Fragen Sie Ethan: Kann das Universum noch zu einer großen Kontraktion kommen?

Der Big Bounce erfordert eine Phase des erneuten Zusammenbruchs (Big Compression), gefolgt von einer Erweiterung (neuer Urknall).

Einer der größten Durchbrüche des 20. Jahrhunderts war die Bestimmung, wie reich und massiv unser Universum wirklich ist. Ein Radius von ungefähr 46 Milliarden Lichtjahren enthält ungefähr zwei Billionen Galaxien. Unser beobachtbares Universum ermöglicht es uns, die gesamte Geschichte unserer kosmischen Geschichte nachzubilden, bis zum Urknall und wahrscheinlich sogar ein wenig weiter. Was ist mit der Zukunft? Was ist mit dem Schicksal des Universums? Ist es sicher Genau das möchte unser Leser wissen:

Sie haben geschrieben, dass sich das Universum langsamer ausdehnt. Ich dachte, der Nobelpreis wurde für die Entdeckung vergeben, dass sich das Universum mit der Beschleunigung ausdehnt. Können Sie führende Theorien klären? Gibt es großartige Komprimierungsfunktionen?

Die beste Vorhersage für zukünftiges Verhalten liegt in der Vergangenheit. Aber sowohl Menschen als auch das Universum können uns manchmal überraschen.


Nach dem Urknall war das Universum nahezu homogen, voller Materie, Energie und Strahlung und dehnte sich schnell aus. Die Entwicklung des Universums zu jedem Zeitpunkt wird durch die Energiedichte seines Inhalts bestimmt.

Die Expansionsrate des Universums hängt zu jedem Zeitpunkt nur von zwei Dingen ab: der Gesamtenergiedichte in Raum-Zeit und räumlicher Krümmung. Wenn wir die Gesetze der Schwerkraft verstehen und wissen, wie sich verschiedene Arten von Energie im Laufe der Zeit entwickeln, können wir die Expansionsrate zu jedem Zeitpunkt in der Vergangenheit nachvollziehen. Wir können auch verschiedene entfernte Objekte untersuchen, die sich in unterschiedlichen Entfernungen von uns befinden, und messen, wie stark ihr Licht aufgrund der Ausdehnung des Raums gestreckt wird. Jede Galaxie, Supernova, molekulare Gaswolke usw. - Alles, was Licht absorbiert oder emittiert, wird die kosmische Geschichte erzählen, wie die Ausdehnung des Raums es von dem Moment an, als es emittiert wurde, bis zu dem Moment, als wir es beobachten konnten, dehnte.


Je weiter die Galaxie entfernt ist, desto schneller bewegt sie sich aufgrund der Expansion von uns weg und desto mehr erfährt ihr Licht eine Rotverschiebung, weshalb wir immer mehr lange Wellen betrachten müssen.

Aus verschiedenen unabhängigen Beobachtungen konnten wir schließen, woraus genau das Universum besteht. Drei große und unabhängige Beobachtungslinien sind:

• Temperaturschwankungen der CMB-Strahlung, die Informationen über die Krümmung des Universums, normale Materie, dunkle Materie, Neutrinos und die Gesamtdichte des Inhalts enthalten.
• Die Korrelation zwischen Galaxien auf den größten Skalen - bekannt als baryonische akustische Schwingungen - liefert sehr klare Messungen der Gesamtdichte der Materie, des Verhältnisses von normaler und dunkler Materie und der Änderung der Expansionsrate mit der Zeit.
• Und die entferntesten und hellsten Standardkerzen des Universums, Supernovae vom Typ Ia, die uns die Geschwindigkeit der Expansion und die Details der Entwicklung der dunklen Energie erzählen.

