Wir wissen, dass das Alter des Universums 13,8 Milliarden Jahre beträgt, aber die Größe des beobachteten Universums beträgt 46 Milliarden Lichtjahre. Wie ist das möglich?

Die Natur verlangt, dass wir die Lichtgeschwindigkeit nicht überschreiten. Alles andere ist optional.
- Robert Brolt

Eine der erstaunlichsten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts war die Untersuchung riesiger Spiralnebel, die über den Nachthimmel verstreut waren.

Es wurde schnell klar, dass diese Objekte Galaxien sind, die unserer Milchstraße ähneln und Tausende von Lichtjahren von uns entfernt sind. Außerdem bewegen sich die meisten von uns in die Richtung von uns. Noch interessanter ist, dass sich eine Galaxie (im Durchschnitt) umso schneller entfernt, je weiter sie von uns entfernt ist. Nur wenige Jahre später wurden sowohl der Mechanismus als auch das Gesetz für dieses Phänomen entdeckt.

Es gab keine Schwierigkeiten mit dem Gesetz: Sie messen die Bewegungsgeschwindigkeit der Galaxie basierend auf der Spektralverschiebung und schätzen die Entfernung zu ihr mit verschiedenen Methoden, einschließlich Standardkerzen. Als Ergebnis erhalten Sie - obwohl Sie immer noch Fehler haben - Daten über die Entfernung von Galaxien und über die Geschwindigkeit ihrer Flucht. Die Beziehung zwischen diesen beiden Parametern ist als Hubble-Gesetz bekannt und bestimmt, wie sich entfernte Galaxien relativ zu uns bewegen.

Der Mechanismus des auftretenden Phänomens erwies sich als interessanter.

Es besteht die starke Versuchung anzunehmen, dass die Ursache des beobachteten Phänomens - entfernte Objekte bewegen sich schneller weg - in einer Explosion liegt, die in der Vergangenheit stattgefunden hat. Wenn dies so wäre, wären die Galaxien, die weniger als die „anfängliche Explosionsenergie“ erhalten hätten, näher beieinander und würden langsamer auseinander fliegen, und die von uns entfernten Galaxien würden mehr Energie erhalten, um so schnell zu fliegen.

Wenn dies so wäre, wären wir sehr nahe am Zentrum der Explosion und die Dichte der Galaxien neben uns wäre viel höher als weit weg von uns. In diesem Fall wäre der Raum statisch - beispielsweise ein festes dreidimensionales Gitter. Dies ist jedoch nicht die einzige Gelegenheit.

Es ist auch möglich, dass anstelle des statischen Universums, das aus der Explosion stammt, eine stärkere Entscheidung von GR getroffen werden kann: Es kann sich ausdehnen! Anstatt aufgrund einer katastrophalen Explosion in einem statischen Universum zu beginnen, kann sich das Gewebe des Kosmos mit der Zeit proportional zur darin enthaltenen Energiemenge ausdehnen.

In diesem Fall sollte die Anzahl der Galaxien im Durchschnitt bei gleichen Raumvolumina gleich sein, die Expansionsgeschwindigkeit sollte in einer vorhersehbaren Abhängigkeit von der Entfernung zunehmen, das Universum sollte in der Vergangenheit heißer gewesen sein und der Galaxienhaufen sollte eine netzartige Struktur gebildet haben, in der alle Regionen des Weltraums ungefähr gleich aussehen in großem Maßstab.

Im Fall der ersten Option mit einer Explosion und einem statischen Raum und im Fall des endlichen Zeitalters des Universums könnten wir die Entfernung in einer Entfernung untersuchen, die durch dieses Alter bestimmt wird. In einem statischen Universum im Alter von 5 Jahren konnten wir das Licht von Objekten sehen, die nicht weiter als 5 Lichtjahre von uns entfernt waren. In einem 13,8 Milliarden Jahre alten statischen Universum konnten wir Licht von Objekten sehen, die nicht weiter als 13,8 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt waren.

Alle unsere Beobachtungen widerlegen diese Möglichkeit und lenken uns auf die Idee eines expandierenden Raums, in dem der Energiegehalt im Universum die Expansionsgeschwindigkeit und damit die Entfernung von Objekten von uns bestimmt.

Was weniger intuitiv ist, ist, dass wir in einem expandierenden Universum weiter sehen können, als dies sein einfaches Alter bestimmt! Es ist einfach ein Muss. Betrachten Sie das obige Diagramm, in dem sich mehrere Galaxienhaufen aufgrund der Expansion des Universums voneinander entfernen. Stellen Sie sich vor, wir befinden uns in einem zentralen Cluster und beobachten einen Cluster in der unteren linken Ecke.

