Nach dem Urknall war das Universum nahezu einheitlich und voller Materie, Energie und Strahlung in einem sich schnell ausdehnenden Zustand. Im Laufe der Zeit bildet das Universum nicht nur Elemente, Atome und Moleküle, die sich verklumpen und zu Sternen und Galaxien zusammenballen, sondern sich auch ausdehnen und abkühlen. (NASA / GSFC)

Wie hat sich das Universum in nur 13,8 Milliarden Jahren auf 46 Milliarden Lichtjahre ausgedehnt?

Wenn Sie der Meinung sind, dass es schneller als mit Lichtgeschwindigkeit expandiert, müssen Sie dies lesen.

Wenn das Universum 13,8 Milliarden Jahre alt ist und die Lichtgeschwindigkeit wirklich unsere kosmische Geschwindigkeitsbegrenzung ist, wie weit sollten wir dann sehen können? Die Antwort liegt auf der Hand: 13,8 Milliarden Lichtjahre, da ein Lichtjahr die Entfernung ist, die Licht in einem Jahr zurücklegen kann, und nichts kann schneller gehen.

Wie so viele Antworten, die offensichtlich erscheinen, wenn Sie Ihren logischen gesunden Menschenverstand auf sie anwenden, funktionieren die Dinge leider nicht so. In Wirklichkeit ist die Antwort viel weiter entfernt, wenn Sie sich das entfernteste von allem ansehen, was Sie möglicherweise sehen können, und fragen: „Wie weit ist es entfernt?“: 46 Milliarden Lichtjahre. Das mag unmöglich klingen, ist es aber nicht. Sie müssen nur Ihre Denkweise erweitern.

Die ursprüngliche Raumauffassung dank Newton als fest, absolut und unveränderlich. Es war eine Bühne, auf der Massen existieren und sich anziehen konnten. (AMBER STUVER, AUS IHREM BLOG, LIVING LIGO)

Traditionell denken Sie am häufigsten an eine Entfernung, indem Sie zwei Punkte nehmen und eine Linie zwischen ihnen ziehen. Es ist etwas, was wir als Kinder lernen und bis ins Erwachsenenalter bei uns behalten. Für die meisten Anwendungen ist dies kein Problem, unabhängig davon, ob wir ein Lineal, einen Kilometerzähler oder eine leichte Uhr verwenden: Durch Messen der Zeit, die ein Lichtsignal benötigt, um eine einfache Fahrt oder eine Hin- und Rückfahrt zu unternehmen.

Diese Annahme gilt jedoch nicht unbedingt für das Universum. Die Entfernung wird nicht unbedingt durch eine gerade Linie definiert, und diese Entfernungen bleiben auch im Zeitverlauf nicht gleich. Der Grund dafür ist etwas, woran wir in unserer täglichen Erfahrung nicht denken: Der Raum ist nicht flach und auch untrennbar mit der Zeit in Form von Raumzeit verbunden.

Das Gravitationsverhalten der Erde um die Sonne beruht nicht auf einer unsichtbaren Gravitationskraft, sondern wird besser dadurch beschrieben, dass die Erde frei durch den von der Sonne dominierten gekrümmten Raum fällt. Der kürzeste Abstand zwischen zwei Punkten ist keine gerade Linie, sondern eine geodätische: eine gekrümmte Linie, die durch die Gravitationsverformung der Raumzeit definiert wird. (LIGO / T. PYLE)

Der Teil „Raum ist nicht flach“ ist vielleicht leichter zu verstehen. Wenn Sie an die Erde denken, die sich um die Sonne dreht, denken Sie wahrscheinlich genauso wie Newton: an eine unsichtbare, anziehende Kraft, die von einem Objekt (der Sonne) auf ein anderes (die Erde) wirkt.

Auf diese Weise haben wir jahrhundertelang über die Schwerkraft nachgedacht, und es bedurfte buchstäblich eines Genies auf der Ebene von Einstein, um darüber hinauszugehen. Es ist nicht so, dass Masse in einer bestimmten Entfernung eine Kraft verursacht, sondern dass Masse eine Art von Energie ist und Energie bewirkt, dass sich das Gewebe des Universums krümmt. Das Gewebe des Universums ist nicht nur Raum, sondern eine als Raumzeit bekannte Größe, in der jeder und alles in ihm Raum und Zeit zusammen erlebt, abhängig davon, wie sie sich relativ zu allem anderen im Universum bewegen.

