Dann dehnt sich das Universum aus. Very Dark Matters: Wie man die beschleunigte Expansion des Universums erklärt

Unsere Sonne und die ihr am nächsten liegenden Sterne sind Teil eines riesigen Sternhaufens, der unsere Galaxie oder Milchstraße genannt wird. Lange Zeit glaubte man, dass dies das ganze Universum ist. Erst 1924 zeigte der amerikanische Astronom Edwin Hubble, dass unsere Galaxis nicht die einzige ist. Es gibt viele andere Galaxien, die durch riesige Streifen leeren Raums getrennt sind. Um dies zu beweisen, musste Hubble Entfernungen zu anderen Galaxien messen. Wir können die Entfernungen zu den nächsten Sternen bestimmen, indem wir Änderungen ihrer Position am Firmament aufzeichnen, während sich die Erde um die Sonne dreht. Aber im Gegensatz zu nahen Sternen sind andere Galaxien so weit entfernt, dass sie bewegungslos erscheinen. Daher war Hubble gezwungen, indirekte Methoden zur Messung von Entfernungen zu verwenden.

Derzeit hängt die scheinbare Helligkeit von Sternen von zwei Faktoren ab - der tatsächlichen Leuchtkraft und der Entfernung von der Erde. Für die nächstgelegenen Sterne können wir sowohl die scheinbare Helligkeit als auch die Entfernung messen, wodurch wir ihre Leuchtkraft berechnen können. Umgekehrt können wir, wenn wir die Leuchtkraft von Sternen in anderen Galaxien kennen, die Entfernung zu ihnen berechnen, indem wir ihre Helligkeit messen. Hubble argumentierte, dass bestimmte Arten von Sternen immer die gleiche Leuchtkraft haben, wenn sie uns nahe genug sind, um Messungen durchzuführen. Nachdem wir ähnliche Sterne in einer anderen Galaxie gefunden haben, können wir davon ausgehen, dass sie die gleiche Leuchtkraft haben. Damit können wir die Entfernung zu einer anderen Galaxie berechnen. Wenn wir dies für mehrere Sterne in einer Galaxie tun und die erhaltenen Werte übereinstimmen, können wir unseren Ergebnissen ziemlich sicher sein. Ebenso konnte Edwin Hubble die Entfernungen zu neun verschiedenen Galaxien berechnen.

Heute wissen wir, dass unsere Galaxie nur eine von mehreren Hundert Milliarden Galaxien ist, die in modernen Teleskopen beobachtet werden und von denen jede Hunderte Milliarden Sterne enthalten kann. Wir leben in einer Galaxie mit einem Durchmesser von etwa hunderttausend Lichtjahren. Es rotiert langsam, und die Sterne in seinen Spiralarmen machen in hundert Millionen Jahren ungefähr eine Umdrehung um sein Zentrum. Unsere Sonne ist ein ganz gewöhnlicher, mittelgroßer gelber Stern nahe dem äußeren Rand eines der Spiralarme. Zweifellos haben wir seit den Tagen von Aristoteles und Ptolemäus, als die Erde als Mittelpunkt des Universums galt, einen langen Weg zurückgelegt.

Die Sterne sind so weit von uns entfernt, dass sie nur noch winzige Lichtpunkte zu sein scheinen. Wir können nicht zwischen ihrer Größe oder Form unterscheiden. Wie klassifizieren Wissenschaftler sie? Für die allermeisten Sterne wird nur ein beobachtbarer Parameter zuverlässig bestimmt – ihre Farbe
Strahlung. Newton entdeckte, dass das durch ein Prisma ging Sonnenlicht spaltet sich in seine konstituierenden Farben (Spektrum) auf, genau wie der Regenbogen. Indem Sie ein Teleskop auf einen bestimmten Stern oder eine Galaxie fokussieren, können Sie das Lichtspektrum dieses Objekts beobachten. Verschiedene Sterne haben unterschiedliche Spektren, aber die relative Helligkeit einzelner Farben im Spektrum entspricht fast immer derjenigen, die man im Leuchten von stark glühenden Objekten findet. Dies ermöglicht es, seine Temperatur aus dem Spektrum des Sterns zu berechnen. Darüber hinaus können Sie im Spektrum eines Sterns das Fehlen bestimmter Farben feststellen, und diese Farben sind für jeden Stern unterschiedlich. Es ist bekannt, dass jedes chemische Element einen bestimmten Farbsatz absorbiert. Indem wir also Linien identifizieren, die im Emissionsspektrum eines Sterns fehlen, können wir genau bestimmen, welche chemische Elemente in seiner äußeren Schicht enthalten.

Beginnend in den 1920er Jahren. Um die Spektren von Sternen in anderen Galaxien zu studieren, entdeckten Astronomen eine bemerkenswerte Tatsache: Ihnen fehlten die gleichen Farblinien wie bei den Sternen in unserer Galaxie, aber alle Linien waren um den gleichen Betrag in Richtung des roten Teils des Spektrums verschoben. Die einzig vernünftige Erklärung war, dass sich Galaxien von uns wegbewegen und dies aufgrund des Dopplereffekts zu einer Abnahme der Frequenz der Lichtwellen (der sogenannten Rotverschiebung) führt.

Hören Sie auf den Lärm der Autos auf der Autobahn. Wenn sich das Auto Ihnen nähert, wird das Geräusch seines Motors entsprechend der Frequenz der Schallwellen immer höher und nimmt ab, wenn sich das Auto entfernt. Das gleiche passiert mit Licht oder Radiowellen. Tatsächlich wird der Doppler-Effekt von der Verkehrspolizei genutzt, um die Geschwindigkeit eines Autos zu bestimmen, indem die Frequenz des gesendeten und empfangenen Funksignals geändert wird (die Frequenzverschiebung hängt in diesem Fall von der Geschwindigkeit des reflektierenden Objekts, d ).

Nachdem Hubble die Existenz anderer Galaxien entdeckt hatte, begann er, einen Katalog von Entfernungen zu ihnen zusammenzustellen und ihre Spektren zu beobachten. Damals glaubten viele, dass sich Galaxien völlig chaotisch bewegen und daher in der gleichen Anzahl Spektren mit Rotverschiebung und Blau nachgewiesen werden sollten. Stellen Sie sich die allgemeine Überraschung vor, als festgestellt wurde, dass alle Galaxien eine Rotverschiebung aufweisen. Jeder von ihnen entfernt sich von uns. Noch auffallender waren die 1929 von Hubble veröffentlichten Ergebnisse: Selbst die Größe der Rotverschiebung für jede der Galaxien ist nicht zufällig, sondern proportional zur Entfernung zwischen Galaxie und Sonnensystem. Mit anderen Worten, je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich.

Dies bedeutete, dass das Universum in keiner Weise stationär sein konnte, wie es früher üblich war, sondern sich ausdehnt. Die Abstände zwischen Galaxien nehmen ständig zu. Die Entdeckung, dass sich das Universum ausdehnt, wurde zu einer der großen intellektuellen Revolutionen des 20. Jahrhunderts. Im Nachhinein fragt man sich leicht, warum noch niemand daran gedacht hat. Newton und andere hätten verstehen müssen, dass ein stationäres Universum unter dem Einfluss der Schwerkraft schnell kollabieren würde. Aber stellen Sie sich vor, dass das Universum nicht stationär ist, sondern sich ausdehnt. Bei geringen Expansionsgeschwindigkeiten würde die Schwerkraft diese früher oder später stoppen und eine Kompression einleiten. Wenn die Expansionsrate jedoch einen bestimmten kritischen Wert überschreitet, würde die Gravitationskraft nicht ausreichen, um sie zu stoppen, und das Universum würde sich für immer ausdehnen. Ähnliches passiert, wenn eine Rakete gestartet wird.
von der Erdoberfläche. Wenn die Rakete nicht die erforderliche Geschwindigkeit erreicht, wird sie durch die Schwerkraft gestoppt und sie beginnt nach hinten zu fallen. Auf der anderen Seite können die Gravitationskräfte bei einer Geschwindigkeit über einem bestimmten kritischen Wert (ca. 11,2 km / s) die Rakete nicht in der Nähe der Erde halten und sie wird sich für immer von unserem Planeten entfernen.

Ein solches Verhalten des Universums konnte auf der Grundlage des Newtonschen Gesetzes der universellen Gravitation bereits im 19. Ende XVII V. Der Glaube an ein stationäres Universum war jedoch so unerschütterlich, dass er bis Anfang des 20. Jahrhunderts Bestand hatte. Einstein selbst blieb 1915, als er die Allgemeine Relativitätstheorie formulierte, von der Stationarität des Universums überzeugt. Da er sich von dieser Idee nicht trennen konnte, änderte er sogar seine Theorie, indem er die sogenannte kosmologische Konstante in die Gleichungen einführte. Dieser Wert kennzeichnet eine gewisse Antigravitationskraft, die im Gegensatz zu allen anderen physikalischen Kräften nicht von einer bestimmten Quelle ausgeht, sondern in das Gefüge der Raumzeit „eingebaut“ ist. Die kosmologische Konstante gab der Raumzeit eine inhärente Tendenz, sich auszudehnen, und dies könnte getan werden, um die gegenseitige Anziehung aller im Universum vorhandenen Materie auszugleichen, dh um der Stationarität des Universums willen. Es scheint, dass in diesen Jahren nur eine Person bereit war, die Allgemeine Relativitätstheorie für bare Münze zu nehmen. Während Einstein und andere Physiker nach einem Weg suchten, die Unbeständigkeit des Universums zu umgehen, die aus Allgemeine Theorie Relativitätstheorie lieferte der russische Physiker Alexander Fridman stattdessen seine eigene Erklärung.

FRIEDMAN'S MODELLE

Die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, die die Entwicklung des Universums beschreiben, sind zu komplex, um im Detail gelöst zu werden.

Also schlug Friedman stattdessen vor, zwei einfache Annahmen zu treffen:

(1) Das Universum sieht in alle Richtungen genau gleich aus;
(2) Diese Bedingung gilt für alle ihre Punkte.

Basierend auf der Allgemeinen Relativitätstheorie und diesen beiden einfachen Annahmen konnte Friedman zeigen, dass wir nicht erwarten sollten, dass das Universum stationär ist. Tatsächlich sagte er 1922 genau voraus, was Edwin Hubble einige Jahre später entdeckte.

Die Annahme, dass das Universum in alle Richtungen gleich aussieht, ist natürlich nicht ganz richtig. Zum Beispiel bilden die Sterne unserer Galaxie ein deutlich sichtbares leuchtendes Band am Nachthimmel, die Milchstraße. Aber wenn wir unseren Blick auf ferne Galaxien richten, wird ihre Zahl, die in verschiedene Richtungen beobachtet wird, ungefähr gleich sein. Das Universum scheint also in allen Richtungen relativ homogen zu sein, wenn man es auf einer kosmischen Skala betrachtet, die mit den Abständen zwischen Galaxien vergleichbar ist.

