Sie haben wahrscheinlich schon gehört, dass das Universum vor 13,8 Milliarden Jahren mit dem Urknall begann und Atome, Sterne, Galaxien und schließlich Planeten mit der Zusammensetzung bildete, die für das Erscheinen des Lebens notwendig ist. Wenn wir in die entlegenen Orte des Universums schauen, blicken wir auch in die Zeit zurück und haben dank der Fähigkeiten der Physik und Astronomie nicht nur berechnet, wie das Universum begann, sondern auch sein Alter. Aber woher wissen wir, wie alt sie ist? Dies ist die Frage, die uns der Leser stellt:
Ethan, wie wird diese Zahl auf 13,8 Milliarden Jahre geschätzt? (Bitte nur im Klartext erklären!)
Tatsächlich gibt es zwei verschiedene, unabhängige Methoden zum Messen dieser Größe, und obwohl eine davon viel genauer als die andere ist, werden weniger genaue Annahmen mit weniger Genauigkeit verwendet.
Eine genauere Methode legt den Gedanken nahe, dass sich das Universum ausdehnt und abkühlt, was bedeutet, dass es in der Vergangenheit heißer und dichter war. Wenn wir in die Vergangenheit reisen, stellen wir fest, dass in einem kleineren Volumen des Universums nicht nur alle Materie näher beieinander lag, sondern auch die Wellenlängen aller Photonen kürzer waren, da die Expansion des Universums sie auf ihren aktuellen Zustand ausdehnte.
Da die Wellenlänge des Photons seine Energie und Temperatur bestimmt, ist das kurzwellige Photon energetischer und heißer. Je weiter wir in der Zeit zurückgehen, desto höher wird die Temperatur sein, bis wir irgendwann die frühesten Stadien des Urknalls erreichen. Wichtig: Der heiße Urknall hatte eine Bühne, die man am frühesten nennen kann!
Wenn wir auf unbestimmte Zeit auf die Vergangenheit extrapolieren, erreichen wir eine Singularität, in der die Physik nicht mehr funktioniert. Nach unserem derzeitigen Verständnis des frühen Zustands des Universums wissen wir, dass dem heißen und dichten Urknall ein Inflationszustand vorausging und seine Dauer ungewiss war. Wenn wir über das Zeitalter des Universums sprechen, sprechen wir darüber, wie viel Zeit vergangen ist, seit das Universum zum ersten Mal durch den heißen Urknall beschrieben werden konnte.
Nach den Gesetzen der Allgemeinen Relativitätstheorie in einem Universum wie dem unseren:
• mit der gleichen Dichte auf den größten Skalen,
• mit den gleichen Gesetzen und Eigenschaften an allen Orten,
• in alle Richtungen gleich,
• mit dem Urknall, der an allen Orten gleichzeitig geschah,
Es gibt eine einzigartige Beziehung zwischen dem Alter des Universums und seiner Ausdehnung im Laufe des Lebens.
Mit anderen Worten, wenn wir messen können, wie sich das Universum heute ausdehnt und wie es sich im Laufe des Lebens ausdehnt, werden wir genau berechnen, aus welchen Komponenten es besteht. Wir wissen dies aus vielen verschiedenen Beobachtungen, nämlich:
• Von direkten Messungen von Helligkeit und Entfernungen zu Objekten des Universums wie Sternen, Galaxien und Supernovae, die es uns ermöglichen, eine Weltraumtreppe mit Entfernungen zu bauen.
• Aus Messungen von großräumigen Strukturen, Galaxienhaufen und baryonischen akustischen Schwingungen.
• Aufgrund von Schwankungen der Hintergrundstrahlung auf einem „Foto“ des Universums, das im Alter von 380.000 Jahren aufgenommen wurde.
Wenn wir all dies kombinieren, erhalten wir das Universum, das derzeit aus 68% dunkler Energie, 27% dunkler Materie, 4,9% normaler Materie, 0,1% Neutrinos und 0,01% Strahlung besteht und im Allgemeinen ist das alles. Wenn Sie jedoch die heutigen Merkmale der Expansion des Universums hinzufügen, können Sie sie zurückrechnen und die gesamte Geschichte der Expansion und damit das Zeitalter des Universums herausfinden.
Die resultierende Zahl - am genauesten das Planck-Experiment -, aber andere Quellen, wie Messungen von Supernovae, das Hubble-Teleskop und Sloans digitale Himmelsvermessung, korrigieren sie - es stellt sich heraus, dass sie 13,81 Milliarden Jahre mit einem Fehler von nur 120 Millionen Jahren beträgt. Dies bedeutet, dass wir im Alter des Universums zu 99,1% sicher sind, was überraschend genau ist!