In einem Universum, das sich nicht ausdehnt, können Sie es in jeder gewünschten Konfiguration mit Materie füllen, aber es wird immer zu einem schwarzen Loch zusammenbrechen. Ein solches Universum ist im Kontext von Einsteins Schwerkraft instabil und muss sich ausdehnen, um stabil zu sein, oder wir müssen sein unvermeidliches Schicksal akzeptieren. (E. SIEGEL / ÜBER DIE GALAXIE HINAUS)

Eines der Dinge, die wir über ein Universum lernen, das von Einsteins Gesetzen regiert wird - die Allgemeine Relativitätstheorie - ist, dass es nicht sowohl statisch als auch stabil sein kann, wenn es Materie enthält. Ein Universum, das statisch ist und in dem sich die Gesamtstruktur der Raumzeit im Laufe der Zeit nicht ändert, wäre in Schwierigkeiten, wenn Sie Materie hineinlegen. Mit der Zeit würde sich diese Materie durch die Gravitation anziehen und sich zu einem Punkt hin zusammenziehen. In einem statischen Universum voller Materie gibt es nur ein mögliches Schicksal: sich zu einem Schwarzen Loch zusammenziehen.

Mach dir keine Sorgen; Das ist nicht unser Schicksal.

Das 'Rosinenbrot'-Modell des expandierenden Universums, bei dem die relativen Abstände mit der Ausdehnung des Raums (Teigs) zunehmen. Je weiter zwei Rosinen voneinander entfernt sind, desto größer ist die beobachtete Rotverschiebung, wenn das Licht empfangen wird. (NASA / WMAP SCIENCE TEAM)

Weil unser Universum das tut, was es tun kann, um es zu verhindern: es dehnt sich aus. Der beste Weg, sich das Universum vorzustellen, ist ein Laib Teig in einem Schwerelosigkeitsofen, in dem der Teig mit Rosinen gefüllt ist.

Jede einzelne Rosine repräsentiert eine gravitationsgebundene Struktur im Universum: einen Sternhaufen, eine Galaxie, eine Gruppe von Galaxien oder etwas noch Größeres. Jede Rosine ist auch nicht an eine andere Rosine gebunden; Sie sind weit genug voneinander entfernt, dass die Schwerkraft sie selbst bei unendlicher Zeit nicht zusammenbringt.

Warum? Weil der Teig aufgeht. Und dieser Teig repräsentiert den Stoff der Raumzeit. Mit der Zeit dehnt sich das Universum aus und entfernte Rosinen (Galaxien) scheinen sich voneinander zu entfernen.

Die Ballon / Münz-Analogie des expandierenden Universums. Die einzelnen Strukturen (Münzen) dehnen sich nicht aus, die Abstände zwischen ihnen jedoch in einem expandierenden Universum. Dies kann sehr verwirrend sein, wenn Sie darauf bestehen, die scheinbare Bewegung der Objekte, die wir sehen, ihren relativen Geschwindigkeiten durch den Raum zuzuschreiben. In Wirklichkeit ist es der Raum zwischen ihnen, der sich erweitert. (E. SIEGEL / ÜBER DIE GALAXIE HINAUS)

Dies ist der entscheidende Punkt, der für die meisten Menschen so schwer zu verstehen ist. Bei der Expansion des Universums geht es nicht um Geschwindigkeit. Das Universum dehnt sich nicht mit Lichtgeschwindigkeit, Schallgeschwindigkeit oder einer anderen Geschwindigkeit aus. Wenn Sie sich eine Rosine ansehen, die sich in Ihrer Nähe befindet, scheint sie sich relativ langsam von Ihnen zu entfernen, und ein von ihr an Sie gesendetes Lichtsignal würde nur kurze Zeit in Anspruch nehmen, um dorthin zu gelangen. Aber wenn Sie sich eine Rosine ansehen, die viel weiter entfernt ist, scheint sie viel schneller zurückzutreten. Ein von Ihnen an Sie gesendetes Lichtsignal würde sehr lange dauern, um dorthin zu gelangen.

