaxien offenbaren sich im Laufe der Zeit. Wir können das verschwindende Universum nicht erreichen, aber wir können es immer noch sehen. Hier ist wie.

Auf logarithmischer Ebene hat das Universum in der Nähe das Sonnensystem und unsere Milchstraße. Aber weit darüber hinaus sind alle anderen Galaxien im Universum, das großräumige kosmische Netz und schließlich die Momente unmittelbar nach dem Urknall. Obwohl wir nicht weiter als diesen kosmischen Horizont beobachten können, der derzeit 46,1 Milliarden Lichtjahre entfernt ist, wird es in Zukunft mehr Universum geben, das sich uns offenbart. Das beobachtbare Universum enthält heute 2 Billionen Galaxien, aber mit der Zeit wird mehr Universum für uns beobachtbar. (WIKIPEDIA USER PABLO CARLOS BUDASSI)

Unter den Regeln der Allgemeinen Relativitätstheorie, unserer Theorie der Gravitation, ist es unmöglich, dass unser Universum statisch bleibt. Wenn wir nicht gewillt sind, eine unserer beiden erfolgreichsten physikalischen Theorien aller Zeiten zu verwerfen, ist es unumgänglich, dass unser Universum entweder expandieren oder schrumpfen muss.

Der Grund ist einfach: Wenn Ihr Universum überall und in alle Richtungen mit der gleichen Menge an Materie und Energie gefüllt ist - so wie wir unser Universum beobachten - können wir eine genaue Lösung für die Entwicklung dieser Raumzeit berechnen. Abhängig von nur drei Faktoren:

  • wie hoch die anfängliche Expansions- oder Kontraktionsrate ist (einschließlich Null als Möglichkeit),
  • wie viel Materie und Energie insgesamt im Universum vorhanden ist,
  • und wie die Verhältnisse der verschiedenen Energiearten (Materie, dunkle Materie, Neutrinos, Strahlung, dunkle Energie usw.)

Wir können ableiten, was sowohl die Vergangenheit als auch die zukünftige Geschichte des Universums ist.

Ein Beispiel dafür, wie Rotverschiebungen im expandierenden Universum funktionieren. Wenn eine Galaxie immer weiter entfernt wird, muss ihr emittiertes Licht eine größere Entfernung und für eine längere Zeitdauer durch das expandierende Universum gehen. In einem von der Dunklenergie beherrschten Universum bedeutet dies, dass einzelne Galaxien in ihrer Rezession von uns aus zu beschleunigen scheinen, dass es jedoch ferne Galaxien geben wird, deren Licht uns heute zum ersten Mal gerade erreicht. (LARRY MCNISH VON RASC CALGARY CENTRE, ÜBER CALGARY.RASC.CA/REDSHIFT.HTM)

In den letzten Jahrzehnten konnten Astronomen auf extragalaktischen Maßstäben bestimmen, wie das Universum heute aussieht. Die Art und Weise, wie Galaxien in Gruppen, Clustern und entlang von Filamenten zusammenlaufen, hat es uns ermöglicht, die großräumige Struktur des Universums zu verstehen. Wenn Sie unsere Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds berücksichtigen, der den Keim der Struktur liefert, der in den heutigen Galaxien gewachsen ist, erhalten wir ein überzeugendes End-to-End-Bild davon, wie die Dinge so geworden sind, wie sie heute sind.

Wenn wir am Anfang beginnen und rechtzeitig vorankommen, haben wir eine einheitliche Schlussfolgerung. Unser Universum besteht seit dem Urknall seit 13,8 Milliarden Jahren, besteht aus 68% dunkler Energie, 27% dunkler Materie, 4,9% normaler Materie und 0,1% Neutrinos, Photonen und allem anderen zusammen und wird niemals wieder zusammenfallen.