Standardkerzen (L) und Standardlineale ® sind zwei verschiedene Techniken, mit denen Astronomen die Ausdehnung des Raums in unterschiedlichen Entfernungen und zu unterschiedlichen Zeiten in der Vergangenheit messen

Alle diese Zeugnisse zusammen weisen auf ein einheitliches Bild des Universums hin. Sie erzählen uns, was heute im Universum ist, und geben uns Kosmologie, in der:

• 4,9% der Energie des Universums ist in normaler Materie enthalten (Protonen, Neutronen, Elektronen).
• 0,1% der Energie liegt in Form von massiven Neutrinos vor (die sich in jüngster Zeit als Materie und in den frühen als Strahlung verhalten).
• 0,01% der Energie liegt in Form von Strahlung (Photonen) vor.
• 27% der Energie befindet sich in dunkler Materie.
• 68% der Energie liegt in Form von Energie vor, die dem Raum selbst innewohnt: dunkle Energie.

Sie geben uns ein flaches Universum mit einer Krümmung von 0%, ein Universum ohne topologische Defekte (magnetische Monopole, kosmische Ketten, Domänenwände, kosmische Texturen) und ein Universum mit einer bekannten Expansionsgeschichte.


Die relative Bedeutung verschiedener Energiekomponenten des Universums zu unterschiedlichen Zeiten in der Vergangenheit. In Zukunft wird dunkle Energie eine 100% ige Bedeutung erreichen.

Die Gleichungen, die die GTR regeln, sind in diesem Sinne sehr eindeutig: Wenn wir wissen, woraus das Universum heute besteht, sowie die Gesetze der Schwerkraft, wissen wir genau, wie wichtig jede der Komponenten zu irgendeinem Zeitpunkt in der Vergangenheit war. Zunächst dominierten Strahlung und Neutrinos. Für Milliarden von Jahren waren dunkle Materie und normale Materie die wichtigsten Komponenten. Und in den letzten Milliarden Jahren - und im Laufe der Zeit wird sich die Situation nur noch verschlechtern - wird dunkle Energie der dominierende Faktor bei der Expansion des Universums sein. Es beschleunigt das Universum, und dort werden die meisten Menschen verwirrt.


Varianten des Schicksals eines expandierenden Universums. Achten Sie auf die Unterschiede zwischen verschiedenen Modellen in der Vergangenheit.

Im Zusammenhang mit der Expansion des Universums können wir zwei Dinge messen: die Expansionsgeschwindigkeit und die Geschwindigkeit, mit der sich eine einzelne Galaxie aus unserer Sicht von uns entfernt. Diese Parameter hängen zusammen, stimmen jedoch nicht überein. Die Expansionsrate gibt an, wie das Gewebe der Raumzeit gedehnt wird. Es wird immer auf eine Geschwindigkeit pro Entfernungseinheit geschätzt, normalerweise in Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec, wobei eine Megaparsec 3,26 Millionen Lichtjahre beträgt.


Wie die Materie (oben) entwickeln sich in einem expandierenden Universum im Laufe der Zeit Strahlung (in der Mitte) und kosmologische Konstante

Wenn es keine dunkle Energie gäbe, würde die Expansionsrate mit der Zeit abnehmen und sich Null nähern, da sich die Dichte von Materie und Strahlung mit zunehmendem Volumen Null nähern würde. Aber in Gegenwart von dunkler Energie nähert sich diese Expansionsrate der Dichte der dunklen Energie, wie auch immer sie sein mag. Wenn beispielsweise die Dunkle Energie eine kosmologische Konstante ist, tendiert die Expansionsrate asymptotisch zu einem konstanten Wert. Aber wenn ja, dann wird die Geschwindigkeit einzelner Galaxien, die sich von uns entfernen, zunehmen.


Ferngalaxie Markaryan 1018 im optischen Bereich mit Radio Data Overlay ( VLT )