Der Grund dafür ist, dass die Expansion des Universums davon abhängt, wie weit ein Objekt von Ihnen entfernt ist. Es ist keine Geschwindigkeit; Es ist eine Geschwindigkeit pro Einheitsentfernung.

Die Strahlung verschiebt sich rot, wenn sich das Universum ausdehnt, was bedeutet, dass sie in der Vergangenheit des Universums energetischer war und mehr Energie pro Photon enthält. Ob das Universum von Materie oder Strahlung dominiert wird, spielt keine Rolle. Die Rotverschiebung ist real. (E. SIEGEL / ÜBER DIE GALAXIE HINAUS)

Wenn wir über die gemessene Expansionsrate des Universums sprechen - was wir manchmal als Hubble-Konstante bezeichnen -, kommt dies daher mit solch seltsamen, fremden Werten einher: so etwas wie ~ 70 km / s / Mpc. Dies sagt uns, dass für jede Megaparsec (Mpc oder etwa 3,26 Millionen Lichtjahre) eine Galaxie von jeder anderen Galaxie entfernt ist und mit 70 km / s zurückzutreten scheint.

Wenn ein Objekt derzeit 100 Mpc von uns entfernt ist, scheint es sich mit 7.000 km / s zu bewegen.

Wenn ein Objekt 4.300 Mpc von uns entfernt ist, scheint es sich mit etwa 300.000 km / s oder Lichtgeschwindigkeit zu entfernen.

Und wenn ein Objekt 14.100 Mpc von uns entfernt ist, scheint es sich mit ungefähr 987.000 km / s zu bewegen, was eine verrückte große Zahl ist.

Die Distanz / Rotverschiebungs-Beziehung, einschließlich der entferntesten Objekte von allen, gesehen von ihren Supernovae vom Typ Ia. Die Daten sprechen stark für ein sich beschleunigendes Universum. Beachten Sie, wie sich diese Zeilen alle voneinander unterscheiden, da sie Universen entsprechen, die aus verschiedenen Zutaten bestehen. (NED WRIGHT, basierend auf den neuesten Daten von BETOULE ET AL.)

Aber ich sage immer wieder etwas, das Sie vielleicht beschönigen: Es scheint, dass sich diese Objekte mit dieser Geschwindigkeit von uns entfernen. In Wirklichkeit bewegen sich die Objekte selbst nicht, genau wie sich die Rosinen nicht relativ zu dem Teig bewegen, in dem sie sich befinden. Stattdessen dehnt sich das Gewebe der Raumzeit selbst aus und das Licht kommt von diesen Objekten wird gedehnt - zu längeren, rötlicheren Wellenlängen - wenn sich das Universum ausdehnt.

Deshalb sprechen wir über die Rotverschiebung entfernter Objekte: weil ihr Licht gedehnt wird, wenn sich das Gewebe des Universums ausdehnt. Es ist die Materie und Energiedichte des Universums, die bestimmt, wie schnell sich das Universum ausdehnt, und wir müssen alle verschiedenen Energiearten addieren, einschließlich Neutrinos, Strahlung, dunkler Materie und dunkler Energie, um die richtige Antwort zu erhalten.

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. Dies betrifft alle Arten von Strahlung, einschließlich des übrig gebliebenen Glühens des Urknalls. (LARRY MCNISH / RASC CALGARY CENTER)

Heute kommt Licht von allen möglichen Objekten in unterschiedlichsten Entfernungen auf unsere Augen. Die Objekte, die jetzt 13,8 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt sind, waren in der fernen Vergangenheit viel näher. Als sie das Licht zum ersten Mal ausstrahlten, das uns heute erreicht, geschah dies zu einer Zeit, die bereits vor Milliarden von Jahren lag. Diese Galaxie ist momentan vielleicht 13,8 Milliarden Lichtjahre entfernt, aber das Licht musste 13,8 Milliarden Jahre lang nicht reisen, um uns zu erreichen. es legte eine kürzere Strecke und eine kürzere Zeit zurück.