Dies galt lange Zeit als hinreichende Begründung für Friedmans Annahme – eine grobe Annäherung an das reale Universum. Vor relativ kurzer Zeit hat jedoch ein glücklicher Zufall bewiesen, dass Friedmans Hypothese unsere Welt mit bemerkenswerter Genauigkeit beschreibt. 1965 arbeiteten die amerikanischen Physiker Arno Penzias und Robert Wilson im Bell-Labor in New Jersey an einem superempfindlichen Mikrowellenempfänger für die Kommunikation mit umkreisenden künstlichen Satelliten. Sie waren zutiefst besorgt, dass der Empfänger mehr Geräusche aufnahm, als er sollte, und dass das Geräusch nicht aus einer bestimmten Richtung kam. Sie begannen ihre Suche nach der Ursache des Lärms, indem sie ihre große Hornantenne von darin angesammeltem Vogelkot säuberten und mögliche Störungen beseitigten. Sie wussten, dass atmosphärisches Rauschen verstärkt wird, wenn die Antenne nicht gerade nach oben gerichtet ist, da die Atmosphäre schräg zur Vertikalen dicker aussieht.

Das zusätzliche Rauschen blieb gleich, unabhängig davon, in welche Richtung die Antenne gedreht wurde, und daher musste die Quelle des Rauschens außerhalb der Atmosphäre liegen. Das Geräusch blieb das ganze Jahr über Tag und Nacht gleich, trotz der Rotation der Erde um ihre Achse und der Rotation um die Sonne. Dies deutete darauf hin, dass die Strahlungsquelle draußen war Sonnensystem und sogar außerhalb unserer Galaxie, sonst würde sich die Signalintensität ändern, da sich herausstellte, dass die Antenne entsprechend der Bewegung der Erde in verschiedene Richtungen ausgerichtet war.

Tatsächlich wissen wir jetzt, dass die Strahlung auf ihrem Weg zu uns das gesamte beobachtbare Universum durchquert haben sollte. Solange es in verschiedenen Richtungen gleich ist, muss das Universum in alle Richtungen homogen sein (zumindest im großen Maßstab). Wir wissen, dass die Fluktuationen des "Hintergrundrauschens" der kosmischen Strahlung in jede Richtung, in die wir schauen, nicht mehr als 1 / 10000 betragen. So stießen Penzias und Wilson zufällig auf eine verblüffend genaue Bestätigung von Friedmans erster Hypothese.

Etwa zur gleichen Zeit interessierten sich auch zwei andere amerikanische Physiker aus der Nähe, im selben Bundesstaat New Jersey, der Princeton University, Bob Dick und Jim Peebles, für kosmische Mikrowellenstrahlung. Sie arbeiteten an der Hypothese von George (George) Gamow, der einst ein Schüler von Alexander Fridman war, dass das Universum im frühesten Entwicklungsstadium extrem dicht und heiß war, zu einer "weißen Hitze" erhitzt. Dick und Peebles kamen zu dem Schluss, dass wir sein vergangenes Glühen immer noch beobachten können, da Licht aus den entferntesten Teilen des frühen Universums gerade die Erde erreicht. Durch die Expansion des Universums hat dieses Licht jedoch offenbar eine so große Rotverschiebung erfahren, dass es nun von uns in Form von Mikrowellenstrahlung wahrgenommen werden sollte. Dick und Peebles suchten nach solcher Strahlung, als Penzias und Wilson von ihrer Arbeit hörten und erkannten, dass sie bereits gefunden hatten, wonach sie suchten. Für diese Entdeckung wurden Penzias und Wilson ausgezeichnet Nobelpreis in Physik im Jahr 1978, was Dick und Peebles etwas unfair erscheint.

Auf den ersten Blick deutet dieser Beweis, dass das Universum in alle Richtungen gleich aussieht, darauf hin, dass die Erde einige spezieller Ort im Universum. Sie können sich zum Beispiel vorstellen, dass wir uns im Zentrum des Weltraums befinden, sobald sich alle Galaxien von uns entfernen. Es gibt jedoch eine alternative Erklärung: Das Universum kann in alle Richtungen und von jeder anderen Galaxie aus gleich aussehen. Dies war, wie bereits erwähnt, Friedmans zweite Vermutung.

Wir haben keine Beweise, um diese Annahme zu stützen oder zu widerlegen. Wir nehmen es nur aus Bescheidenheit im Glauben. Es wäre überaus erstaunlich, wenn das Universum um uns herum in allen Richtungen gleich aussehen würde, aber um keinen anderen Punkt herum. In Friedmans Modell entfernen sich alle Galaxien voneinander. Stellen Sie sich einen Ballon vor, auf dessen Oberfläche Punkte gemalt sind. Wenn der Ballon aufgeblasen wird, vergrößert sich der Abstand zwischen zwei beliebigen Punkten, aber keiner von ihnen kann als Expansionszentrum bezeichnet werden. Je weiter sich die Flecken ausbreiten, desto schneller entfernen sie sich außerdem voneinander. In ähnlicher Weise ist im Friedman-Modell die Rezessionsrate zweier Galaxien proportional zum Abstand zwischen ihnen. Daraus folgt, dass die Größe der Rotverschiebung von Galaxien direkt proportional zu ihrer Entfernung von der Erde sein sollte, was Hubble entdeckte.

Obwohl Friedmans Modell erfolgreich war und sich als konsistent mit den Ergebnissen von Hubbles Beobachtungen erwies, blieb es im Westen lange Zeit fast unbekannt. Sie erfuhren davon erst, nachdem 1935 der amerikanische Physiker Howard Robertson und der englische Mathematiker Arthur Walker ähnliche Modelle entwickelt hatten, um die von Hubble entdeckte homogene Expansion des Universums zu erklären.

Obwohl Friedman nur ein Modell vorgeschlagen hat, können basierend auf seinen beiden Grundannahmen drei verschiedene Modelle konstruiert werden. Bei der ersten (so formulierte Friedman) erfolgt die Expansion so langsam, dass die Gravitationsanziehung zwischen den Galaxien sie allmählich noch verlangsamt und dann stoppt. Die Galaxien beginnen sich dann aufeinander zuzubewegen und das Universum zieht sich zusammen. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Galaxien nimmt zunächst von Null bis zu einem bestimmten Maximum zu und nimmt dann wieder auf Null ab.

Bei der zweiten Lösung ist die Expansionsrate so hoch, dass die Schwerkraft sie nie aufhalten kann, obwohl sie sich etwas verlangsamt. Die Trennung benachbarter Galaxien in diesem Modell beginnt in der Entfernung Null und streut dann mit konstanter Geschwindigkeit. Schließlich gibt es noch eine dritte Lösung, bei der die Expansionsgeschwindigkeit des Universums nur ausreicht, um eine umgekehrte Kontraktion oder einen Kollaps zu verhindern. Auch in diesem Fall beginnt die Division bei Null und steigt unendlich an. Die Expansionsgeschwindigkeit nimmt jedoch ständig ab, obwohl sie nie Null erreicht.

Ein bemerkenswertes Merkmal des ersten Typs von Friedmanns Modell ist, dass das Universum im Raum nicht unendlich ist, sondern der Raum keine Grenzen hat. Die Schwerkraft ist in diesem Fall so stark, dass der Raum gekrümmt ist und sich wie die Erdoberfläche um sich selbst schließt. Reisen mit die Erdoberfläche in eine Richtung stößt er nie auf ein unüberwindbares Hindernis und riskiert nicht, vom "Rand der Erde" zu fallen, sondern kehrt einfach zum Ausgangspunkt zurück. Das ist der Raum in Friedmans erstem Modell, aber statt zwei Dimensionen, die der Erdoberfläche innewohnen, hat er drei. Die vierte Dimension - Zeit - hat eine endliche Ausdehnung, kann aber mit einer Linie mit zwei Kanten oder Grenzen, einem Anfang und einem Ende, verglichen werden. Weiterhin werden wir zeigen, dass die Kombination der Bestimmungen der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Unschärferelation der Quantenmechanik die Endlichkeit von Raum und Zeit zulässt, aber gleichzeitig keine Grenzen kennt. Idee von Weltraumwanderer das das Universum umkreiste und zum Ausgangspunkt zurückkehrte, ist gut für Fantasy-Geschichten, hat aber keinen praktischen Wert, denn - und das kann bewiesen werden - das Universum wird auf die Größe Null schrumpfen, bevor der Reisende zum Ausgangspunkt zurückkehrt. Um Zeit zu haben, zum Ausgangspunkt zurückzukehren, bevor das Universum aufhört zu existieren, muss dieser arme Kerl sich bewegen schneller als das Licht, was leider nach den uns bekannten Naturgesetzen nicht erlaubt ist.

Welches Friedman-Modell entspricht unserem Universum? Wird die Expansion des Universums aufhören und der Kontraktion weichen, oder wird sie für immer andauern? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir die Expansionsrate des Universums und seine mittlere Dichte derzeit. Unterschreitet diese Dichte einen bestimmten kritischen Wert, der durch die Expansionsrate bestimmt wird, ist die Gravitationsanziehung zu schwach, um die Streuung von Galaxien zu stoppen. Wenn die Dichte größer als der kritische Wert ist, wird die Schwerkraft früher oder später die Expansion stoppen und die umgekehrte Kontraktion beginnen.

Wir können die aktuelle Expansionsrate bestimmen, indem wir die Geschwindigkeiten messen, mit denen sich andere Galaxien von uns entfernen, indem wir den Doppler-Effekt verwenden. Dies kann mit großer Präzision erfolgen. Die Entfernungen zu Galaxien sind jedoch nicht gut bekannt, da wir sie indirekt messen. Wir wissen eines: Das Universum dehnt sich alle Milliarde Jahre um etwa 5-10% aus. Unsere Schätzungen der aktuellen Dichte der Materie im Universum sind jedoch noch größerer Unsicherheit schuldig.

Wenn wir die Masse aller Sterne in unserer und anderen für uns sichtbaren Galaxien addieren, wird die Summe weniger als ein Hundertstel des Wertes betragen, der notwendig ist, um die Expansion des Universums selbst bei seiner niedrigsten Geschwindigkeit zu stoppen. Wir wissen jedoch, dass unsere und andere Galaxien eine große Menge dunkler Materie enthalten, die wir nicht direkt beobachten können, deren Einfluss jedoch durch ihre Gravitationswirkung auf die Umlaufbahnen von Sternen und galaktischem Gas nachgewiesen wird. Darüber hinaus bilden die meisten Galaxien riesige Haufen, und die Anwesenheit von noch mehr Dunkler Materie zwischen Galaxien in diesen Haufen kann aufgrund ihrer Auswirkungen auf die Bewegung der Galaxien vermutet werden. Aber selbst wenn wir all diese dunkle Materie hinzufügen, erhalten wir ein Zehntel dessen, was benötigt wird, um die Expansion zu stoppen. Es ist jedoch möglich, dass es andere, von uns noch nicht identifizierte Materieformen gibt, die die durchschnittliche Dichte des Universums auf einen kritischen Wert anheben könnten, der die Expansion stoppen kann.

Daher deuten bestehende Beweise darauf hin, dass sich das Universum wahrscheinlich für immer ausdehnt. Aber wetten Sie nicht darauf. Wir können nur sicher sein, dass, wenn das Universum zum Kollaps bestimmt ist, dies nicht früher als in Dutzenden von Milliarden von Jahren geschehen wird, da es sich zumindest über den gleichen Zeitraum ausdehnt. Mach dir also keine Sorgen im Voraus. Wenn wir uns nicht außerhalb des Sonnensystems niederlassen, wird die Menschheit lange vorher zusammen mit unserem Stern, der Sonne, zugrunde gehen.

