Fragen Sie Ethan: Wie können wir in einem so jungen Universum so weit weg schauen?

Als Galaxie eines extrem abgelegenen Teils des Universums sind viele Galaxien zig Milliarden Lichtjahre von uns entfernt.

Mit dem Universum sind mehrere grundlegende Tatsachen verbunden - sein Ursprung, seine Geschichte, sein gegenwärtiger Zustand -, die sehr schwer ins Bewusstsein zu rücken sind. Einer von ihnen ist der Urknall, die Idee, dass das Universum vor einer bestimmten Anzahl von Jahren begann, nämlich 13,8 Milliarden. Dann geschah der erste Moment, aus dem wir das Universum beschreiben können, wie wir es heute kennen: gefüllt mit Materie und Strahlung und die Zutaten, die schließlich zu Sternen, Galaxien, Planeten und Menschen heranwuchsen. Wie weit können wir schauen? Sie können denken, dass, da alles im Universum durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt ist, es ein Zeitraum von 13,8 Milliarden Jahren sein wird. Dies ist jedoch nicht der Fall, und einer der Leser möchte wissen:

Wie können wir eine 92-Milliarden-Meilen-Strecke untersuchen [was anscheinend Lichtjahre bedeutet - ca. trans.] Wann kam das Licht von den Rändern nur 13,7 Milliarden Jahre zu uns? Selbst wenn wir annehmen, dass sich diese Punkte während der Lichtbewegung weiter von uns entfernt haben und wir berechnen, wo sie sein sollten und nicht wo wir sie sehen, und angesichts der Tatsache, dass sich der Raum in solchen Entfernungen schneller als c ausdehnt, scheint dies immer noch so zu sein zu große Zahlen.

Dieses Problem kann von drei Seiten angegangen werden, aber nur eine wird wahr sein.


Logarithmisches Bild des beobachtbaren Universums, wie es vom Künstler präsentiert wird

1) Materie ist überall und Licht bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit. Standardmäßig haben Leute genau ein solches Bild. Sie können sich ein Universum vorstellen, das überall mit Sternen und Galaxien gefüllt ist, und die Tatsache, dass sich diese Sterne und Galaxien fast unmittelbar nach dem Beginn von allem zu bilden begannen. Je länger wir warten, desto weiter können wir sehen, da sich das Licht mit der Lichtgeschwindigkeit in einer geraden Linie bewegt. Daher können wir nach 13,8 Milliarden Jahren erwarten, dass wir fast 13,8 Milliarden Jahre zurückblicken können, wobei wir nur die Zeit abziehen, die für die Bildung von Sternen und Galaxien nach dem Urknall benötigt wurde.



2) Die Substanz ist überall, Licht bewegt sich mit Geschwindigkeit c und alles kann sich im Raum bewegen. Das Problem hat eine andere Ebene - es gibt nicht nur eine Reihe von lichtemittierenden Substanzen, sondern diese Objekte bewegen sich auch relativ zueinander. Da sie sich nach den Regeln der SRT auch fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen können und sich das Licht mit Lichtgeschwindigkeit in Ihre Richtung bewegt, können wir davon ausgehen, dass wir in einer Entfernung von fast doppelt so viel wie im ersten Absatz blicken können. Vielleicht können sich Objekte jetzt in einer Entfernung von 27,6 Milliarden Lichtjahren von uns befinden, wenn das von ihnen emittierte Licht uns erst jetzt erreicht und sie sich selbst fast mit Lichtgeschwindigkeit von uns entfernen.



3) Materie ist überall, Licht bewegt sich mit Geschwindigkeit c, alles kann sich im Raum bewegen und das Universum dehnt sich aus. Diese letzte Stufe ist die unintuitivste und verursacht die meisten Probleme. Ja, der Raum ist mit Materie gefüllt, die sich schnell in Sternen, Galaxien und größeren Strukturen ansammelt. Ja, das von ihm emittierte Licht bewegt sich mit der Geschwindigkeit c, der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. All diese Materie kann sich im Raum bewegen, meistens aufgrund der gegenseitigen Anziehungskraft verschiedener Abschnitte mit erhöhter und verringerter Dichte. All dies ist das gleiche wie in Option 2.