Die verschiedenen möglichen Schicksale des Universums, wobei unser aktuelles, beschleunigtes Schicksal rechts dargestellt ist. Die fortgesetzte Beschleunigung stellt sicher, dass jede Galaxie, die nicht durch Schwerkraft an uns gebunden ist, letztendlich von uns abrutscht und nicht nur für uns unerreichbar wird, sondern auch nicht über einen bestimmten Zeitpunkt hinaus gesehen werden kann. (NASA & ESA)

Wenn Sie eine einzelne, in der Nähe befindliche Galaxie nehmen und fragen würden, wie sie aus unserer Sicht im Laufe der Zeit aussehen würde, haben Sie Folgendes gesehen. Im Laufe der Zeit würde es seine eigentliche Entwicklung durchlaufen: Es würde kleinere Satellitengalaxien anlocken, diese absorbieren und kannibalisieren und neue Wellen bilden, wenn dies der Fall ist. Wenn es mit einer Galaxie von ähnlicher Größe kollidiert, würde dies zu einem Starburst führen, der zu einer elliptischen Galaxie führt, jedoch das sternbildende Gas verbraucht.

Aber diese Galaxie würde sich, auch wenn sie sich entwickelt, immer weiter entfernt werden und im Laufe der Zeit immer mehr Rotverschiebung zeigen. Wenn die Galaxie eine kritische Entfernung von uns erreicht - etwa 15 Milliarden Lichtjahre entfernt -, scheint ihre Rotverschiebung größer als 1 zu sein, was darauf hinweist, dass sie eine entscheidende Position erreicht hat und den Unterschied zwischen dem, was im Prinzip durch etwas erreicht wird und nicht erreichbar ist von uns mit Lichtgeschwindigkeit reisen.

Die beobachtbaren (gelb mit 2 Billionen Galaxien enthaltenden) und erreichbaren (Magenta mit 66 Milliarden Galaxien) Bereiche des Universums, die sie dank der Expansion des Weltalls und der Energiekomponenten des Universums sind. Hinter dem gelben Kreis befindet sich ein noch größerer (imaginärer) mit 4,7 Billionen Galaxien, dem maximalen Teil des Universums, der uns in der fernen Zukunft zugänglich sein wird. (E. SIEGEL, BASIEREND AUF ARBEITEN VON WIKIMEDIA COMMONS USERS AZCOLVIN 429 UND FRÉDÉRIC MICHEL)

Aber wenn Sie eine einzelne, weit entfernte Galaxie betrachten würden, würden Sie etwas ganz anderes sehen. Wenn man annimmt, dass die Galaxie heute sichtbar ist, würde man sie wie in der fernen Vergangenheit sehen: Damals, als das Licht zum ersten Mal ausgestrahlt wurde und sich nach einer Reise von mehreren Milliarden Jahren durch das expandierende Universum erstreckte. Das Licht würde stark rotverschoben sein, um seine ursprüngliche, emittierte Wellenlänge mehr als zu verdoppeln, und Sie würden die Galaxie so sehen, wie sie war, als sie weit jünger und weniger entwickelt war als die Galaxien, die wir heute sehen, 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall.

Wenn Sie im Laufe der Zeit die Uhr um Milliarden von Jahren vorspulen, sehen Sie das Licht dieser Galaxie:

  • röter werden
    • werden schwächer
    • zeigen an, dass es immer weiter entfernt war,
    • eine Grenze erreichen, soweit die galaktische Alterung dies zeigen würde.
    • Selbst wenn Sie es zehn oder hunderte Milliarden Jahre lang gesehen haben, würde es sich niemals zu dem gleichen Punkt entwickeln, den Sie bei uns erreicht haben. Sein Alter würde, wie wir es sehen, niemals 13,8 Milliarden Jahre erreichen.

      Obwohl es im eXtreme Deep Field vergrößerte, extrem entfernte, sehr rote und sogar infrarote Galaxien gibt, gibt es Galaxien, die noch weiter entfernt sind, als wir es in unseren aktuellsten Ansichten entdeckt haben. Diese Galaxien werden für uns immer sichtbar bleiben, aber wir werden sie niemals so sehen, wie sie heute sind: 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall. (NASA, ESA, R. BOUWENS UND G. ILLINGWORTH (UC, SANTA CRUZ))

      Wir können sogar darüber nachdenken, was Sie sehen würden, wenn Sie eine Galaxie betrachten würden, deren Licht noch nicht in unsere Augen gekommen ist. Das entfernteste Objekt, das wir sehen können, 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall, liegt derzeit 46 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. Aber jedes Objekt, das sich derzeit in einem Umkreis von 61 Milliarden Lichtjahren befindet, wird eines Tages dieses Licht erreichen.