Stellen Sie sich vor, die Expansionsgeschwindigkeit hat einen bestimmten Wert: 50 km / s / mpk. Befindet sich die Galaxie 20 mpc von uns entfernt, bewegt sie sich aus unserer Sicht mit einer Geschwindigkeit von 1000 km / s von uns weg. Aber im Laufe der Zeit, wenn sich das Gefüge des Weltraums ausdehnt, wird diese Galaxie weiter von uns entfernt sein. Wenn es 40 mpk von uns entfernt ist, wird seine Entfernungsgeschwindigkeit bereits 2000 km / s betragen. Nach noch mehr Zeit wird es zehnmal weiter von uns entfernt sein - in einer Entfernung von 200 Megapixeln - und sich mit einer Geschwindigkeit von 10.000 km / s von uns entfernen. Wenn es sich um 6.000 Megapixel entfernt, wird es sich mit einer Geschwindigkeit von 300.000 km / s von uns entfernen, schneller als die Lichtgeschwindigkeit. Dies wird aber weitergehen; Je mehr Zeit vergeht, desto schneller bewegt sich die Galaxie von uns weg. Dies ist mit dem „beschleunigenden“ Universum gemeint: Die Expansionsgeschwindigkeit nimmt ab, aber die Entfernungsrate einzelner Galaxien nimmt mit der Zeit zu.


Eine Zusammenstellung der ultravioletten, sichtbaren und infraroten Bereiche des Hubble eXtreme Deep Field-Projekts. Das größte Bild der fernen Teile des Universums.

All dies stimmt mit unseren besten Messungen überein: Dunkle Energie ist eine konstante Energiedichte, die dem Raum innewohnt. Mit der Ausdehnung des Weltraums bleibt die Dichte der Dunklen Energie konstant und das Universum wird seine Existenz im Big Freeze-Modus beenden, in dem alles, was die Schwerkraft nicht bindet (es bindet zum Beispiel unsere lokale Galaxiengruppe, unsere Galaxie, unser Sonnensystem usw.). wird auseinander fliegen. Wenn sich die dunkle Energie tatsächlich als kosmologische Konstante herausstellt, wird die Expansion für immer stattfinden und zu einem kalten und leeren Universum führen.


Als Astronomen zum ersten Mal erkannten, dass sich das Universum beschleunigte, sagte der gesunde Menschenverstand, dass es sich für immer ausdehnen würde. Bis wir jedoch die Natur der dunklen Energie besser verstehen, bleiben andere Szenarien des Schicksals des Universums möglich. Sie sind im Diagramm dargestellt: Große Kompression, ständige Expansion, große Lücke.

Aber wenn sich die dunkle Energie ändert - theoretisch ist dies möglich, wird aber nicht durch Beobachtungen bestätigt - kann dies sowohl zur großen Kompression als auch zum großen Bruch führen. Bei der großen Kompression wird die dunkle Energie schwächer und ändert ihr Vorzeichen, wodurch das Universum die größte Größe erreicht, sich ausdehnt und schrumpft. Es kann sogar zu einem zyklischen Universum führen, wenn die Kontraktion einen weiteren Urknall erzeugt. Wenn die dunkle Energie zunimmt, stellt sich die entgegengesetzte Situation heraus, in der die gebundenen Strukturen schließlich durch die zunehmende Expansionsgeschwindigkeit auseinandergerissen werden. Die heutigen Beweise stützen jedoch zuversichtlich den "Big Freeze", bei dem die Expansionsrate für immer konstant bleiben wird.

Zu den Hauptzielen zukünftiger Observatorien wie Euklid, WFIRST und LSST gehören Messungen, die bestätigen, ob dunkle Energie wirklich eine kosmologische Konstante ist. Obwohl die führende Theorie eine konstante Dunkle Energie bevorzugt, ist es wichtig, alle Möglichkeiten zu berücksichtigen, die durch Beobachtungen und Messungen nicht ausgeschlossen werden. Und obwohl der große Druck unwahrscheinlich erscheint, wurde er noch nicht ausgeschlossen. Mit dem Aufkommen von mehr Daten von besserer Qualität können wir immer noch interessante Hinweise finden, dass die Realität noch ungewöhnlicher ist, als die meisten von uns dachten!

Ethan Siegel - Astrophysiker, Wissenschafts-Popularisierer, Autor von Starts With A Bang! Er schrieb die Bücher „Beyond the Galaxy“ ( Jenseits der Galaxie ) und „Tracknology: the science of Star Trek“ ( Treknology ).

FAQ: Wenn sich das Universum ausdehnt, warum erweitern wir uns dann nicht?