URKNALL

Charakteristisches Merkmal aller Lösungen, die sich aus dem Friedmann-Modell ergeben, ist, dass nach ihnen in der fernen Vergangenheit, vor 10 oder 20 Milliarden Jahren, der Abstand zwischen benachbarten Galaxien im Universum Null hätte sein sollen. Zu diesem Zeitpunkt, der Urknall genannt wird, waren die Dichte des Universums und die Krümmung der Raumzeit unendlich groß. Dies bedeutet, dass die allgemeine Relativitätstheorie, auf der alle Lösungen des Friedmann-Modells basieren, die Existenz eines speziellen, singulären Punktes im Universum vorhersagt.

Alle unsere wissenschaftlichen Theorien basieren auf der Annahme, dass die Raumzeit glatt und nahezu flach ist, sodass sie alle auf die Spezifität (Singularität) des Urknalls treffen, wo die Krümmung der Raumzeit unendlich ist. Dies bedeutet, dass, wenn einige Ereignisse vor dem Urknall stattgefunden haben, sie nicht verwendet werden können, um festzustellen, was danach geschah, da jede Vorhersehbarkeit zum Zeitpunkt des Urknalls verletzt wurde. Dementsprechend können wir, wenn wir nur wissen, was nach dem Urknall geschah, nicht feststellen, was davor geschah. Auf uns angewendet haben alle Ereignisse vor dem Urknall keine Konsequenzen und können daher nicht Teil des wissenschaftlichen Modells des Universums sein. Wir müssen sie aus dem Modell ausschließen und sagen, dass die Zeit den Anfang des Urknalls hatte.

Viele Menschen mögen die Vorstellung nicht, dass die Zeit einen Anfang hat, wahrscheinlich weil sie nach göttlichem Eingreifen riecht. (Andererseits griff die katholische Kirche das Urknallmodell auf und erklärte dieses Modell 1951 offiziell für biblisch.) Man versuchte, den Schluss zu vermeiden, dass es überhaupt einen Urknall gab. Die Theorie eines stationären Universums erhielt die breiteste Unterstützung. Es wurde 1948 von Herman Bondi und Thomas Gold vorgeschlagen, die aus dem von den Nazis besetzten Österreich flohen, zusammen mit dem Briten Fred Hoyle, der während der Kriegsjahre mit ihnen zusammenarbeitete, um Radargeräte zu verbessern. Ihre Idee war, dass während der Streuung von Galaxien ständig neue Galaxien im Raum zwischen ihnen aus der neugebildeten Materie entstehen. Deshalb sieht das Universum zu jeder Zeit und von jedem Punkt im Weltraum aus ungefähr gleich aus.

Die Theorie eines stationären Universums erforderte eine solche Änderung der allgemeinen Relativitätstheorie, die die ständige Bildung neuer Materie ermöglichen würde, aber die Geschwindigkeit ihrer Bildung war so gering - etwa eins Elementarteilchen pro Kubikkilometer pro Jahr - dass die Idee von Bondi, Gold und Hoyle nicht mit experimentellen Daten kollidierte. Ihre Theorie war „gut“, das heißt, sie war einfach genug und bot klare Vorhersagen, die experimentell überprüft werden konnten. Eine dieser Vorhersagen war, dass die Anzahl von Galaxien oder ähnlichen Objekten in jedem Raumvolumen gleich sein wird, wo immer und wann immer wir im Universum suchen.

Ende der 1950er - Anfang der 1960er Jahre. eine Gruppe von Astronomen aus Cambridge unter der Leitung von Martin Ryle untersuchte die Quellen der Radioemission im Weltraum. Es stellte sich heraus, dass die meisten dieser Quellen außerhalb unserer Galaxis liegen müssen und dass es viel mehr schwache als starke darunter gibt. Schwache Quellen waren weiter entfernt und starke Quellen näher. Eine andere Sache wurde deutlich: Die Anzahl der nahen Quellen pro Volumeneinheit ist geringer als die der entfernten.

Dies könnte bedeuten, dass wir uns im Zentrum einer riesigen Region befinden, in der die Dichte der Radioquellen viel geringer ist als im Rest des Universums. Oder die Tatsache, dass es früher, als Radiowellen gerade erst ihren Weg zu uns begannen, viel mehr Strahlungsquellen gab als heute. Sowohl die erste als auch die zweite Erklärung widersprachen der Theorie eines stationären Universums. Darüber hinaus deutete die 1965 von Penzias und Wilson entdeckte Mikrowellenstrahlung auch darauf hin, dass das Universum irgendwann in der Vergangenheit viel dichter gewesen sein muss. Damit wurde die Theorie eines stationären Universums begraben, wenn auch nicht ohne Bedauern.

Ein weiterer Versuch, die Schlussfolgerung zu umgehen, dass der Urknall war und dass die Zeit einen Anfang hat, wurde 1963 von den sowjetischen Wissenschaftlern Yevgeny Lifshits und Isaak Khalatnikov unternommen. Sie schlugen vor, dass der Urknall ein spezifisches Merkmal von Friedmans Modellen darstellen könnte, die schließlich nur eine Annäherung an das reale Universum sind. Vielleicht enthalten von allen Modellen, die sich dem realen Universum annähern, nur Friedmanns Modelle die Urknall-Singularität. In diesen Modellen streuen Galaxien in geraden Linien im Raum.

Daher ist es nicht verwunderlich, dass sie irgendwann in der Vergangenheit alle am selben Punkt waren. Im realen Universum breiten sich Galaxien jedoch nicht auf geraden, sondern auf leicht gekrümmten Bahnen aus. An der Ausgangsposition befanden sie sich also nicht am gleichen geometrischen Punkt, sondern einfach sehr nahe beieinander. Daher ist es wahrscheinlich, dass das moderne expandierende Universum nicht aus der Urknall-Singularität hervorgegangen ist, sondern aus einer früheren Phase der Kontraktion; Während des Zusammenbruchs des Universums mussten nicht alle Teilchen miteinander kollidieren, einige von ihnen konnten eine direkte Kollision vermeiden und streuen, wodurch das Bild der Expansion des Universums entsteht, das wir jetzt beobachten. Können wir dann sagen, dass das wahre Universum mit dem Urknall begann?

Lifshits und Khalatnikov untersuchten Modelle des Universums, die denen von Friedmann ungefähr ähnlich sind, berücksichtigten jedoch die Inhomogenitäten und die zufällige Verteilung der Geschwindigkeiten von Galaxien im realen Universum. Sie zeigten, dass solche Modelle auch mit einem Urknall starten können, auch wenn die Galaxien nicht streng geradlinig streuen. Lifshits und Khalatnikov argumentierten jedoch, dass dies nur in bestimmten spezifischen Modellen möglich ist, bei denen sich alle Galaxien in einer geraden Linie bewegen.

Da es viel mehr Modelle wie das von Friedmann gibt, die die Urknall-Singularität nicht enthalten, als solche, die dies tun, müssen wir folgern, dass die Wahrscheinlichkeit eines Urknalls extrem gering ist. Später mussten sie jedoch zugeben, dass die Klasse der Friedmann-ähnlichen Modelle, die Singularitäten enthalten und in denen sich Galaxien nicht auf besondere Weise bewegen sollten, viel umfangreicher ist. Und 1970 gaben sie ihre Hypothese ganz auf.

Die Arbeit von Lifshitz und Khalatnikov war wertvoll, weil sie zeigte, dass das Universum eine Singularität – den Urknall – haben könnte, wenn die allgemeine Relativitätstheorie richtig ist. Sie haben jedoch eine entscheidende Frage nicht gelöst: Sagt die Allgemeine Relativitätstheorie voraus, dass unser Universum einen Urknall, den Beginn der Zeit, hätte haben sollen? Die Antwort darauf lieferte ein ganz anderer Ansatz, der erstmals 1965 vom englischen Physiker Roger Penrose vorgeschlagen wurde. Penrose nutzte das Verhalten der sogenannten Lichtkegel in der Relativitätstheorie und die Tatsache, dass die Schwerkraft immer Anziehung bewirkt, um zu zeigen, dass Sterne, die unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren, sind in einem Bereich eingeschlossen, dessen Grenzen auf null komprimiert sind. Dies bedeutet, dass die gesamte Materie des Sterns in einen Punkt mit Nullvolumen gezogen wird, sodass die Dichte der Materie und die Krümmung der Raumzeit unendlich werden. Mit anderen Worten, es gibt eine Singularität in einem Bereich der Raumzeit, der als Schwarzes Loch bekannt ist.

Auf den ersten Blick sagten Penroses Ergebnisse nichts darüber aus, ob es in der Vergangenheit eine Urknall-Singularität gegeben hat. Doch genau zu der Zeit, als Penrose seinen Satz herleitete, suchte ich, damals Doktorand, verzweifelt nach Matheproblem das würde es mir ermöglichen, meine Dissertation abzuschließen. Mir wurde klar, dass, wenn wir die Richtung der Zeit im Satz von Penrose umkehren, so dass der Kollaps der Expansion weicht, die Bedingungen des Satzes gleich bleiben, solange das aktuelle Universum im großen Maßstab ungefähr mit dem Friedmann-Modell übereinstimmt. Der Satz von Penrose implizierte, dass der Kollaps eines jeden Sterns in einer Singularität endet, und mein Beispiel mit der Zeitumkehr bewies, dass jedes Friedmann-expandierende Universum aus einer Singularität entstehen muss. Aus rein technischen Gründen verlangte das Theorem von Penrose, dass das Universum unendlich im Raum ist. Damit könnte ich beweisen, dass Singularitäten nur in einem Fall auftreten: wenn die hohe Expansionsrate die umgekehrte Kontraktion des Universums ausschließt, weil nur das Friedmann-Modell im Raum unendlich ist.

In den nächsten Jahren entwickelte ich neue mathematische Tricks, die diese und andere technische Bedingungen aus den Theoremen, die die Existenz von Singularitäten beweisen, entfernen würden. Das Ergebnis war ein gemeinsames Papier, das 1970 von Penrose und mir veröffentlicht wurde und argumentierte, dass die Urknall-Singularität hätte existieren müssen, vorausgesetzt, dass die allgemeine Relativitätstheorie gültig war und die Menge an Materie im Universum mit dem übereinstimmte, was wir beobachten.

Es folgten Einwände, teilweise von sowjetischen Wissenschaftlern, die an der von Lifschitz und Khalatnikov proklamierten "Parteilinie" festhielten, und teilweise von denen, die die Idee der Singularität verabscheuten, die die Schönheit von Einsteins Theorie beleidigt. Es ist jedoch schwierig, mit einem mathematischen Theorem zu argumentieren. Daher wird heute allgemein anerkannt, dass das Universum einen Anfang gehabt haben muss.