      Dieses Licht wurde bereits ausgestrahlt und ist bereits auf dem Weg zu uns. In der Tat ist das Licht dort bereits am weitesten verbreitet; Es liegt näher als die Grenze von 15 Milliarden Lichtjahren, die wir erreichen könnten, wenn wir mit Lichtgeschwindigkeit aufbrechen würden. Obwohl sich das Universum ausdehnt und die Expansion sich beschleunigt, wird dieses Licht eines Tages in unseren Augen ankommen und uns in der fernen Zukunft die Möglichkeit geben, noch mehr Galaxien zu sehen, als wir es heute können.

      Unsere tiefsten Galaxienuntersuchungen können Objekte in einer Entfernung von mehreren zehn Milliarden Lichtjahren enthüllen, aber es gibt noch weitere Galaxien innerhalb des beobachtbaren Universums, die wir noch offenbaren müssen. Aufregend ist, dass es Teile des Universums gibt, die heute noch nicht sichtbar sind und die eines Tages für uns beobachtbar werden. (SLOAN DIGITAL SKY SURVEY (SDSS))

      Während es in unserem derzeit beobachtbaren Universum im Prinzip zwei Billionen Galaxien gibt, wird sich diese Zahl in sehr ferner Zukunft auf 4,7 Billionen erhöhen.

      Aber wir haben gerade gesagt, dass das Universum verschwindet. Wie ist es dann möglich, dass wir das verschwindende Universum nicht nur noch sehen können, sondern im Laufe der Zeit noch mehr davon sehen können?

      Dies erfordert, dass wir sehr gründlich darüber nachdenken, was wir meinen, wenn wir darüber sprechen, dass eine entfernte Galaxie verschwunden ist, wenn es um dunkle Energie geht. Um die Dinge in die richtige Perspektive zu bringen, stellen wir uns vor, was wir in einem Universum sehen würden, das zu 100% aus Materie besteht: ein Universum ohne dunkle Energie. Wenn dies der Fall wäre, würde eine entfernte Galaxie im Laufe der Zeit nicht von uns weg beschleunigen, aber ihre scheinbare Rezessionsgeschwindigkeit sinkt mit der Zeit auf immer kleinere Werte.

      Das beobachtbare Universum könnte aus unserer Sicht in alle Richtungen 46 Milliarden Lichtjahre betragen, aber es gibt sicherlich mehr, unbeobachtbares Universum, vielleicht sogar eine unendliche Menge, genau wie das andere. Im Laufe der Zeit werden wir mehr davon sehen können und schließlich etwa 2,3-mal so viele Galaxien enthüllen, wie wir derzeit sehen können. In einem Universum ohne dunkle Energie könnten wir sie schließlich alle sehen, aber das ist nicht unser Universum. (FRÉDÉRIC MICHEL UND ANDREW Z. COLVIN, BEKANNT VON E. SIEGEL)

      Dies bedeutet, dass mit zunehmendem Alter des Universums für jedes Objekt, das für uns sichtbar ist, die Rotverschiebung mit der Zeit abnimmt. Wenn die Uhr voranschreitet, wird neu emittiertes Licht durch das Universum wandern und schließlich unsere Augen erreichen; Wenn wir älter werden, wird die ferne Galaxie altern, ohne eine Grenze in Sicht. In einem Universum ohne dunkle Energie - in einem sich verlangsamenden Universum - ist die Anzahl der Galaxien, die wir sehen können, oder das scheinbare Alter dieser Galaxien nicht begrenzt. Solange unser Universum existiert, werden neue Horizonte, Grenzen und Epochen erforscht.

      In einem verlangsamenden Universum gibt es keinen einschränkenden kosmischen Horizont. Es gibt keine Galaxie, die so weit entfernt ist, dass wir uns nicht vorstellen können, dass das Licht nach einer willkürlich langen Zeit einfällt. Und wenn dieses Licht zum ersten Mal zu uns kommt, wird auch alles danach ausgestrahlte Licht zu unseren Augen gelangen.