Es fügt hinzu, dass sich der Raum selbst ebenfalls erweitert. Wenn Sie eine entfernte Galaxie betrachten und feststellen, dass sie röter als normal ist, wird allgemein angenommen, dass sie aufgrund einer von uns weggerichteten Bewegung röter ist, wodurch sich das Licht in den roten Teil des Wellenspektrums verschiebt. In ähnlicher Weise verschiebt sich der Klang einer Sirene, die sich von Ihnen entfernt, zu längeren Wellen und scheint leiser zu sein. Dies gilt jedoch alles für die zweite Option. GR fügt einen weiteren Punkt hinzu, die Erweiterung des Raums. Und mit der Erweiterung des Universums wird das Raumgefüge gedehnt, und für einzelne Lichtwellen im Raum nehmen auch die Längen zu!



Sie können entscheiden, dass diese beiden Effekte nicht unterschieden werden können. Wenn alles, was gemessen werden kann, die Wellenlänge des Lichts ist, das Ihr Auge erreicht, wie können Sie dann sicher sein, dass es sich aufgrund von Bewegung oder aufgrund des Raumgewebes ausdehnt? Es stellt sich heraus, dass es einen Zusammenhang zwischen der Rotverschiebung (und damit der Wellenlänge) und der beobachteten Helligkeit der Galaxie gibt, der von der Entfernung abhängt. In einem nicht expandierenden Universum, wie wir zuvor beschrieben haben, beträgt die maximale Entfernung, die Sie betrachten können, zwei Jahre des Universums in Lichtjahren: 27,6 Milliarden Lichtjahre. Aber in unserem heutigen Universum haben wir bereits weiter entfernte Galaxien gesehen!


Überblick über GOODS-North, auf dem Foto eine der entferntesten Galaxien von allen, die wir gesehen haben. Die meisten sind jenseits von 30 Milliarden Lichtjahren.

Wie weit können wir also schauen? Wenn es im Universum keine dunkle Energie gab, sind die am weitesten entfernten Objekte Sterne, Galaxien, das verbleibende Leuchten des Urknalls usw. - wäre auf 41,4 Milliarden Lichtjahre begrenzt. In einem Universum mit dunkler Energie ist dieser Wert jedoch noch größer und beträgt für die beobachtete dunkle Energie etwa 46 Milliarden Lichtjahre.

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Die gepunktete Linie ist die Vorhersage von STR, die durchgezogene Linie ist GR für Entfernungen im expandierenden Universum. Die Beobachtungen stimmen mit den Vorhersagen von GR überein.

Wenn wir all dies zusammenfassen, erhalten wir, dass die Entfernung, in der wir das Universum von einem Ende zum anderen beobachten, 92 Milliarden Lichtjahre beträgt. Vergessen Sie nicht, dass es ständig wächst. Wenn wir heute mit Lichtgeschwindigkeit auf die Straße fahren, können wir nur ein Drittel ihrer Größe überqueren, etwa 3% des Volumens.



Obwohl 92 Milliarden Lichtjahre mit einem Alter von 13,8 Milliarden Jahren ein großer Wert für das Universum zu sein scheinen, ist es der richtige Wert für das Universum, gefüllt mit Materie, dunkler Energie und unter Einhaltung der Gesetze von GR. Der Grund für diese enorme Größe ist, dass sich der Raum ausdehnt und ständig neuer Raum zwischen den verbundenen Galaxien, Gruppen und Clustern geschaffen wird. Wenn Sie alles berücksichtigen, was darin enthalten ist, was es kontrolliert und wie es aussah, stellt sich heraus, dass es nicht anders sein könnte.