Die Sterne sind so weit von uns entfernt, dass sie nur noch winzige Lichtpunkte zu sein scheinen. Wir können nicht zwischen ihrer Größe oder Form unterscheiden. Wie klassifizieren Wissenschaftler sie? Für die allermeisten Sterne wird nur ein beobachtbarer Parameter zuverlässig bestimmt – ihre Farbe
Strahlung. Newton entdeckte, dass das durch ein Prisma übertragene Sonnenlicht in seine einzelnen Farben (Spektrum) zerfällt, genau wie bei einem Regenbogen. Indem Sie ein Teleskop auf einen bestimmten Stern oder eine Galaxie fokussieren, können Sie das Lichtspektrum dieses Objekts beobachten. Verschiedene Sterne haben unterschiedliche Spektren, aber die relative Helligkeit einzelner Farben im Spektrum entspricht fast immer derjenigen, die man im Leuchten von stark glühenden Objekten findet. Dies ermöglicht es, seine Temperatur aus dem Spektrum des Sterns zu berechnen. Darüber hinaus können Sie im Spektrum eines Sterns das Fehlen bestimmter Farben feststellen, und diese Farben sind für jeden Stern unterschiedlich. Es ist bekannt, dass jedes chemische Element einen bestimmten Farbsatz absorbiert. Wenn wir also Linien identifizieren, die im Emissionsspektrum eines Sterns fehlen, können wir genau bestimmen, welche chemischen Elemente in seiner äußeren Schicht enthalten sind.

Ein solches Verhalten des Universums konnte aufgrund des Newtonschen Gesetzes der universellen Gravitation bereits im 19. Jahrhundert, im 18. Jahrhundert sogar am Ende des 17. Jahrhunderts vorhergesagt werden. Der Glaube an ein stationäres Universum war jedoch so unerschütterlich, dass er bis Anfang des 20. Jahrhunderts Bestand hatte. Einstein selbst blieb 1915, als er die Allgemeine Relativitätstheorie formulierte, von der Stationarität des Universums überzeugt. Da er sich von dieser Idee nicht trennen konnte, änderte er sogar seine Theorie, indem er die sogenannte kosmologische Konstante in die Gleichungen einführte. Dieser Wert kennzeichnet eine gewisse Antigravitationskraft, die im Gegensatz zu allen anderen physikalischen Kräften nicht von einer bestimmten Quelle ausgeht, sondern in das Gefüge der Raumzeit „eingebaut“ ist. Die kosmologische Konstante gab der Raumzeit eine inhärente Tendenz, sich auszudehnen, und dies könnte getan werden, um die gegenseitige Anziehung aller im Universum vorhandenen Materie auszugleichen, dh um der Stationarität des Universums willen. Es scheint, dass in diesen Jahren nur eine Person bereit war, die Allgemeine Relativitätstheorie für bare Münze zu nehmen. Während Einstein und andere Physiker nach einer Möglichkeit suchten, die aus der Allgemeinen Relativitätstheorie hervorgegangene Unstetigkeit des Universums zu umgehen, bot der russische Physiker Alexander Fridman stattdessen seine eigene Erklärung an.

FRIEDMAN'S MODELLE

Die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, die die Entwicklung des Universums beschreiben, sind zu komplex, um im Detail gelöst zu werden.

Also schlug Friedman stattdessen vor, zwei einfache Annahmen zu treffen:

(1) Das Universum sieht in alle Richtungen genau gleich aus;
(2) Diese Bedingung gilt für alle ihre Punkte.

Das zusätzliche Rauschen blieb gleich, unabhängig davon, in welche Richtung die Antenne gedreht wurde, und daher musste die Quelle des Rauschens außerhalb der Atmosphäre liegen. Das Geräusch blieb das ganze Jahr über Tag und Nacht gleich, trotz der Rotation der Erde um ihre Achse und der Rotation um die Sonne. Dies deutete darauf hin, dass sich die Strahlungsquelle außerhalb des Sonnensystems und sogar außerhalb unserer Galaxie befand, sonst würde sich die Signalintensität ändern, da die Antenne entsprechend der Bewegung der Erde in verschiedene Richtungen ausgerichtet war.

Etwa zur gleichen Zeit interessierten sich auch zwei andere amerikanische Physiker aus der Nähe, im selben Bundesstaat New Jersey, der Princeton University, Bob Dick und Jim Peebles, für kosmische Mikrowellenstrahlung. Sie arbeiteten an der Hypothese von George (George) Gamow, der einst ein Schüler von Alexander Fridman war, dass das Universum im frühesten Entwicklungsstadium extrem dicht und heiß war, zu einer "weißen Hitze" erhitzt. Dick und Peebles kamen zu dem Schluss, dass wir sein vergangenes Glühen immer noch beobachten können, da Licht aus den entferntesten Teilen des frühen Universums gerade die Erde erreicht. Durch die Expansion des Universums hat dieses Licht jedoch offenbar eine so große Rotverschiebung erfahren, dass es nun von uns in Form von Mikrowellenstrahlung wahrgenommen werden sollte. Dick und Peebles suchten nach solcher Strahlung, als Penzias und Wilson von ihrer Arbeit hörten und erkannten, dass sie bereits gefunden hatten, wonach sie suchten. Für diese Entdeckung erhielten Penzias und Wilson 1978 den Nobelpreis für Physik, was Dick und Peebles etwas unfair erscheint.

Oberflächlich betrachtet deutet dieser Beweis, dass das Universum in alle Richtungen gleich aussieht, darauf hin, dass die Erde einen besonderen Platz im Universum einnimmt. Sie können sich zum Beispiel vorstellen, dass wir uns im Zentrum des Weltraums befinden, sobald sich alle Galaxien von uns entfernen. Es gibt jedoch eine alternative Erklärung: Das Universum kann in alle Richtungen und von jeder anderen Galaxie aus gleich aussehen. Dies war, wie bereits erwähnt, Friedmans zweite Vermutung.

Ein bemerkenswertes Merkmal des ersten Typs von Friedmanns Modell ist, dass das Universum im Raum nicht unendlich ist, sondern der Raum keine Grenzen hat. Die Schwerkraft ist in diesem Fall so stark, dass der Raum gekrümmt ist und sich wie die Erdoberfläche um sich selbst schließt. Das Reisen auf der Erdoberfläche in eine Richtung stößt nie auf ein unüberwindbares Hindernis und riskiert nicht, vom "Erdrand" zu fallen, sondern kehrt einfach zum Ausgangspunkt zurück. Das ist der Raum in Friedmans erstem Modell, aber statt zwei Dimensionen, die der Erdoberfläche innewohnen, hat er drei. Die vierte Dimension - Zeit - hat eine endliche Ausdehnung, kann aber mit einer Linie mit zwei Kanten oder Grenzen, einem Anfang und einem Ende, verglichen werden. Weiterhin werden wir zeigen, dass die Kombination der Bestimmungen der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Unschärferelation der Quantenmechanik die Endlichkeit von Raum und Zeit zulässt, aber gleichzeitig keine Grenzen kennt. Die Vorstellung eines kosmischen Wanderers, der das Universum umrundet und zum Ausgangspunkt zurückkehrt, ist gut für Fantasy-Geschichten, hat aber keinen praktischen Wert, denn – und das lässt sich belegen – das Universum wird auf die Größe Null schrumpfen, bevor der Reisende in die Welt zurückkehrt Anfang. Um Zeit zu haben, zum Ausgangspunkt zurückzukehren, bevor das Universum aufhört zu existieren, muss sich dieser arme Kerl schneller als das Licht bewegen, was nach den uns bekannten Naturgesetzen leider nicht erlaubt ist.

Welches Friedman-Modell entspricht unserem Universum? Wird die Expansion des Universums aufhören und der Kontraktion weichen, oder wird sie für immer andauern? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir die Expansionsrate des Universums und seine aktuelle durchschnittliche Dichte kennen. Unterschreitet diese Dichte einen bestimmten kritischen Wert, der durch die Expansionsrate bestimmt wird, ist die Gravitationsanziehung zu schwach, um die Streuung von Galaxien zu stoppen. Wenn die Dichte größer als der kritische Wert ist, wird die Schwerkraft früher oder später die Expansion stoppen und die umgekehrte Kontraktion beginnen.

URKNALL

Ein charakteristisches Merkmal aller Lösungen, die sich aus dem Friedman-Modell ergeben, ist, dass demnach in ferner Vergangenheit, vor 10 oder 20 Milliarden Jahren, der Abstand zwischen benachbarten Galaxien im Universum Null hätte betragen sollen. Zu diesem Zeitpunkt, der Urknall genannt wird, waren die Dichte des Universums und die Krümmung der Raumzeit unendlich groß. Dies bedeutet, dass die allgemeine Relativitätstheorie, auf der alle Lösungen des Friedmann-Modells basieren, die Existenz eines speziellen, singulären Punktes im Universum vorhersagt.

Die Theorie eines stationären Universums erforderte eine solche Änderung der allgemeinen Relativitätstheorie, die die ständige Bildung neuer Materie ermöglichte, aber die Geschwindigkeit ihrer Bildung war so gering - etwa ein Elementarteilchen pro Kubikkilometer pro Jahr -, dass die Idee von Bondi, Gold und Hoyle widersprachen den experimentellen Daten nicht. Ihre Theorie war „gut“, das heißt, sie war einfach genug und bot klare Vorhersagen, die experimentell überprüft werden konnten. Eine dieser Vorhersagen war, dass die Anzahl von Galaxien oder ähnlichen Objekten in jedem Raumvolumen gleich sein wird, wo immer und wann immer wir im Universum suchen.

Auf den ersten Blick sagten Penroses Schlussfolgerungen nichts darüber aus, ob es in der Vergangenheit eine Urknall-Singularität gegeben hat. Aber genau zu der Zeit, als Penrose seinen Satz herleitete, suchte ich, damals Doktorand, verzweifelt nach einem mathematischen Problem, das es mir ermöglichen würde um meine Dissertation abzuschließen. Mir wurde klar, dass, wenn wir die Richtung der Zeit im Satz von Penrose umkehren, so dass der Kollaps der Expansion weicht, die Bedingungen des Satzes gleich bleiben, solange das aktuelle Universum im großen Maßstab ungefähr mit dem Friedmann-Modell übereinstimmt. Der Satz von Penrose implizierte, dass der Kollaps eines jeden Sterns in einer Singularität endet, und mein Beispiel mit der Zeitumkehr bewies, dass jedes Friedmann-expandierende Universum aus einer Singularität entstehen muss. Aus rein technischen Gründen verlangte der Satz von Penrose, dass das Universum unendlich im Raum ist. Damit könnte ich beweisen, dass Singularitäten nur in einem Fall auftreten: wenn die hohe Expansionsrate die umgekehrte Kontraktion des Universums ausschließt, weil nur das Friedmann-Modell im Raum unendlich ist.

1920 erhielt Edwin Hubble zwei Dinge, die es ihm ermöglichten, die Art und Weise, wie die Menschen das Universum sahen, zu revolutionieren. Das eine war zu dieser Zeit das größte Teleskop der Welt, das andere war ein interessanter Fund seines Astronomenkollegen Vesto Slipher, der im Nebel - was wir heute Galaxien nennen - sah und von ihrem viel röteren Leuchten fasziniert war als es hätte sein können. Er bezog dies auf Rotverschiebung.

Stellen Sie sich vor, Sie stehen mit einer anderen Person in der Nähe eines langen Seils und ziehen jede Sekunde daran. Zu diesem Zeitpunkt geht eine Welle entlang des Seils und lässt eine andere Person wissen, dass das Seil zuckte. Wenn Sie sich zügig von dieser Person entfernen, müsste die Welle jede Sekunde die Welle überwinden, und aus der Sicht eines anderen beginnt das Seil alle 1,1 Sekunden einmal zu zucken. Je schneller du fährst, desto länger dauert es für die andere Person zwischen den Stößen.