      Die relative Bedeutung verschiedener Energiekomponenten im Universum zu verschiedenen Zeitpunkten in der Vergangenheit. Wenn dunkle Energie in der Zukunft eine Zahl nahe 100% erreicht, wird die Energiedichte des Universums (und damit die Expansionsrate) in der Zeit willkürlich weit voraus bleiben. Aufgrund der dunklen Energie beschleunigen entfernte Galaxien ihre scheinbare Rezessionsgeschwindigkeit von uns bereits, und die dunkle Energiedichte war vor 6 Milliarden Jahren die Hälfte der gesamten Materiedichte. (E. SIEGEL)

      Aber unser Universum verlangsamt sich nicht und ist frei von dunkler Energie. Die dunkle Energie, die wir haben, bestimmt die Entfernungsskala und den Zeitplan für die Beschleunigung und informiert uns darüber, wo sich dieser kosmische Horizont befindet. Aus seiner Anwesenheit und den Beobachtungen, die wir verwenden, um auf seine Existenz zu schließen, lernen wir Folgendes über eine lokalisierte Galaxie:

      • näher als 15 Milliarden Lichtjahre entfernt: Wir werden es eines Tages so sehen, wie es heute ist: 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall, und wir könnten es erreichen, wenn wir mit Lichtgeschwindigkeit aufbrechen.
        • Zwischen 15 und 46 Milliarden Lichtjahre entfernt: Wir werden es immer sehen, aber sein Alter wird scheinbar auf einen endlichen Wert von weniger als 13,8 Milliarden Jahren wirken, und wir können ihn niemals erreichen, selbst wenn wir heute mit der Geschwindigkeit von Licht.
        • Zwischen 46 und 61 Milliarden Lichtjahren entfernt: Wir können es heute noch nicht sehen, werden es aber irgendwann in der fernen Zukunft und für immer danach sehen, und es wird niemals so alt aussehen wie die ersten Galaxien, die heute sichtbar sind. Wir können es auch niemals erreichen.
        • mehr als 61 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt: Wir werden es niemals sehen oder erreichen, und jeder von dort kann uns niemals sehen oder erreichen.
        • Unsere gesamte kosmische Geschichte ist theoretisch gut verstanden, aber nur, weil wir die ihr zugrunde liegende Theorie der Gravitation verstehen und weil wir die derzeitige Expansionsrate und Energiezusammensetzung des Universums kennen. Licht wird sich immer weiter durch dieses expandierende Universum ausbreiten, und wir werden dieses Licht willkürlich weit in die Zukunft aufnehmen, aber es wird zeitlich begrenzt sein, was uns erreicht. Wir müssen weniger Helligkeit und längere Wellenlängen untersuchen, um die gegenwärtig sichtbaren Objekte weiterhin sehen zu können. Dies sind jedoch technologische und nicht physikalische Einschränkungen. (NICOLE RAGER FULLER / STIFTUNG NATIONALER WISSENSCHAFT)

          Der Grund dafür, dass wir diese extrem entfernten Galaxien sehen können, liegt darin, dass sie sich früher sehr nahe standen und zu einem sehr frühen Zeitpunkt Licht emittierten, das uns den Weg versah, als das Universum viel jünger und kleiner war. Selbst während sich das Universum erweitert hat und sich die Expansion beschleunigt, werden diese Photonen, die vor Milliarden von Jahren ausgestrahlt wurden, schließlich zu unseren Augen gelangen. Darüber hinaus wird das seitdem ausgestrahlte Licht weiterhin hier eintreffen, auch wenn das derzeit ausgestrahlte Licht zu weit entfernt ist, um uns jemals zu erreichen.

          Es wird zu Beobachtungsherausforderungen kommen, da mit der Zeit weniger Photonen eintreffen werden und die Photonen selbst röter werden und weniger Energie tragen. Wenn wir jedoch größere und empfindlichere Teleskope im richtigen Wellenlängenbereich bauen, sollten wir in der Lage sein, mit der Zeit mehr Galaxien zu sehen - bis zu maximal 4,7 Billionen - insgesamt - selbst in einem von dunkler Energie dominierten, verschwindenden Universum .

          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.