Wenn das Licht den Cluster in der unteren linken Ecke (links) verlässt, ist dieser Cluster 87 Lichtjahre von uns entfernt. Licht beginnt seine Reise zu uns, aber das Universum dehnt sich aus. Das heißt, der Raum zwischen diesem und unserem Cluster vergrößert sich wie ein Stück Teig, zukünftiges Brot. Das Licht kommt weiterhin zu uns, aber mit zunehmender Entfernung muss es mehr als 87 Lichtjahre dauern, um uns zu erreichen. Aber wenn das Licht sein Ziel erreicht (rechts), ist dieser Cluster bereits 173 Lichtjahre von uns entfernt.

Die Schlüsselfrage ist: Wie weit ist das Licht tatsächlich gegangen? Die Antwort ist mehr als 87 Lichtjahre, aber weniger als 173 Lichtjahre!

Wenden Sie dieses Prinzip auf das gesamte Universum an.

Vor 13,8 Milliarden Jahren war das Universum unrealistisch heiß und dicht und mit einer Vielzahl von Energiequellen gefüllt: Strahlung (Photonen), Materie (Protonen, Neutronen, Elektronen) und der inhärenten Energie des Weltraums (Dunkle Energie). Wenn das expandierende Universum nur mit einer dieser drei Arten von Energie gefüllt wäre und Sie fragen würden, wie weit das Objekt entfernt ist, von welchem Licht es uns gerade erreicht hat, würden Sie drei verschiedene Antworten erhalten. Warum?

Weil die Energiedichte zu jedem Zeitpunkt in der Geschichte die Geschichte der Expansion des Universums bestimmt und Strahlung, Materie und die inhärente Energie des Raums sich unterschiedlich entwickeln! Und hier ist das Endergebnis für das Universum im Alter von 13,8 Milliarden Jahren:

Wenn das Universum nur mit Strahlung gefüllt wäre, wäre ein Objekt, dessen Licht uns erst nach einer Reise von 13,8 Milliarden Jahren erreichen würde, 27,6 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt.
Wenn das Universum nur mit Materie gefüllt wäre, wäre ein Objekt, dessen Licht uns erst nach einer Reise von 13,8 Milliarden Jahren erreichen würde, 41,4 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt.
Wenn das Universum nur mit dunkler Energie gefüllt wäre, würde uns überhaupt kein Licht erreichen, da die Expansion exponentiell wäre und wir nach dieser Zeit einfach nichts mehr sehen würden.

Aber keines dieser Beispiele entspricht dem realen Universum, in dem diese Energien gemischt sind und sich diese Mischung mit der Zeit ändert.

In den frühen Stadien des Universums in den ersten tausend Jahren dominierte die Strahlung hauptsächlich in Form von Photonen und Neutrinos. Dann trat ein Phasenübergang auf und Materie (normal und dunkel) wurde für Milliarden von Jahren zur vorherrschenden Komponente. Und in jüngerer Zeit, nach der Bildung des Sonnensystems und der Erde, ist dunkle Energie die dominierende geworden. Da dunkle Energie nicht die einzige Energiequelle für das Universum war (und auch nicht sein wird), werden wir uns niemals in einer Situation befinden, in der Licht uns nicht erreicht. Es reicht jedoch aus, die Grenzen des Universums weiter zu verschieben als in der Version allein mit Materie: bis zu 46,1 Milliarden Lichtjahre.

Das ist nicht intuitiv, aber Sie müssen sich daran erinnern: Vor 13,8 Milliarden Jahren war das gesamte beobachtbare Universum kleiner als unser derzeitiges Sonnensystem!

Die Expansion des Universums begann sehr schnell und verlangsamte sich im Laufe der Zeit. Es verlangsamt sich weiter, tendiert aber asymptotisch nicht zu Null, sondern zu einem endlichen, wenn auch großen Wert. Dies bedeutet, dass Licht von einem sehr entfernten Objekt, das durch die Ausdehnung des Universums mehr als 40 Milliarden Lichtjahre von uns weggetragen wird, uns heute erreichen kann und eine Reise durch das Universum macht, die mit der gesamten Geschichte seiner Existenz vergleichbar ist.

Und wenn es uns erreicht, werden wir das Licht sehen, das zu einer Zeit ausgestrahlt wurde, als das Universum noch sehr jung war.

Der einzige Unterschied ist die spektrale Rotverschiebung, mit der wir das Alter und die Entfernung dieses Objekts bestimmen können.

Deshalb befinden sich in einem 13,8 Milliarden Jahre alten Universum die entferntesten sichtbaren Objekte in einer Entfernung von 46 Milliarden Lichtjahren von uns!

Wie kommt es, dass das Universum größer ist als sein Alter?

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