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

Wie weitete sich das Universum in nur 13,8 Milliarden Jahren auf 46 Milliarden Lichtjahre aus?

Wenn Sie denken, dass es schneller expandiert als Lichtgeschwindigkeit, müssen Sie dies lesen.

Wenn das Universum 13,8 Milliarden Jahre alt ist und die Lichtgeschwindigkeit wirklich unser kosmisches Tempolimit ist, wie weit sollten wir dann in der Lage sein zu sehen? Die Antwort liegt auf der Hand: 13,8 Milliarden Lichtjahre, denn ein Lichtjahr ist die Entfernung, die Licht in einem Jahr zurücklegen kann, und nichts kann schneller sein als das.

Wie bei vielen 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, wenn Sie auf das Entfernteste von allem schauen, was Sie sehen können, und fragen: „Wie weit ist es entfernt?“: 46 Milliarden Lichtjahre. Das klingt vielleicht unmöglich, ist es aber nicht. Sie müssen nur Ihre Denkweise erweitern.

Die ursprüngliche Vorstellung von Raum, 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 Distanz, indem Sie zwei Punkte nehmen und eine Linie zwischen ihnen ziehen. Das ist etwas, was wir als Kinder lernen und bis ins Erwachsenenalter bei uns behalten. Für die meisten Anwendungen ist dies problemlos möglich, unabhängig davon, ob Sie ein Lineal, einen Kilometerzähler oder eine kleine Uhr verwenden: Wenn Sie die Zeitspanne messen, die ein Lichtsignal für eine einfache Fahrt oder eine Hin- und Rückfahrt benötigt.

Diese Annahme ist jedoch im Hinblick auf das Universum nicht strikt gültig. Die Entfernung ist nicht unbedingt durch eine gerade Linie definiert, und diese Entfernungen bleiben auch über die Zeit nicht gleich. Der Grund dafür ist etwas, woran wir in unserer täglichen Erfahrung nicht denken: Raum ist nicht flach, und er ist auch untrennbar mit Zeit in Form von Raumzeit verbunden.

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

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

So haben wir jahrhundertelang über die Schwerkraft nachgedacht, und es hat buchstäblich ein Genie auf der Ebene von Einstein gebraucht, um darüber hinauszugehen. Es ist nicht so, dass Masse in einer bestimmten Entfernung eine Kraft verursacht, sondern diese Masse ist eine Art von Energie, und Energie bewirkt, dass sich das Gewebe des Universums krümmt. Die Struktur des Universums ist nicht nur ein Raum, sondern eine Größe, die als Raumzeit bezeichnet wird. Jeder und alles darin erlebt Raum und Zeit zusammen, abhängig davon, wie er sich relativ zu allem anderen im Universum bewegt.

In einem Universum, das sich nicht erweitert, können Sie es in jeder beliebigen 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 - Allgemeine Relativitätstheorie - ist, dass es nicht sowohl statisch als auch stabil sein kann, wenn es Materie enthält. Ein statisches Universum, in dem sich das gesamte Gefüge der Raumzeit im Laufe der Zeit nicht ändert, wäre in Schwierigkeiten, wenn Sie die Materie in dieses Universum einordnen. Mit der Zeit würde sich diese Materie gravitativ anziehen und sich zu einem Punkt zusammenziehen. In einem statischen Universum voller Materie gibt es nur ein mögliches Schicksal: sich zu einem Schwarzen Loch zusammenzuziehen.

Mach dir keine Sorgen; Das ist nicht unser Schicksal.

Das

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

Jede einzelne Rosine repräsentiert eine gravitationsbedingte 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 nicht zusammenbringt, selbst wenn unendlich viel Zeit zur Verfügung steht.

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, aber die Abstände zwischen ihnen in einem expandierenden Universum. Dies kann sehr verwirrend sein, wenn Sie darauf bestehen, die scheinbare Bewegung der Objekte, die wir sehen, auf ihre relativen Geschwindigkeiten durch den Raum zurückzuführen. In Wirklichkeit ist es der Raum zwischen ihnen, der sich ausdehnt. (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 in Ihrer Nähe ansehen, scheint sie sich relativ langsam von Ihnen zu entfernen, und ein von ihr an Sie gesendetes Lichtsignal würde nur eine kurze Zeit in Anspruch nehmen, um dorthin zu gelangen. Aber wenn man sich eine Rosine anschaut, die viel weiter entfernt ist, scheint sie viel schneller zu verschwinden. Ein Lichtsignal, das von dort an Sie gesendet wird, würde sehr lange brauchen, um dorthin zu gelangen.

