Fragen Sie Ethan Nr. 41: Ein Date mit einem entfernten Teil des Universums
Der Leser fragt:Ich habe einmal an einem Gespräch über eine 12 Milliarden Jahre alte Supernova teilgenommen, und als ich die Frage „Wie ist ihr Alter bekannt?“ Beantwortete, sagte ich, dass dies auf die Lichtgeschwindigkeit und die Zeit zurückzuführen ist, die sie benötigt, um eine bestimmte Strecke zurückzulegen. Aber was wäre, wenn wir in einem anderen Teil des Universums wären? Wie würden wir dann das Alter dieser Supernova kennen? Und dann wäre er nicht anders?
Natürlich ist die Lichtgeschwindigkeit endlich, und diese Tatsache kann uns viel über einige der entfernten Objekte des Universums erzählen.
Hier ist der hellste Stern am Nachthimmel: Sirius. Es befindet sich in einer Entfernung von 8,6 Lichtjahren von uns - das heißt, das Licht, das gegenwärtig von uns zu uns kommt, wurde vor 8,6 Jahren von ihm ausgestrahlt. Es bedeutet auch, dass jemand in der Sirius-Region, wenn er uns sehen könnte, die Erde so sehen würde, wie sie vor 8,6 Jahren war.Bestimmen Sie einfach das Alter des Lichts anhand des Sterns, den wir sehen. Wir messen die Entfernung zum Stern und können mit Kenntnis der Lichtgeschwindigkeit die Zeit berechnen. Dies gilt für zwei beliebige Punkte im Universum, die während des Lichtdurchgangs zwischen ihnen ungefähr im gleichen Abstand voneinander bleiben.
Sie können auch die Entfernungen zu verschiedenen Objekten berechnen, indem Sie wissen, wie diese angeordnet sind und funktionieren. Beispielsweise ändern einige Arten von Sternen die Leuchtkraft mit der Zeit, und es besteht eine enge Beziehung zwischen den Perioden der Helligkeitsänderungen und ihrer beobachteten Helligkeit.Wenn Sie messen können, wie viel Zeit ein Zyklus zum Ändern der Leuchtkraft eines Sterns von hell nach dunkel und umgekehrt benötigt, und Sie die Klasse und den Typ eines bestimmten Sterns bestimmen können, können Sie feststellen, wie weit er von uns entfernt ist.
Diese Methode eignet sich zur Messung der Abstände von Sternhaufen und nicht so weit entfernten Galaxien. Danach können wir anhand anderer Details der Wechselbeziehungen verschiedener Eigenschaften von Galaxien (Rotation, Schwankungen der Oberflächenhelligkeit, Geschwindigkeitsausbreitung) die Entfernungen zu noch weiter entfernten Objekten des Universums berechnen.
Unter anderem können wir Supernovae (insbesondere die bekannten Supernovae vom Typ Ia mit Standardhelligkeit) für sehr genaue Messungen der Entfernungen zu den entferntesten Teilen des Universums verwenden. Auch wenn sie vor Milliarden von Jahren explodierten.Es gibt jedoch ein Problem mit einer einfachen Messung der Entfernung zu Objekten und dem Versuch, die verstrichene Zeit mit derselben Methode zu berechnen, die wir beispielsweise im Fall von Sirius verwendet haben. Das Problem ist folgendes: Der größte Teil des Universums bleibt nicht einmal ungefähr gleich weit von der Erde entfernt. Das Universum dehnt sich aus!
Der Raum selbst dehnt sich aus - Objekte, die nicht durch die Schwerkraft miteinander verbunden sind, bewegen sich mit der Zeit voneinander weg. Dies erschwert natürlich die Aufgabe und war fast das gesamte 20. Jahrhundert lang ein ernstes Hindernis für die Bestimmung, wie weit wir in die Vergangenheit schauen. Schließlich konnten wir nicht einfach eine entfernte Galaxie nehmen, die Entfernung dazu messen und sofort herausfinden:- Wie weit war sie von uns entfernt, als sie das Licht ausließ?
- Wie weit ist sie jetzt von uns entfernt, wo dieses Licht uns erreicht hat?
- Wie lange hat das Licht gebraucht, um diese Strecke zurückzulegen?
Dazu benötigen Sie mehr Informationen als die einfache aktuelle Entfernung zum Objekt.
Genauer gesagt, zwei Fakten. Erstens müssen Sie die vollständige Geschichte der Expansion des Universums kennen, dh die Expansionsgeschwindigkeit in dem Moment, in dem das Licht das entfernte Objekt verlässt, die Expansionsgeschwindigkeit in dem Moment, in dem wir dieses Licht empfangen, und die Expansionsgeschwindigkeit zwischen diesen beiden Ereignissen.Klingt kompliziert? In der Tat ist alles einfacher. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die über die Schwerkraft spricht, lässt uns einfach nicht viele Möglichkeiten. Wenn wir die aktuelle Expansionsrate messen können (was wir seit den 1920er Jahren konnten) und den aktuellen Energiegehalt des Universums berechnen können, können wir die gesamte Geschichte der Expansion des Universums vom Urknall aus berechnen.
Und die zweite Tatsache? Wir müssen den Grad der Rotverschiebung des Lichts messen, das vom Objekt zu uns kam. Wenn sich die Struktur des Universums ausdehnt, dehnen sich auch die Wellenlängen des Lichts aus und das Licht wird röter. Da jedoch bekannt ist, dass alles Licht eine Rotverschiebung erfährt und wir wissen, wie sich Atome, Sterne und Licht verhalten, können wir nur die entsprechenden Messungen vornehmen und herausfinden, wie die Rotverschiebung des Lichts von einem entfernten Objekt auftritt.
Und alle. Die Entfernung zum Objekt kann mit verschiedenen Methoden gemessen werden. Die Entfernung zu einer Supernova wird durch ihre Lichtkurve sowie durch die Rotverschiebung berechnet (für eine Supernova durch Spektralanalyse).Wir nehmen diese beiden Tatsachen, fügen die bekannte Geschichte der Expansion des Universums hinzu und ermitteln die Zeitspanne zwischen der Emission des ursprünglichen Photons und seiner Ankunft in unserem Auge.
So finden wir heraus, wie lange dieses oder jenes Ereignis im Universum passiert ist. Da wir wissen, dass seit dem Urknall 13,82 Milliarden Jahre vergangen sind, können wir das Alter des Universums in dem Moment berechnen, in dem das Licht von einem der für uns interessanten Objekte emittiert wurde. Source: https://habr.com/ru/post/de388705/
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