Ja, wir haben viele verschiedene Daten, die diese Nummer angeben, aber tatsächlich ist dies eine Methode. Wir hatten einfach Glück, dass es ein konsistentes Bild gibt, auf das alle Daten verweisen, aber jede dieser Einschränkungen allein reicht nicht aus, um zu sagen: "Das Universum ist genau das." Stattdessen bieten sie alle eine Reihe von Möglichkeiten, und der Ort, an dem sie sich kreuzen, sagt uns, wo wir leben.
Wenn das heutige Universum genau die gleichen Eigenschaften hätte, aber zu 100% aus normaler Materie ohne dunkle Materie und dunkle Energie bestehen würde, wäre es nur 10 Milliarden Jahre alt. Wenn es 5% der normalen Materie im Universum gäbe (ohne dunkle Materie und dunkle Energie) und die Hubble-Konstante 50 km / s / Mps anstelle von 70 km / s / Mps wäre, wäre das Universum 16 Milliarden Jahre alt. Wenn wir jedoch alle bekannten Daten kombinieren, können wir mit Sicherheit sagen, dass 13,81 Milliarden Jahre das Alter des Universums mit einem kleinen Fehler sind. Dies ist eine erstaunliche Leistung der Wissenschaft.
Und all dies gibt im Allgemeinen eine Methode. Dies ist die wichtigste, beste und vollständigste Methode mit einer Vielzahl verschiedener Beweise. Aber es gibt noch eine andere Tatsache, die überraschend nützlich ist, um unsere Ergebnisse zu überprüfen.
Das Flackern von Sternen ist ein Beweis für ihre Variabilität aufgrund des einzigartigen Verhältnisses von Flackerperiode zu Helligkeit.Dies ist eine Tatsache unseres Verständnisses, wie Sterne leben, ihren Treibstoff verbrennen und sterben. Insbesondere wissen wir, dass alle Sterne, wenn sie leben und ihren Hauptbrennstoff verbrennen (Helium aus Wasserstoff synthetisieren), eine bestimmte Helligkeit und Farbe haben und diese Helligkeit und Farbe für einen bestimmten Zeitraum beibehalten: bis der Brennstoff in ihren Kernen ausgeht .
In diesem Moment beginnen helle, blaue und massereichere Sterne, sich von der Hauptsequenz (einer Kurve im Farb- und Größendiagramm) abzuwenden und sich in Riesen und / oder Überriesen zu verwandeln.
Indem wir uns ansehen, wo sich dieser „Abschaltpunkt“ für Sternhaufen befindet, die ungefähr zur gleichen Zeit erschienen, können wir berechnen - wie die Sterne funktionieren - wie alt die Sterne im Haufen sind. In Anbetracht der ältesten Kugelsternhaufen, die die am wenigsten schweren Elemente enthalten und deren Abschaltungen bei Sternen mit der kleinsten Masse auftreten, stellen wir fest, dass ihr Alter sehr konstant 13,2 Milliarden Jahre beträgt, jedoch nicht mehr (bedenken Sie dies In diesem Fall ist der Fehler ziemlich groß (etwa eine Milliarde Jahre).
Das Alter der ältesten bekannten Kugelsternhaufen beträgt 95% des Alters des Universums.Sehr oft gibt es ein Alter von 12 Milliarden Jahren, aber Alter in der Größenordnung von 14 Milliarden Jahren und mehr werden nie gefunden, obwohl in den 1990er Jahren oft Alter von 14-16 Milliarden Jahren erwähnt wurde. Durch die Verbesserung des Verständnisses der Funktionsweise von Sternen und ihrer Entwicklung wurden diese Zahlen verringert.
Im Allgemeinen haben wir zwei Methoden - eine aus der Weltraumgeschichte und die zweite aus der Messung lokaler Sterne -, die zeigen, dass das Alter unseres Universums im Bereich von 13 bis 14 Milliarden Jahren liegt. Niemand wäre überrascht, wenn wir 13,6 Milliarden oder 14,0 Milliarden hätten, aber es kann mit großer Genauigkeit festgestellt werden, dass wir nicht 13,0 oder 15,0 Milliarden Jahre alt sind. Sprechen Sie mit Zuversicht, dass wir 13,8 Milliarden Jahre alt sind - jetzt wissen Sie, wie wir es berechnet haben!