Ein Bild des extrem fernen Universums, in dem viele der Galaxien zig Milliarden Lichtjahre entfernt sind. (NASA, ESA, R. Windhorst, S. Cohen und M. Mechtley (ASU), R. O'Connell (UVa), P. McCarthy (Carnegie Obs), N. Hathi (UC Riverside), R. Ryan ( UC Davis), & H. Yan (tOSU))

Wenn das Universum 13,8 Milliarden Jahre alt ist, wie können wir 46 Milliarden Lichtjahre entfernt sehen?

Entfernungen im expandierenden Universum funktionieren nicht wie erwartet. Es sei denn, Sie lernen, wie ein Kosmologe zu denken.

Es gibt ein paar grundlegende Tatsachen über das Universum - seinen Ursprung, seine Geschichte und was es heute ist -, die es schrecklich schwer machen, den Kopf herumzureißen. Eines davon ist der Urknall oder die Idee, dass das Universum vor einer bestimmten Zeit begann: vor 13,8 Milliarden Jahren, um genau zu sein. Dies ist der erste Moment, in dem wir das Universum so beschreiben können, wie wir es heute kennen: voller Materie und Strahlung und der Zutaten, die schließlich zu Sternen, Galaxien, Planeten und Menschen heranwachsen würden. Wie weit können wir sehen? Man könnte denken, in einem durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzten Universum wären das 13,8 Milliarden Lichtjahre: das Alter des Universums multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit. Aber 13,8 Milliarden Lichtjahre sind viel zu klein, um die richtige Antwort zu finden. Tatsächlich können wir 46 Milliarden Lichtjahre in alle Richtungen sehen, bei einem Gesamtdurchmesser von 92 Milliarden Lichtjahren.

Warum ist das? Es gibt drei intuitive Möglichkeiten, wie wir über dieses Problem nachdenken können, aber nur eine davon ist richtig.

Künstlerische logarithmische Skalenkonzeption des beobachtbaren Universums. (Wikipedia-Benutzer Pablo Carlos Budassi)

1.) Zeug ist überall und Licht breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Dies ist der Standardmodus, den die meisten Benutzer verwenden. Sie können sich ein Universum vorstellen, das überall, wo wir hinschauen, voller Sterne und Galaxien ist und dass sich diese Sterne und Galaxien fast am Anfang von allem gebildet haben. Je länger wir warten, desto weiter können wir sehen, wie sich das Licht mit Lichtgeschwindigkeit in einer geraden Linie ausbreitet. Nach 13,8 Milliarden Jahren kann man also davon ausgehen, dass fast 13,8 Milliarden Lichtjahre verzeichnet werden, abzüglich der Zeit, die Sterne und Galaxien nach dem Urknall benötigt haben, um sich zu bilden.

Das GOODS-N-Feld mit der hervorgehobenen Galaxie GN-z11: die derzeit am weitesten entfernte Galaxie, die jemals entdeckt wurde. (NASA, ESA, P. Oesch (Universität von Yale), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Universität von Yale) und G. Illingworth (Universität von Kalifornien, Santa Cruz))

2.) Zeug ist überall, Licht bewegt sich mit c und alles kann sich durch den Raum bewegen. Dies fügt dem Problem eine weitere Ebene hinzu. Es gibt nicht nur eine Menge Dinge, die Licht aussenden, sondern diese lichtemittierenden Objekte können sich auch relativ zueinander bewegen. Da sie sich nach den Regeln der speziellen Relativitätstheorie bis zur Lichtgeschwindigkeit (aber nicht ganz mit dieser) bewegen können, während sich das Licht mit Lichtgeschwindigkeit auf Sie zubewegt, können Sie sich vorstellen, doppelt so weit zu sehen wie im ersten Fall. Vielleicht könnten die Objekte jetzt bis zu 27,6 Milliarden Lichtjahre entfernt sein, vorausgesetzt, ihr Licht erreicht uns gerade jetzt und sie rasen mit fast Lichtgeschwindigkeit von uns weg.

Die verschiedenen möglichen Schicksale des Universums, wobei unser aktuelles, beschleunigtes Schicksal rechts dargestellt ist. (NASA & ESA)

3.) Zeug ist überall, Licht geht bei c, Sterne und Galaxien bewegen sich und das Universum dehnt sich aus. Diese letzte Schicht ist die kontraproduktive Schicht, mit der die meisten Menschen die schwerste Zeit haben. Ja, der Weltraum ist voller Materie, die schnell in Sterne, Galaxien und noch größere Strukturen zerfällt. Ja, das Licht, das es erzeugt, bewegt sich mit c, der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Ja, all diese Materie kann sich durch den Raum bewegen, hauptsächlich aufgrund der gegenseitigen Anziehungskraft verschiedener Regionen mit Über- und Unterdichte aufeinander. All das ist wahr, genau wie im zweiten Szenario.