Das gleiche passiert bei Lichtwellen: Je weiter die Lichtquelle vom Betrachter entfernt ist, desto seltener werden die Wellenberge und verschieben sie dadurch in den roten Teil des Lichtspektrums. Slipher kam zu dem Schluss, dass die Nebel rot erscheinen, weil sie sich von der Erde entfernen.

Edwin Hubble

Hubble nahm ein neues Teleskop und suchte nach Rotverschiebung. Er fand es überall, aber einige Sterne schienen gewissermaßen „röter“ zu sein als andere: Manche Sterne und Galaxien verschoben sich nur geringfügig in Richtung Rotverschiebung, aber manchmal war die Rotverschiebung maximal. Hubble hat eine große Datenmenge gesammelt und ein Diagramm erstellt, das zeigt, dass die Rotverschiebung eines Objekts von seiner Entfernung zur Erde abhängt.

So wurde im 20. Jahrhundert bewiesen, dass sich das Universum ausdehnt. Die meisten Wissenschaftler, die sich die Daten ansahen, gingen davon aus, dass sich die Expansion verlangsamte. Einige glaubten, dass sich das Universum allmählich bis zu einer bestimmten Grenze ausdehnen würde, die es jedoch nie erreichen wird, während andere dachten, dass sich das Universum beim Erreichen dieser Grenze zusammenziehen würde. Astronomen haben jedoch einen Weg gefunden, das Problem zu lösen: Dazu brauchten sie die neuesten Teleskope und ein wenig Hilfe aus dem Universum in Form von Supernovae vom Typ 1A.

Da wir wissen, wie sich die Helligkeit mit der Entfernung ändert, wissen wir auch, wie weit diese Supernovae von uns entfernt sind und wie viele Jahre das Licht gereist ist, bevor wir es sehen konnten. Und wenn wir die Rotverschiebung des Lichts betrachten, wissen wir, wie sehr sich das Universum in dieser Zeit ausgedehnt hat.

Als Astronomen ferne und alte Sterne betrachteten, stellten sie fest, dass die Entfernung nicht dem Ausdehnungsgrad entsprach. Licht von den Sternen kommt länger als erwartet auf uns zu, als ob die Expansion in der Vergangenheit langsamer gewesen wäre - so wurde festgestellt, dass die Expansion des Universums beschleunigt und nicht verlangsamt wird.

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Wie alles andere in der Physik strebt unser Universum danach, im niedrigsten Energiezustand zu existieren. Aber 10^-36 Sekunden nach dem Urknall befand sich der Kosmos laut inflationären Kosmologen in der Energie eines falschen Vakuums - der tiefste Punkt, der nicht wirklich der tiefste war. Auf der Suche nach dem wahren Tiefpunkt der Vakuumenergie schwoll das Universum einen Bruchteil einer Sekunde später um den Faktor 1050 an.

Seitdem dehnt sich das Universum weiter aus. Wir sehen Beweise für diese Ausdehnung im Licht entfernter Objekte. Wenn die von einem Stern oder einer Galaxie freigesetzten Photonen durch das Universum reisen, verlieren sie durch die Ausdehnung des Weltraums Energie. Wenn Photonen uns erreichen, sind ihre Wellenlängen entsprechend der zurückgelegten Entfernung rotverschoben.

Kosmologen sprechen daher von einer Rotverschiebung als Funktion der Entfernung in Raum und Zeit. Licht von weit entfernten Objekten wandert so lange, dass wir, wenn wir es endlich sehen, Objekte so sehen, wie sie vor Milliarden von Jahren waren.

Hubble-Lautstärke

Die Rotverschiebung des Lichts ermöglicht es uns, Objekte wie Galaxien so zu sehen, wie sie in der fernen Vergangenheit existierten, aber wir können nicht alle Ereignisse beobachten, die in unserem Universum im Laufe seiner Geschichte stattfanden. Wenn sich unser Raum ausdehnt, ist das Licht einiger Objekte einfach zu weit von uns entfernt, um es wahrzunehmen.

Die Physik dieser Grenze basiert insbesondere auf einem Stück Raumzeit, das uns umgibt, das Hubble-Volumen. Hier auf der Erde bestimmen wir das Volumen von Hubble, indem wir den sogenannten Hubble-Parameter (H0) messen, eine Größe, die die Geschwindigkeit der Rezession entfernter Objekte mit ihrer Rotverschiebung in Beziehung setzt. Es wurde erstmals 1929 von Edwin Hubble berechnet, als er entdeckte, dass sich ferne Galaxien mit einer Geschwindigkeit proportional zur Rotverschiebung ihres Lichts von uns entfernen.

Zwei Quellen der Rotverschiebung: Doppler- und kosmologische Expansion. Unten: Detektoren erfassen das vom Zentralstern emittierte Licht. Dieses Licht wird mit der Ausdehnung des Raumes gedehnt oder verschoben.

Indem wir die Lichtgeschwindigkeit durch H0 teilen, erhalten wir das Hubble-Volumen. Diese kugelförmige Blase umfasst einen Bereich, in dem sich alle Objekte mit einer geringeren Geschwindigkeit als Lichtgeschwindigkeit vom zentralen Beobachter entfernen. Dementsprechend bewegen sich alle Objekte außerhalb des Hubble-Volumens schneller als die Lichtgeschwindigkeit vom Zentrum weg.

Ja, "schneller als die Lichtgeschwindigkeit". Wie ist das möglich?

Die Magie der Relativität

Die Antwort auf diese Frage hat mit dem Unterschied zwischen spezieller Relativitätstheorie und allgemeiner Relativitätstheorie zu tun. Die spezielle Relativitätstheorie erfordert einen sogenannten "Trägheitsbezugsrahmen", oder einfacher einen Hintergrund. Nach dieser Theorie ist die Lichtgeschwindigkeit in allen Inertialsystemen gleich. Wenn ein Beobachter auf einer Bank im Park des Planeten Erde sitzt oder mit schwindelerregender Geschwindigkeit von Neptun abhebt, wird die Lichtgeschwindigkeit für ihn immer gleich sein. Das Photon entfernt sich immer mit einer Geschwindigkeit von 300.000.000 Metern pro Sekunde vom Beobachter.

Es beschreibt jedoch das Gefüge der Raumzeit selbst. In dieser Theorie gibt es keine Trägheitsbezugssysteme. Der Raum dehnt sich relativ zu etwas außerhalb davon nicht aus, daher funktioniert die Geschwindigkeitsbegrenzung des Lichts relativ zum Beobachter nicht. Ja, Galaxien außerhalb der Hubble-Sphäre entfernen sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit von uns. Aber Galaxien allein überschreiten nicht die kosmischen Grenzen. Für einen Beobachter in einer dieser Galaxien verstößt nichts gegen die spezielle Relativitätstheorie. Dieser Raum zwischen uns und diesen Galaxien beschleunigt und dehnt sich exponentiell aus.

Beobachtbares Universum

Vielleicht überrascht Sie folgendes ein wenig: Hubble-Volumen ist nicht dasselbe wie das beobachtbare Universum.

Um dies zu verstehen, bedenken Sie, dass es mit zunehmendem Alter des Universums länger dauert, bis weit entferntes Licht unsere Detektoren hier auf der Erde erreicht. Wir können Objekte sehen, die über unser aktuelles Hubble-Volumen hinaus beschleunigt wurden, weil das Licht, das wir heute sehen, von ihnen freigesetzt wurde, während sie sich in der Kugel befanden.

Genau genommen fällt unser beobachtbares Universum mit dem sogenannten Teilchenhorizont zusammen. Der Teilchenhorizont markiert die Entfernung zum weitesten Licht, das wir zu diesem Zeitpunkt beobachten können – die Photonen hatten genug Zeit, um entweder in der sich langsam ausdehnenden Hubble-Kugel zu bleiben oder sie einzuholen.

Beobachtbares Universum. Technisch als Teilchenhorizont bekannt

Was ist mit der Entfernung? Mit etwas mehr als 46 Milliarden Lichtjahren in jede Richtung hat unser beobachtbares Universum einen Durchmesser von ungefähr 93 Milliarden Lichtjahren oder über 500 Milliarden Billionen Kilometer.

(Eine kurze Randnotiz: Der Teilchenhorizont ist nicht gleich dem kosmologischen Ereignishorizont. Der Teilchenhorizont umfasst alle Ereignisse der Vergangenheit, die wir in der Gegenwart sehen können. Der kosmologische Ereignishorizont hingegen bestimmt die Entfernung bei die ein zukünftiger Beobachter zu dieser Zeit das uralte Licht sehen kann, das heute aus unserem kleinen Winkel der Raumzeit emittiert wird.

Mit anderen Worten, der Teilchenhorizont befasst sich mit der Entfernung zu Objekten in der Vergangenheit, deren uraltes Licht wir heute beobachten können; und der kosmologische Ereignishorizont befasst sich mit der Entfernung, die unser heutiges Licht zurücklegen kann, wenn sich die Weiten des Universums von uns weg beschleunigen.)

Dunkle Energie

Dank der Expansion des Universums gibt es Weltraumregionen, die wir nie sehen werden, auch wenn wir unendlich lange warten, bis ihr Licht uns erreicht. Aber was ist mit den Zonen, die gerade außerhalb unseres heutigen Hubble-Volumens liegen? Wenn sich auch dieses Gebiet ausdehnt, werden wir dann diese Grenzanlagen sehen können?

Es hängt davon ab, welche Region sich schneller ausdehnt - das Volumen des Hubble oder der Teil des Universums in unmittelbarer Nähe von außen. Und die Antwort auf diese Frage hängt von zwei Dingen ab: 1) H0 nimmt zu oder ab; 2) Das Universum beschleunigt oder verlangsamt sich. Diese beiden Tempi sind eng verwandt, aber nicht gleich.

Tatsächlich glauben Kosmologen, dass wir in einer Zeit leben, in der H0 abnimmt; aber wegen der dunklen Energie nimmt die Expansionsrate des Universums zu.

Es mag widersinnig erscheinen, aber solange H0 langsamer abnimmt als die Expansionsrate des Universums wächst, beschleunigt sich die Gesamtbewegung der Galaxien von uns weg. Und zu diesem Zeitpunkt wird die Expansion des Universums laut Kosmologen das bescheidenere Wachstum des Hubble-Volumens übertreffen.

Daher setzt der Einfluss dunkler Energie dem Wachstum des beobachtbaren Universums, selbst wenn sich das Hubble-Volumen ausdehnt, eine harte Grenze.

Kosmologen zerbrechen sich den Kopf über tiefe Fragen, wie zum Beispiel, wie das beobachtbare Universum eines Tages aussehen wird und wie sich die Ausdehnung des Kosmos verändern wird. Über Antworten auf Zukunftsfragen können Wissenschaftler aber letztlich nur spekulieren, basierend auf dem heutigen Verständnis des Universums. Der kosmologische Zeitrahmen ist so unvorstellbar lang, dass es unmöglich ist, etwas Konkretes über das zukünftige Verhalten des Universums zu sagen. Aktuelle Modelle passen überraschend gut zu aktuellen Daten, aber die Wahrheit ist, dass keiner von uns lange genug leben wird, um zu sehen, ob die Vorhersagen wahr werden.