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

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. Ob das Universum von Materie oder Strahlung beherrscht wird, ist unerheblich. 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 -, geht dies deshalb mit so 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 entfernen.

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

Und wenn ein Objekt 14.100 Mpc von uns entfernt ist, scheint es sich mit etwa 987.000 km / s zu entfernen, 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 Linien alle voneinander unterscheiden, da sie Universen aus verschiedenen Zutaten entsprechen. (NED WRIGHT, GESTÜTZT 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, genauso wie sich die Rosinen nicht relativ zu dem Teig bewegen, in dem sie sich befinden. Stattdessen geschieht, dass sich der Stoff der Raumzeit selbst ausdehnt und das Licht von diesen Objekten kommt wird gedehnt - zu längeren, roteren Wellenlängen - wenn sich das Universum ausdehnt.

Aus diesem Grund sprechen wir über die Rotverschiebung entfernter Objekte: Weil ihr Licht gestreckt wird, wenn sich das Gewebe des Universums ausdehnt. Es ist die Materie und die Energiedichte des Universums, die bestimmen, wie schnell sich das Universum ausdehnt. Um die richtige Antwort zu erhalten, müssen wir alle Arten von Energie addieren, einschließlich Neutrinos, Strahlung, dunkler Materie und dunkler Energie.

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)

Heutzutage kommt Licht von allen möglichen Objekten in allen möglichen Entfernungen auf unsere Augen. Die Objekte, die 13,8 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt sind, waren in der fernen Vergangenheit viel näher. Als sie das Licht ausstrahlten, das uns heute erreicht, geschah dies zu einer Zeit, die bereits vor Milliarden von Jahren lag. Diese Galaxie mag momentan 13,8 Milliarden Lichtjahre entfernt sein, aber das Licht musste 13,8 Milliarden Jahre lang nicht wandern, um uns zu erreichen. es reiste eine kürzere Strecke und eine kürzere Zeit.

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

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

Wenn man bedenkt, was wir über das expandierende Universum wissen und wie groß die verschiedenen Energiearten in ihm sind, wie weit würde ein Objekt heute entfernt sein, 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 gelangen 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 nicht erreicht werden. Nur 3% des Universumsvolumens können vom Menschen erforscht werden. Wir können die Galaxien jedoch weiterhin sehen, es sei denn, wir können sie nur so sehen, wie sie in der Vergangenheit waren. (WIKIMEDIA COMMONS 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 ungefähr 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 es in unserer Vergangenheit waren. Jemand, der mehr als 14 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt ist, könnte selbst mit einem unendlich starken Teleskop niemals die menschliche Zivilisation beobachten, wie sie heute auf der Erde ist.

Ein Diagramm der Größe / Skala des beobachtbaren Universums gegen den Verlauf der kosmischen Zeit. Dies wird in einer Protokollskala angezeigt, in der einige wichtige Meilensteine ​​für Größe und Zeit angegeben sind. Man beachte die frühe strahlungsdominierte Ära, die jüngste von Materie dominierte Ära und die gegenwärtige und zukünftige exponentiell expandierende Ära. (E. SIEGEL)

Die Tatsache, dass wir das Universum sehen können, sagt uns, dass es sich ausdehnen muss, eine fantastische Übereinstimmung von Theorie und Beobachtung. Es zeigt uns auch, dass wir die Zeit so früh extrapolieren können, wie wir wollen, und alle möglichen interessanten Meilensteine ​​finden können, die sich in Bezug auf die Größe des Universums im Vergleich zu seinem Alter ergeben. Als das Universum eine Million Jahre alt war, war sein Rand bereits etwa 100 Millionen Lichtjahre entfernt. Als es nur ein Jahr alt war, konnten wir fast 100.000 Lichtjahre lang 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, sind 46,1 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt, was dem Licht entspricht, das im ersten Moment des Urknalls ausgestrahlt wird. Angesichts der Inhalte unseres Universums hätte es nicht anders kommen können.

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.