Tatsächlich können wir Objekte sehen, die heute weiter als 13,8 Milliarden Lichtjahre entfernt sind, alles aufgrund der Tatsache, dass sich das Gewebe des Universums selbst ausdehnt.

Was machen wir also, wenn wir wissen wollen, wie groß das beobachtbare Universum ist? Wir müssen die folgende Frage stellen:

In Anbetracht dessen, was wir über das expandierende Universum wissen und wie unterschiedlich die verschiedenen Arten von Energie sind, wie weit es entfernt ist, wäre ein Objekt heute weit entfernt, wenn sein Licht erst jetzt nach einer Reise von 13,8 Milliarden eintreffen würde Jahre?

Wenn Sie rechnen, erhalten Sie eine unglaubliche Antwort: 46 Milliarden Lichtjahre. (Oder 46,1 Milliarden Lichtjahre, wenn Sie noch genauer sein wollen.) Wenn unser Universum mehr dunkle Energie und weniger Materie hätte, wäre die Antwort etwas größer; Wenn das Universum mehr Materie und weniger dunkle Energie hätte, wäre die Antwort etwas kleiner. Aber so kommen wir an den Rand des beobachtbaren Universums.

Innerhalb des beobachtbaren Universums (gelber Kreis) gibt es ungefähr 2 Billionen Galaxien. Galaxien, die mehr als ein Drittel des Weges bis zur Grenze dessen, was wir beobachten können, zurücklegen, können aufgrund der Expansion des Universums niemals erreicht werden, so dass nur 3% des Universumsvolumens für die Erforschung durch den Menschen offen bleiben. Wir können die Galaxien jedoch immer noch darüber hinaus sehen, außer dass wir sie nur so sehen können, wie sie in der Vergangenheit waren. (WIKIMEDIA GEMEINSAME BENUTZER AZCOLVIN 429 UND FRÉDÉRIC MICHEL / E. SIEGEL)

Dies bedeutet nicht, dass wir alles in dem Teil des Universums erreichen können, den wir sehen können! Die entferntesten Teile des Universums sind nur in den frühesten Stadien sichtbar. Tatsächlich ist alles, was heute weiter entfernt ist als etwa 4.300 Mpc (oder 14 Milliarden Lichtjahre), an der Grenze dessen, wie weit wir mit Lichtgeschwindigkeit gelangen können. Das weiter entfernte Objekt kann von uns noch gesehen werden, aber nur so, wie es in der Vergangenheit war; Ebenso können sie uns nur so sehen, wie wir in unserer Vergangenheit waren. Jemand, der mehr als 14 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt ist, könnte selbst mit einem unendlich mächtigen Teleskop niemals die menschliche Zivilisation beobachten, wie sie heute auf der Erde ist.

Ein Diagramm der Größe / Skala des beobachtbaren Universums im Vergleich zum Verlauf der kosmischen Zeit. Dies wird auf einer Protokoll-Protokoll-Skala angezeigt, wobei einige wichtige Meilensteine ​​für Größe und Zeit identifiziert werden. Beachten Sie die frühe strahlungsdominierte Ära, die jüngste von Materie dominierte Ära und die gegenwärtig und zukünftig exponentiell expandierende Ära. (E. SIEGEL)

Die Tatsache, dass wir das Universum sehen können, das wir tun, sagt uns, dass es sich ausdehnen muss, eine fantastische Übereinstimmung von Theorie und Beobachtung. Es sagt uns auch, dass wir in der Zeit auf ein so frühes Stadium extrapolieren können, wie wir wollen, und alle möglichen interessanten Meilensteine ​​finden können, die in Bezug auf die Größe des Universums im Vergleich zu seinem Alter eintreten. Als das Universum eine Million Jahre alt war, war sein Rand bereits etwa 100 Millionen Lichtjahre entfernt. Als es erst ein Jahr alt war, konnten wir fast 100.000 Lichtjahre sehen. Als es nur eine Millisekunde alt war, konnten wir bereits ein Lichtjahr in alle Richtungen sehen.

Und heute, 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall, ist das weiteste, was wir sehen konnten, was dem im ersten Moment des Urknalls emittierten Licht entspricht, 46,1 Milliarden Lichtjahre entfernt. Angesichts des Inhalts unseres Universums hätte es nicht anders kommen können.

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.