Selbst Astronomen verstehen die Ausdehnung des Universums nicht immer richtig. Ein ballonierender Ballon ist eine alte, aber gute Analogie für die Expansion des Universums. Die auf der Kugeloberfläche befindlichen Galaxien sind stationär, aber wenn sich das Universum ausdehnt, nimmt der Abstand zwischen ihnen zu und die Größe der Galaxien selbst nimmt nicht zu.

Im Juli 1965 gaben Wissenschaftler die Entdeckung klarer Anzeichen dafür bekannt, dass sich das Universum aus einem heißeren, dichteren Anfangszustand heraus ausdehnt. Sie fanden ein kühlendes Nachglühen Urknall- Reliktstrahlung. Von diesem Moment an bildete die Expansion und Abkühlung des Universums die Grundlage der Kosmologie. Die kosmologische Expansion ermöglicht es uns zu verstehen, wie einfache Strukturen gebildet wurden und wie sie sich allmählich zu komplexen entwickelten. 75 Jahre nach der Entdeckung der Ausdehnung des Universums können viele Wissenschaftler nicht in seine wahre Bedeutung eindringen. James Peebles, ein Kosmologe an der Princeton University, der die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung untersucht, schrieb 1993: "Es scheint mir, dass selbst Experten nicht wissen, was die Bedeutung und die Möglichkeiten des heißen Urknallmodells sind."

Berühmte Physiker, Autoren von Lehrbüchern über Astronomie und Popularisierer der Wissenschaft geben manchmal eine falsche oder verzerrte Interpretation der Expansion des Universums, die die Grundlage des Urknallmodells bildete. Was meinen wir, wenn wir sagen, dass sich das Universum ausdehnt? Zweifellos ist es verwirrend, dass jetzt von einer beschleunigten Expansion gesprochen wird, und das verwirrt uns.

ÜBERBLICK: EINE KOSMISCHE MISUALITÄT

* Die Expansion des Universums – eines der Grundkonzepte der modernen Wissenschaft – wird noch immer unterschiedlich interpretiert.

* Der Begriff „Urknall“ ist nicht wörtlich zu nehmen. Er war keine Bombe, die im Zentrum des Universums explodierte. Es war eine Explosion des Weltraums selbst, die überall stattfand, ähnlich der Ausdehnung der Oberfläche eines aufgeblasenen Ballons.

* Das Verständnis des Unterschieds zwischen der Ausdehnung des Weltraums und der Ausdehnung im Weltraum ist entscheidend, um die Größe des Universums, die Geschwindigkeit, mit der sich Galaxien zurückziehen, sowie die Möglichkeiten astronomischer Beobachtungen und die Art der Beschleunigung von zu verstehen Expansion, die das Universum wahrscheinlich erfahren wird.

* Das Urknallmodell beschreibt nur, was danach geschah.

Was ist eine Erweiterung?

Wenn sich etwas Vertrautes ausdehnt, zum Beispiel ein nasser Fleck oder das Römische Reich, dann werden sie größer, ihre Grenzen verschieben sich und sie beginnen, ein größeres Volumen im Raum einzunehmen. Aber das Universum scheint keine physikalischen Grenzen zu haben und kann sich nirgendwo bewegen. Die Expansion unseres Universums ist dem Aufblasen eines Ballons sehr ähnlich. Die Entfernungen zu fernen Galaxien nehmen zu. Astronomen sagen normalerweise, dass sich Galaxien von uns entfernen oder von uns fliehen, sich aber nicht im Weltraum bewegen, wie die Fragmente der "Urknallbombe". In Wirklichkeit dehnt sich der Raum zwischen uns und Galaxien aus, der sich chaotisch innerhalb praktisch stationärer Haufen bewegt. Die Reliktstrahlung füllt das Universum und dient als Bezugsrahmen, ähnlich der Gummioberfläche eines Ballons, an dem die Bewegung gemessen werden kann.

Außerhalb der Kugel sehen wir, dass die Ausdehnung ihrer gekrümmten zweidimensionalen Oberfläche nur möglich ist, weil sie sich im dreidimensionalen Raum befindet. In der dritten Dimension befindet sich das Zentrum der Kugel, und ihre Oberfläche dehnt sich in das sie umgebende Volumen aus. Daraus könnte man schließen, dass die Erweiterung unserer dreidimensionalen Welt das Vorhandensein einer vierten Dimension im Raum erfordert. Aber nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist der Raum dynamisch: Er kann sich ausdehnen, zusammenziehen und biegen.

Stau

Das Universum ist autark. Weder das Zentrum ist erforderlich, um sich von ihm aus zu erweitern, noch ist ein Freiraum im Freien (wo immer er ist) erforderlich, um sich dort auszudehnen. Es stimmt, einige neuere Theorien, wie die Stringtheorie, postulieren zusätzliche Dimensionen, aber sie werden nicht benötigt, wenn sich unser dreidimensionales Universum ausdehnt.

In unserem Universum sowie auf der Oberfläche eines Ballons entfernt sich jedes Objekt von allen anderen. Somit war der Urknall keine Explosion im Weltraum, sondern eine Explosion des Weltraums selbst, die nicht an einem bestimmten Ort stattfand und sich dann nicht in die umgebende Leere ausdehnte. Es geschah überall gleichzeitig.

WIE WAR EINE GROSSE EXPLOSION?

FALSCH: Das Universum wurde geboren, als eine Substanz wie eine Bombe an einem bestimmten Ort explodierte. Der Druck war im Zentrum hoch und im umgebenden Hohlraum niedrig, wodurch die Substanz zerstreut wurde.

RECHTS: Es war die Explosion des Weltraums selbst, die die Substanz in Bewegung setzte. Unser Raum und unsere Zeit entstanden im Urknall und begannen sich auszudehnen. Es gab nirgendwo ein Zentrum. die Bedingungen waren überall gleich, es gab keinen für eine gewöhnliche Explosion charakteristischen Druckabfall.

Wenn wir uns vorstellen, dass wir den Filmstreifen in umgekehrter Reihenfolge scrollen, sehen wir, wie sich alle Bereiche des Universums zusammenziehen und die Galaxien näher kommen, bis sie alle im Urknall zusammenstoßen, wie Autos im Stau. Aber der Vergleich ist hier nicht vollständig. Wenn es sich um einen Vorfall handelte, können Sie den Stau möglicherweise durch Hören der Radiomeldungen umgehen. Aber der Urknall war eine unvermeidliche Katastrophe. Es ist, als ob die Erdoberfläche und alle Straßen darauf zerknittert wären, aber die Autos würden gleich groß bleiben. Am Ende wären die Autos kollidiert, und kein Funkspruch hätte geholfen, dies zu verhindern. Ebenso der Urknall: Er ereignete sich überall, im Gegensatz zur Explosion einer Bombe, die an einem bestimmten Punkt stattfindet, und die Bruchstücke zerstreuen sich in alle Richtungen.

Die Urknalltheorie gibt uns keine Informationen über die Größe des Universums oder sogar darüber, ob es endlich oder unendlich ist. Relativität beschreibt, wie sich jede Raumregion ausdehnt, sagt jedoch nichts über Größe oder Form aus. Manchmal behaupten Kosmologen, dass das Universum einst nicht größer als eine Grapefruit war, aber sie meinen nur den Teil davon, den wir heute beobachten können.

Die Bewohner des Andromeda-Nebels oder anderer Galaxien haben ihre eigenen beobachtbaren Universen. Beobachter in Andromeda können Galaxien sehen, die für uns nicht zugänglich sind, einfach weil sie ihnen etwas näher sind; aber sie können nicht die betrachten, die wir in Betracht ziehen. Ihr beobachtbares Universum hatte auch ungefähr die Größe einer Grapefruit. Man kann sich vorstellen, dass das frühe Universum wie ein Bündel dieser Früchte war, das sich unendlich in alle Richtungen ausdehnte. Das bedeutet, dass die Vorstellung, dass der Urknall "klein" war, falsch ist. Der Raum des Universums ist grenzenlos. Und egal wie Sie es drücken, es wird so bleiben.

Schneller als das Licht

Missverständnisse sind auch mit einer quantitativen Beschreibung der Erweiterung verbunden. Die Geschwindigkeit, mit der die Abstände zwischen Galaxien zunehmen, folgt einem einfachen Muster, das der amerikanische Astronom Edwin Hubble 1929 entdeckte: Die Entfernung v der Galaxie ist direkt proportional zu ihrer Entfernung von uns d oder v = Hd. Der Proportionalitätskoeffizient H wird Hubble-Konstante genannt und bestimmt die Expansionsgeschwindigkeit des Raums sowohl um uns herum als auch um jeden Beobachter im Universum.

Es ist für einige verwirrend, dass nicht alle Galaxien dem Hubble-Gesetz gehorchen. Am nächsten bei uns große Galaxie(Andromeda) bewegt sich im Allgemeinen auf uns zu, nicht von uns weg. Es gibt solche Ausnahmen, da das Hubble-Gesetz nur das durchschnittliche Verhalten von Galaxien beschreibt. Aber jeder von ihnen kann eine kleine eigene Bewegung haben, da sich Galaxien gegenseitig gravitativ beeinflussen, wie zum Beispiel unsere Galaxie und Andromeda. Auch entfernte Galaxien haben kleine chaotische Geschwindigkeiten, aber in großer Entfernung von uns (mit einem großen Wert von d) sind diese Zufallsgeschwindigkeiten vor dem Hintergrund hoher Rezessionsgeschwindigkeiten (v) vernachlässigbar. Daher wird das Hubble-Gesetz für ferne Galaxien mit hoher Genauigkeit erfüllt.

Nach dem Hubble-Gesetz dehnt sich das Universum nicht mit konstanter Geschwindigkeit aus. Manche Galaxien entfernen sich mit einer Geschwindigkeit von 1.000 km/s von uns, andere, die doppelt so weit entfernt sind, mit einer Geschwindigkeit von 2.000 km/s usw. Das Hubble-Gesetz besagt also, dass sich Galaxien ab einer bestimmten Entfernung, der sogenannten Hubble-Distanz, mit Überlichtgeschwindigkeit wegbewegen. Für den gemessenen Wert der Hubble-Konstanten beträgt diese Entfernung etwa 14 Milliarden Lichtjahre.

Aber behauptet Einsteins spezielle Relativitätstheorie nicht, dass kein Objekt eine höhere Geschwindigkeit als die Lichtgeschwindigkeit haben kann? Diese Frage beschäftigt Generationen von Studenten. Und die Antwort ist, dass die spezielle Relativitätstheorie nur auf "normale" Geschwindigkeiten anwendbar ist - auf Bewegungen im Raum. In Hubbles Gesetz es kommtüber die Geschwindigkeit der Entfernung, die durch die Ausdehnung des Weltraums selbst verursacht wird, und nicht die Bewegung im Weltraum. Dieser Effekt der Allgemeinen Relativitätstheorie unterliegt nicht der Speziellen Relativitätstheorie. Das Vorhandensein einer Rezessionsgeschwindigkeit, die höher als die Lichtgeschwindigkeit ist, verletzt in keiner Weise die spezielle Relativitätstheorie. Es ist immer noch wahr, dass niemand einen Lichtstrahl einholen kann.

