Ein Bild des extrem fernen Universums, in dem viele der Galaxien mehrere zehn 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 dann 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 Fakten über das Universum - seinen Ursprung, seine Geschichte und was es heute ist -, die furchtbar schwer zu verstehen sind. Einer davon ist der Urknall oder die Idee, dass das Universum vor einer bestimmten Zeit begann: genauer gesagt vor 13,8 Milliarden Jahren. 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 Universum, das durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt ist, 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 sein. 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, über dieses Problem nachzudenken, aber nur eine davon ist richtig.

Logarithmische Skalenkonzeption des Künstlers des beobachtbaren Universums. (Wikipedia-Nutzer Pablo Carlos Budassi)

1.) Zeug ist überall und Licht bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit. Dies ist der Standardmodus, den die meisten Benutzer haben. Sie können sich ein Universum vorstellen, das überall, wo wir hinschauen, voller Sterne und Galaxien ist und dass sich diese Sterne und Galaxien ziemlich nahe 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 bewegt. Nach 13,8 Milliarden Jahren würde man also erwarten können, fast 13,8 Milliarden Lichtjahre zurückblicken zu können, wenn man nur abzieht, wie lange es gedauert hat, bis sich Sterne und Galaxien nach dem Urknall gebildet haben.

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 Yale), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Universität Yale) und G. Illingworth (Universität von Kalifornien, Santa Cruz))

2.) Zeug ist überall, Licht bewegt sich bei 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 emittieren, sondern diese lichtemittierenden Objekte können sich relativ zueinander bewegen. Da sie sich nach den Regeln der speziellen Relativitätstheorie bis zur Lichtgeschwindigkeit bewegen können (aber nicht ganz mit dieser), 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 fast mit Lichtgeschwindigkeit von uns weg.

Die verschiedenen möglichen Schicksale des Universums, wobei unser tatsächliches, sich beschleunigendes Schicksal rechts gezeigt wird. (NASA & ESA)

3.) Zeug ist überall, Licht geht auf c, Sterne und Galaxien bewegen sich und das Universum dehnt sich aus. Diese letzte Schicht ist die kontraintuitive, mit der die meisten Menschen am schwersten zu tun haben. Ja, der Weltraum ist voller Materie, die sich schnell zu Sternen, Galaxien und noch größeren Strukturen zusammenballt. 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 über- und unterdichter Regionen aufeinander. All das ist wahr, genau wie im zweiten Szenario.

Die „Strömungen“ von Galaxien werden mit dem Massenfeld in der Nähe kartiert. (Helene M. Courtois, Daniel Pomarede, R. Brent Tully, Yehuda Hoffman und Denis Courtois aus „Cosmography of the Local Universe“ (2013))

Aber es gibt noch etwas Besonderes. Es ist der Raum selbst, der sich erweitert. Wenn Sie auf eine entfernte Galaxie schauen und feststellen, dass die Galaxie röter als normal ist, ist die übliche Denkweise, dass die Galaxie rot ist, weil sie sich von uns wegbewegt, und daher wird das Licht zu längeren (rötlicheren) Wellenlängen verschoben Auf die gleiche Weise, wie sich eine Sirene von Ihnen entfernt, wird der Klang auf längere Wellenlängen und niedrigere Tonhöhen verschoben. Aber das ist immer noch Teil der Erklärung # 2; Die Allgemeine Relativitätstheorie fügt das zusätzliche Element der Raumerweiterung 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 Raumgefüge aus, und diese einzelnen Lichtwellen in diesem Raum sehen auch, wie sich ihre Wellenlängen dehnen!

Sie könnten denken, 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 Raumgefüge 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 nicht expandierenden Universum ist, wie wir bereits erwähnt haben, die maximale Entfernung, die wir beobachten können, doppelt so alt wie das Universum 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 Galaxien, die jemals beobachtet wurden, 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 am weitesten entfernten Objekte - Sterne, Galaxien, das übrig gebliebene Leuchten des Urknalls usw. - auf 41,4 Milliarden Lichtjahre begrenzt. (Die relativistische Ableitung dieser Zahl, R = 3ct, sollte ein vertrautes Ergebnis für diejenigen sein, die die Allgemeine Relativitätstheorie in der Graduiertenschule absolviert haben.) Aber in einem Universum mit dunkler Energie wird dies auf eine noch größere Zahl hinausgeschoben: 46 Milliarden Lichtjahre für die beobachtete dunkle Energie, die unser Kosmos besitzt.

Spezielle Relativitätsvorhersagen (gepunktet) und allgemeine Relativitätsvorhersagen (fest) für Entfernungen im expandierenden Universum. Definitiv stimmen nur die Vorhersagen von GR mit dem überein, was wir beobachten. (Wikimedia Commons-Benutzer Redshiftimprove)

Alles in allem bedeutet dies, dass die Entfernung, die wir im Universum von einem entfernten Ende zum anderen sehen können, 92 Milliarden Lichtjahre beträgt. Und nicht vergessen: Es wächst weiter! Wenn wir heute mit Lichtgeschwindigkeit abreisen würden, könnten wir nur etwa ein Drittel des Weges erreichen: ungefähr 3% seines Volumens. Mit anderen Worten, aufgrund der Expansion des Universums und der Anwesenheit 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 Arbeiten der Wikimedia Commons-Benutzer Azcolvin 429 und Frédéric MICHEL)

Und so mögen 92 Milliarden Lichtjahre 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 neuer Raum zwischen den gebundenen Galaxien, Gruppen und Clustern im Kosmos entsteht, hat dazu geführt, dass das Universum so groß ist, wie es für unsere Augen ist. Angesichts dessen, was drin ist, was es regiert und wie es entstanden ist, 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.