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Aber es gibt auch etwas Besonderes. Es ist der Raum selbst, der sich erweitert. Wenn Sie auf eine entfernte Galaxie blicken und feststellen, dass die Galaxie roter als normal ist, denken Sie üblicherweise daran, dass die Galaxie rot ist, weil sie sich von uns wegbewegt und daher das Licht zu längeren (roteren) Wellenlängen verschoben wird Auf die gleiche Weise wird der Klang einer Sirene, die sich von Ihnen entfernt, auf längere Wellenlängen und niedrigere Tonhöhen verschoben. Dies ist jedoch immer noch Teil der Erklärung Nr. 2; Die Allgemeine Relativitätstheorie fügt dem expandierenden Raum dieses zusätzliche Element hinzu.

Ein Beispiel dafür, wie Rotverschiebungen im expandierenden Universum funktionieren (Larry McNish vom RASC Calgary Center, über http://calgary.rasc.ca/redshift.htm).

Und wenn sich das Universum ausdehnt, dehnt sich das Gewebe des Raumes aus und diese einzelnen Lichtwellen in diesem Raum sehen, wie sich ihre Wellenlängen ebenfalls ausdehnen!

Man könnte meinen, es ist unmöglich, diese beiden Effekte voneinander zu unterscheiden. Wenn Sie nur die Wellenlänge des Lichts messen können, wenn es Ihr Auge erreicht, wie können Sie dann feststellen, ob es auf Bewegung oder auf das Gewebe des Raums zurückzuführen ist? Wie sich herausstellt, besteht eine Beziehung zwischen der Rotverschiebung (und damit der Wellenlänge) und der beobachteten Helligkeit der Galaxie, die eine Funktion der Entfernung ist. In einem sich nicht ausdehnenden Universum beträgt die maximale Entfernung, die wir beobachten können, das Doppelte des Alters des Universums in Lichtjahren: 27,6 Milliarden Lichtjahre. Aber im heutigen Universum haben wir bereits weiter entfernte Galaxien beobachtet!

Die hier gezeigte GOODS-North-Umfrage enthält einige der entferntesten jemals beobachteten Galaxien, von denen viele (rechts hervorgehoben) bereits über 30 Milliarden Lichtjahre entfernt sind. (NASA, ESA und Z. Levay (STScI) )

Wie weit können wir in eine Richtung sehen? Wenn das Universum überhaupt keine dunkle Energie hätte, wären die entferntesten Objekte - Sterne, Galaxien, das übrig gebliebene Glühen des Urknalls usw. - auf 41,4 Milliarden Lichtjahre begrenzt. (Die relativistische Herleitung dieser Zahl, dass R = 3ct, sollte ein bekanntes Ergebnis für diejenigen sein, die die Allgemeine Relativitätstheorie in der Graduiertenschule absolviert haben.) In einem Universum mit dunkler Energie wird diese Zahl jedoch auf eine noch größere Zahl erhöht: 46 Milliarden Lichtjahre für die beobachtete dunkle Energie, die unser Kosmos besitzt.

Spezielle Relativitäts- (gepunktet) und allgemeine Relativitätsvorhersage (fest) für Entfernungen im expandierenden Universum. Definitiv stimmen nur die Vorhersagen von GR mit unseren Beobachtungen überein. (Wikimedia Commons-Benutzer Redshiftimprove)

Zusammengenommen beträgt die Entfernung, die wir im Universum von einem entfernten Ende zum anderen sehen können, 92 Milliarden Lichtjahre. Und nicht vergessen: Es wächst weiter! Wenn wir heute mit Lichtgeschwindigkeit abreisen würden, könnten wir nur ein Drittel des Weges überqueren: ungefähr 3% seines Volumens. Mit anderen Worten, aufgrund der Expansion des Universums und der Anwesenheit von dunkler Energie sind 97% des beobachtbaren Universums bereits nicht erreichbar, selbst wenn wir heute mit Lichtgeschwindigkeit abgereist sind.

Die Größe unseres sichtbaren Universums (gelb), zusammen mit der Menge, die wir erreichen können (magenta). (E. Siegel, basierend auf der Arbeit der Wikimedia Commons-Benutzer Azcolvin 429 und Frédéric MICHEL)

92 Milliarden Lichtjahre mögen für ein 13,8 Milliarden Jahre altes Universum wie eine große Zahl erscheinen, aber es ist die richtige Zahl für das Universum, das wir heute haben, voller Materie, Strahlung, dunkler Energie und unter Einhaltung der Gesetze der Allgemeinen Relativitätstheorie. Die Tatsache, dass sich der Raum selbst ausdehnt und ständig ein neuer Raum zwischen den gebundenen Galaxien, Gruppen und Clustern im Kosmos entsteht, ist der Grund, warum das Universum so groß werden muss, wie es für unsere Augen ist. Angesichts dessen, was darin enthalten ist, was es regiert und wie es entstanden ist, hätte es nicht anders ausgehen 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.