KÖNNEN GALAXIEN MIT HÖHERER GESCHWINDIGKEIT ALS LICHTGESCHWINDIGKEIT ENTFERNT WERDEN?

FALSCH Einsteins Relativitätstheorie verbietet dies. Betrachten Sie eine Raumregion, die mehrere Galaxien enthält. Aufgrund ihrer Ausdehnung entfernen sich Galaxien von uns. Je weiter die Galaxie entfernt ist, desto höher ist ihre Geschwindigkeit (rote Pfeile). Wenn die Lichtgeschwindigkeit die Grenze ist, sollte die Entfernungsrate schließlich konstant werden.

RECHTS: Natürlich können sie. Die spezielle Relativitätstheorie berücksichtigt die Entfernungsrate nicht. Die Abtragsleistung nimmt mit der Entfernung unendlich zu. Weiter als eine bestimmte Entfernung, die Hubble-Distanz genannt wird, überschreitet sie die Lichtgeschwindigkeit. Dies ist kein Verstoß gegen die Relativitätstheorie, da die Entfernung nicht durch Bewegung im Raum, sondern durch die Ausdehnung des Raumes selbst verursacht wird.

IST ES MÖGLICH ZU SEHEN, DASS GALAXIEN SCHNELLER ENTFERNEN ALS DAS LICHT?

FALSCH: Natürlich nicht. Licht von solchen Galaxien fliegt mit ihnen davon. Die Galaxie befinde sich außerhalb der Hubble-Distanz (Sphäre), d.h. bewegt sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit von uns weg. Es emittiert ein Photon (gelb markiert). Solange das Photon durch den Raum fliegt, dehnt sich der Raum selbst aus. Der Abstand zur Erde nimmt schneller zu, als sich das Photon bewegt. Er wird uns nie erreichen.

RECHTS: Natürlich können Sie das, da sich die Expansionsrate im Laufe der Zeit ändert. Erstens wird das Photon durch die Expansion tatsächlich weggeblasen. Die Hubble-Distanz ist jedoch nicht konstant: Sie nimmt zu und schließlich kann das Photon die Hubble-Kugel treffen. Sobald dies geschieht, wird sich das Photon schneller bewegen, als sich die Erde entfernt, und es wird uns erreichen können.

Dehnen von Photonen

Die ersten Beobachtungen, die zeigen, dass sich das Universum ausdehnt, wurden zwischen 1910 und 1930 gemacht. Im Labor emittieren und absorbieren Atome immer Licht bei bestimmten Wellenlängen. Das gleiche wird in den Spektren entfernter Galaxien beobachtet, jedoch mit einer Verschiebung zu längeren Wellenlängen. Astronomen sagen, dass die Strahlung der Galaxie rotverschoben ist. Die Erklärung ist einfach: Wenn sich der Raum ausdehnt, dehnt sich die Lichtwelle aus und wird daher schwächer. Wenn sich das Universum in der Zeit, bis die Lichtwelle uns erreichte, zweimal ausdehnte, dann verdoppelte sich auch die Wellenlänge und seine Energie wurde um die Hälfte geschwächt.

DIE HYPOTHESE DER MÜDIGKEIT

Jedes Mal, wenn Scientific American einen Artikel über Kosmologie veröffentlicht, schreiben uns viele Leser, dass sich ihrer Meinung nach Galaxien nicht wirklich von uns entfernen und dass die Ausdehnung des Weltraums eine Illusion ist. Sie glauben, dass die Rotverschiebung in den Spektren von Galaxien durch so etwas wie "Ermüdung" von einer langen Reise verursacht wird. Ein unbekannter Prozess zwingt das Licht, das sich im Raum ausbreitet, Energie zu verlieren und daher rot zu werden.

Diese Hypothese ist mehr als ein halbes Jahrhundert alt und auf den ersten Blick plausibel. Aber es stimmt überhaupt nicht mit Beobachtungen überein. Wenn beispielsweise ein Stern wie eine Supernova explodiert, flackert er auf und verdunkelt sich dann. Der gesamte Prozess dauert bei Supernovae, wie sie Astronomen verwenden, um Entfernungen zu Galaxien zu bestimmen, etwa zwei Wochen. Während dieser Zeit sendet die Supernova einen Strom von Photonen aus. Die Lichtermüdungs-Hypothese besagt, dass die Photonen im Laufe ihrer Reise Energie verlieren, der Beobachter aber dennoch einen Photonenfluss von zwei Wochen erhält.

Im expandierenden Raum werden jedoch nicht nur die Photonen selbst gestreckt (und verlieren daher Energie), sondern auch ihr Fluss wird gestreckt. Daher dauert es mehr als zwei Wochen, bis alle Photonen die Erde erreichen. Beobachtungen bestätigen diesen Effekt. Ein Supernova-Ausbruch in einer Galaxie mit einer Rotverschiebung von 0,5 wird drei Wochen lang beobachtet, und in einer Galaxie mit einer Rotverschiebung von 1 - pro Monat.

Die Hypothese der Lichtermüdung widerspricht auch Beobachtungen des CMB-Spektrums und Messungen der Oberflächenhelligkeit entfernter Galaxien. Es ist Zeit, das "müde Licht" (Charles Lineviver und Tamara Davis) zur Ruhe zu bringen.

Supernovae wie diese im Virgo-Galaxienhaufen helfen, die kosmische Expansion zu messen. Ihre beobachtbaren Eigenschaften schließen alternative kosmologische Theorien aus, in denen sich der Raum nicht ausdehnt.

Der Prozess kann in Bezug auf die Temperatur beschrieben werden. Die von einem Körper emittierten Photonen haben eine Energieverteilung, die im Allgemeinen durch die Temperatur gekennzeichnet ist, die angibt, wie heiß der Körper ist. Wenn sich Photonen im sich ausdehnenden Raum bewegen, verlieren sie Energie und ihre Temperatur sinkt. So kühlt sich das Universum ab, wenn es sich ausdehnt, wie Druckluft, die aus der Flasche eines Tauchers entweicht. Zum Beispiel hat Reliktstrahlung jetzt eine Temperatur von etwa 3 K, während sie bei einer Temperatur von etwa 3000 K geboren wurde. Aber seitdem hat das Universum um das 1000-fache an Größe zugenommen, und die Temperatur der Photonen ist um das gleiche Anzahl. Bei der Beobachtung von Gas in fernen Galaxien messen Astronomen direkt die Temperatur dieser Strahlung in der fernen Vergangenheit. Messungen bestätigen, dass sich das Universum mit der Zeit abkühlt.

Auch im Zusammenhang zwischen Rotverschiebung und Geschwindigkeit gibt es einige Kontroversen. Die Expansions-Rotverschiebung wird oft mit der bekannteren Doppler-Rotverschiebung verwechselt, die Schallwellen typischerweise länger macht, wenn die Schallquelle weiter entfernt ist. Gleiches gilt für Lichtwellen, die mit zunehmender Entfernung der Lichtquelle im Raum länger werden.

Doppler-Rotverschiebung und kosmologische Rotverschiebung sind völlig unterschiedliche Dinge und werden durch unterschiedliche Formeln beschrieben. Der erste folgt aus der speziellen Relativitätstheorie, die die Ausdehnung des Raumes nicht berücksichtigt, und der zweite folgt aus der allgemeinen Relativitätstheorie. Diese beiden Formeln sind für nahe Galaxien fast gleich, aber für entfernte unterschiedlich.

Nähert sich die Geschwindigkeit eines Objekts im Raum der Lichtgeschwindigkeit, so geht nach der Doppler-Formel seine Rotverschiebung ins Unendliche, und die Wellenlänge wird zu groß und damit für die Beobachtung unzugänglich. Wäre dies für Galaxien der Fall, würden sich die am weitesten entfernten sichtbaren Objekte am Himmel mit einer deutlich geringeren Geschwindigkeit als Lichtgeschwindigkeit entfernen. Aber die kosmologische Formel für die Rotverschiebung führt zu einem anderen Schluss. Im kosmologischen Standardmodell werden Galaxien mit einer Rotverschiebung von etwa 1,5 (d. h. ihre empfangene Strahlungswellenlänge ist 50% größer als der Laborwert) mit Lichtgeschwindigkeit entfernt. Astronomen haben bereits etwa 1.000 Galaxien mit Rotverschiebungen von mehr als 1,5 entdeckt. Dies bedeutet, dass wir etwa 1000 Objekte kennen, die sich schneller als Lichtgeschwindigkeit entfernen. Die Reliktstrahlung kommt aus noch größerer Entfernung und hat eine Rotverschiebung von etwa 1000. Als das heiße Plasma des jungen Universums die Strahlung aussendete, die wir heute empfangen, entfernte es sich fast 50-mal schneller als die Lichtgeschwindigkeit von uns.

An Ort und Stelle laufen

Es ist schwer zu glauben, dass wir Galaxien sehen können, die sich schneller als Lichtgeschwindigkeit bewegen, aber dies ist aufgrund der Änderung der Expansionsrate möglich. Stellen Sie sich einen Lichtstrahl vor, der aus einer größeren Entfernung als der Hubble-Distanz (14 Milliarden Lichtjahre) auf uns zukommt. Es bewegt sich relativ zu seinem Standort mit Lichtgeschwindigkeit auf uns zu, aber es selbst bewegt sich schneller als Lichtgeschwindigkeit von uns weg. Obwohl das Licht so schnell wie möglich auf uns zurast, kann es mit der Ausdehnung des Weltraums nicht mithalten. Es sieht aus wie ein Kind, das versucht zu treffen Rückseite entlang der Rolltreppe. Die Photonen in der Hubble-Distanz bewegen sich mit maximaler Geschwindigkeit, um an derselben Stelle zu bleiben.

Sie könnten denken, dass Licht aus Gebieten, die weiter als die Hubble-Entfernung entfernt sind, uns niemals erreichen kann und wir es nie sehen werden. Aber die Hubble-Distanz bleibt nicht konstant, da sich die Hubble-Konstante, von der sie abhängt, mit der Zeit ändert. Dieser Wert ist proportional zur Rezessionsgeschwindigkeit zweier Galaxien geteilt durch den Abstand zwischen ihnen. (Sie können zwei beliebige Galaxien für die Berechnung verwenden.) In Modellen des Universums, die mit astronomischen Beobachtungen übereinstimmen, steigt der Nenner schneller als der Zähler, sodass die Hubble-Konstante abnimmt. Folglich wächst die Hubble-Distanz. Wenn dies der Fall ist, kann Licht, das uns ursprünglich nicht erreichte, schließlich innerhalb der Hubble-Distanz landen. Dann befinden sich die Photonen in einem Bereich, der langsamer als die Lichtgeschwindigkeit zurückweicht, und können uns dann erreichen.

IST SPACE RED SHIFT WIRKLICH DOPPLER SHIFT?

FALSCH: Ja, weil sich zurückziehende Galaxien im Weltraum bewegen. Im Doppler-Effekt Lichtwellen dehnen (röter werden), wenn sich ihre Quelle vom Betrachter entfernt. Die Wellenlänge des Lichts ändert sich auf seiner Reise durch den Weltraum nicht. Der Beobachter nimmt das Licht, misst seine Rotverschiebung und berechnet die Geschwindigkeit der Galaxie.

RECHTS: Nein, die Rotverschiebung hat nichts mit dem Dopplereffekt zu tun. Die Galaxie ist im Weltraum fast stationär, strahlt also Licht der gleichen Wellenlänge in alle Richtungen aus. Im Laufe der Reise wird die Wellenlänge mit zunehmendem Raum länger. Daher wird das Licht allmählich rot. Der Beobachter nimmt das Licht, misst seine Rotverschiebung und berechnet die Geschwindigkeit der Galaxie. Die kosmische Rotverschiebung unterscheidet sich von der Dopplerverschiebung, was durch Beobachtungen bestätigt wird.

Die Galaxie, die das Licht gesendet hat, kann sich jedoch weiterhin mit Überlichtgeschwindigkeit entfernen. So können wir Licht von Galaxien beobachten, die sich nach wie vor immer schneller als Lichtgeschwindigkeit entfernen. Kurz gesagt, die Hubble-Distanz ist nicht festgelegt und zeigt uns nicht die Grenzen des beobachtbaren Universums an.

Und was markiert eigentlich die Grenze des beobachteten Raums? Auch hier gibt es einige Verwirrung. Würde sich der Weltraum nicht ausdehnen, dann könnten wir das am weitesten entfernte Objekt jetzt in einer Entfernung von etwa 14 Milliarden Lichtjahren von uns beobachten, d.h. auf der Strecke, die das Licht in den 14 Milliarden Jahren seit dem Urknall zurückgelegt hat. Aber während sich das Universum ausdehnt, hat sich der vom Photon durchquerte Raum während seiner Reise ausgedehnt. Daher ist die aktuelle Entfernung zum am weitesten entfernten der beobachteten Objekte etwa dreimal größer - etwa 46 Milliarden Lichtjahre.

In der Vergangenheit dachten Kosmologen, wir leben in einem sich verlangsamenden Universum und könnten daher immer mehr Galaxien beobachten. Im sich beschleunigenden Universum sind wir jedoch durch eine Grenze eingezäunt, außerhalb derer wir die Ereignisse nie sehen werden - dies ist der kosmische Horizont der Ereignisse. Wenn uns Licht von Galaxien erreicht, die sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit entfernen, wird die Hubble-Distanz größer. Aber in einem sich beschleunigenden Universum ist seine Zunahme verboten. Ein entferntes Ereignis kann einen Lichtstrahl in unsere Richtung senden, aber dieses Licht wird aufgrund der beschleunigten Expansion für immer außerhalb der Hubble-Distanz bleiben.

Wie Sie sehen, ähnelt das sich beschleunigende Universum einem schwarzen Loch, das auch einen Ereignishorizont hat, von dem wir keine Signale von außen empfangen. Die aktuelle Entfernung zu unserem kosmischen Ereignishorizont (16 Milliarden Lichtjahre) liegt vollständig in unserem beobachtbaren Bereich. Das Licht von Galaxien, die sich jetzt jenseits des kosmischen Ereignishorizonts befinden, kann uns nie erreichen, weil die Entfernung, die jetzt 16 Milliarden Lichtjahre beträgt, wird sich zu schnell ausdehnen. Wir werden die Ereignisse in den Galaxien sehen können, bevor sie den Horizont überschritten haben, aber wir werden nie etwas über die nachfolgenden Ereignisse erfahren.

Dehnt sich alles im Universum aus?

Die Leute denken oft, dass, wenn sich ein Raum ausdehnt, sich auch alles darin ausdehnt. Aber das ist nicht wahr. Die Ausdehnung als solche (d. h. durch Trägheit, ohne Beschleunigung oder Verzögerung) erzeugt keine Kraft. Die Wellenlänge eines Photons nimmt mit dem Wachstum des Universums zu, da Photonen im Gegensatz zu Atomen und Planeten keine gebundenen Objekte sind, deren Größe durch das Kräftegleichgewicht bestimmt wird. Die sich ändernde Expansionsrate bringt zwar eine neue Kraft ins Gleichgewicht, aber sie kann Objekte nicht zwingen, sich auszudehnen oder zusammenzuziehen.

Wenn beispielsweise die Schwerkraft stärker würde, würde sich Ihr Rückenmark zusammenziehen, bis die Elektronen in Ihrer Wirbelsäule eine neue Gleichgewichtsposition erreichten, etwas näher beieinander. Ihre Körpergröße würde leicht abnehmen, aber die Kontraktion würde dort aufhören. Auf die gleiche Weise würde sich die Expansion verlangsamen, wenn wir in einem Universum mit einer Dominanz der Gravitationskräfte lebten, wie die meisten Kosmologen vor einigen Jahren glaubten, und alle Körper würden einer schwachen Kompression unterliegen, die sie zwingt, ein kleineres Gleichgewicht zu erreichen Größe. Aber wenn sie es erreichten, würden sie nicht mehr schrumpfen.

WIE GROSS IST DAS BEOBACHTE UNIVERSUM?

FALSCH: Das Universum ist 14 Milliarden Jahre alt, daher muss der beobachtbare Teil einen Radius von 14 Milliarden Lichtjahren haben. Betrachten Sie die am weitesten entfernte der beobachteten Galaxien – diejenige, deren Photonen, die unmittelbar nach dem Urknall emittiert wurden, erst jetzt erreicht haben uns. Ein Lichtjahr ist die Strecke, die ein Photon in einem Jahr zurücklegt. Das bedeutet, dass das Photon 14 Milliarden Lichtjahre zurückgelegt hat.

RECHTS: Wenn sich der Weltraum ausdehnt, hat das beobachtete Gebiet einen Radius von mehr als 14 Milliarden Lichtjahren. Während sich das Photon fortbewegt, dehnt sich der Raum aus, den es durchquert. Bis es uns erreicht, wird die Entfernung zu der Galaxie, die es ausgesandt hat, mehr als nur aus der Flugzeit berechnet - etwa dreimal mehr

Tatsächlich beschleunigt sich die Expansion, was durch eine schwache Kraft verursacht wird, die alle Körper "aufbläst". Daher sind gebundene Objekte etwas größer als in einem sich nicht beschleunigenden Universum, da das Kräftegleichgewicht mit ihnen etwas größer ist. Auf der Erdoberfläche beträgt die nach außen gerichtete Beschleunigung vom Zentrum des Planeten einen winzigen Bruchteil ($ 10 ^ (- 30) $) der normalen Gravitationsbeschleunigung zum Zentrum. Wenn diese Beschleunigung konstant ist, wird sich die Erde nicht ausdehnen. Es ist nur so, dass der Planet eine etwas größere Größe annimmt, als er ohne die abstoßende Kraft wäre.

Aber alles wird sich ändern, wenn die Beschleunigung nicht konstant ist, wie einige Kosmologen glauben. Steigt die Abstoßung, dann kann dies schließlich zur Zerstörung aller Strukturen führen und zum „Big Break“ führen, der nicht durch Expansion oder Beschleunigung als solche erfolgen würde, sondern weil die Beschleunigung beschleunigt würde.

BEWEGEN AUCH DIE OBJEKTE IM UNIVERSUM?

FALSCH: Jawohl. Expansion bewirkt, dass sich das Universum und alles darin ausdehnt. Betrachten Sie einen Galaxienhaufen als Objekt. Wenn das Universum größer wird, wächst auch der Cluster. Der Rand des Clusters (gelbe Linie) erweitert sich.

RECHTS: Nein. Das Universum dehnt sich aus, aber die zugehörigen Objekte darin nicht. Benachbarte Galaxien entfernen sich zunächst, aber letztendlich überwältigt ihre gegenseitige Anziehung die Expansion. Es entsteht ein Cluster dieser Größe, der seinem Gleichgewichtszustand entspricht.

Da neue präzise Messungen Kosmologen dabei helfen, Expansion und Beschleunigung besser zu verstehen, stellen sie möglicherweise noch grundlegendere Fragen zu den frühesten Momenten und den größten Skalen des Universums. Was hat die Erweiterung verursacht? Viele Kosmologen glauben, dass dies der Schuldige hinter einem Prozess ist, der als "Inflation" (Aufblähen) bezeichnet wird, einer besonderen Art der beschleunigten Expansion. Aber vielleicht ist dies nur eine teilweise Antwort: Damit es beginnen kann, muss sich das Universum anscheinend bereits ausdehnen. Und was ist mit dem größten Maßstab außerhalb unserer Beobachtung? Dehnen sich verschiedene Teile des Universums auf unterschiedliche Weise aus, sodass unser Universum nur eine bescheidene inflationäre Blase in einem riesigen Superuniversum ist? Niemand weiß es. Aber wir hoffen, dass wir im Laufe der Zeit zu einem Verständnis der Expansion des Universums kommen.

ÜBER DIE AUTOREN:
Charles H. Lineweaver und Tamara M. Davis sind Astronomen am Mount Stromlo Observatory in Australien. In den frühen 1990er Jahren. an der University of California, Berkeley, gehörte Lineviver zu einer Gruppe von Wissenschaftlern, die CMB-Fluktuationen mit dem COBE-Satelliten entdeckten. Er verteidigte seine Dissertation nicht nur in Astrophysik, sondern auch in Geschichte und englischer Literatur. Davis arbeitet am Weltraumobservatorium Supernova / Acceleration Probe (Forscher Supernovae und Beschleunigung).

BEMERKUNGEN ZUM ARTIKEL "PARADOXE DER GROßEN EXPLOSION"
Professor Anatoly V. Zasov, phys. Fakultät der Moskauer Staatlichen Universität: Alle Missverständnisse, mit denen die Autoren des Artikels argumentieren, beziehen sich auf die Tatsache, dass die Ausdehnung des begrenzten Volumens des Universums in einem starren Bezugsrahmen am häufigsten als Galaxien im Erdinneren angesehen wird Bezugsrahmen). Daher die Idee einer Explosion und einer Dopplerverschiebung und die weit verbreitete Verwirrung mit der Bewegungsgeschwindigkeit. Die Autoren hingegen schreiben und schreiben richtig, wie alles in dem nicht-inertialen (begleitenden) Koordinatensystem aussieht, in dem Kosmologen normalerweise arbeiten, obwohl der Artikel nicht direkt darüber spricht (im Prinzip alle Entfernungen und Geschwindigkeiten hängen von der Wahl des Bezugssystems ab, und hier herrscht immer eine gewisse Willkür). Das einzige, was nicht klar geschrieben ist, ist, dass nicht definiert ist, was mit Distanz im expandierenden Universum gemeint ist. Zuerst sagen die Autoren, dies sei die Lichtgeschwindigkeit multipliziert mit der Ausbreitungszeit, und dann heißt es, dass auch die Expansion berücksichtigt werden muss, die die Galaxie noch mehr entfernt hat, während das Licht unterwegs war. Somit versteht man unter Entfernung bereits die Lichtgeschwindigkeit multipliziert mit der Ausbreitungszeit, die es benötigen würde, wenn die Galaxie aufhören würde, sich zu entfernen und jetzt Licht emittiert. In Wirklichkeit ist alles komplizierter. Die Entfernung ist eine modellabhängige Größe und kann nicht direkt aus Beobachtungen gewonnen werden, weshalb Kosmologen gut darauf verzichten und sie durch Rotverschiebung ersetzen. Aber vielleicht ist hier ein strengerer Ansatz nicht angebracht.