Fragen Sie Ethan: Wie sieht der Rand des Universums aus?

Die Simulation der großräumigen Struktur des Universums zeigt komplexe, sich nicht wiederholende Cluster. Aber aus unserer Sicht können wir das endliche Volumen des Universums sehen. Was liegt dahinter?

Vor 13,8 Milliarden Jahren begann das bekannte Universum mit dem Urknall. Während dieser Zeit dehnte sich der Raum aus, die Materie erfuhr eine Anziehungskraft auf die Schwerkraft, und als Ergebnis erhielten wir ein solches Universum, wie wir es heute beobachten. Aber selbst wenn es riesig ist, haben unsere Beobachtungen Grenzen. In einer bestimmten Entfernung verschwinden die Galaxien, die Sterne verblassen und wir erhalten keine Signale von den entfernten Teilen des Universums. Aber was ist jenseits dieser Grenze? Diese Woche fragt der Leser:

Wenn das Universum ein begrenztes Volumen hat, wo liegt dann seine Grenze? Kann jemand in ihre Nähe kommen? Wie wird sie aussehen?

Beginnen wir mit unserem aktuellen Standort und schauen wir so weit wie möglich.


Die Sterne und Galaxien, die wir in der Nähe sehen, sehen genauso aus wie unsere. Aber je weiter wir schauen, desto tiefer schauen wir in die Vergangenheit des Universums: Dort ist es weniger strukturiert, jünger und nicht so entwickelt

In unmittelbarer Nähe von uns ist das Universum voller Sterne. Wenn Sie 100.000 Lichtjahre wegfliegen, können Sie die Milchstraße reservieren. Dahinter liegt ein Meer von Galaxien - vielleicht zwei Billionen im beobachtbaren Universum. Es gibt eine Vielzahl von Sorten, Formen, Größen und Massen. Wenn Sie jedoch weiter entfernte Galaxien betrachten, können Sie etwas Ungewöhnliches erkennen: Je weiter die Galaxie entfernt ist, desto wahrscheinlicher ist ihre Größe und Masse, und ihre Sterne tendieren stärker in Richtung Blau als die nächsten Galaxien.


Was ist der Unterschied zwischen Galaxien zu verschiedenen Zeiten in der Geschichte des Universums?

Dies ist sinnvoll, wenn das Universum einen Anfang hat: einen Geburtstag. Das war der Urknall, der Tag, an dem das Universum, von dem wir wussten, geboren wurde. Das Alter der Galaxie, das unserem relativ nahe kommt, stimmt mit unserem Alter überein. Wenn wir jedoch eine Galaxie in Milliarden von Lichtjahren Entfernung betrachten, sehen wir Licht, das Milliarden von Jahren gehen musste, bevor es unsere Augen erreichte. Das Alter der Galaxie, deren Licht 13 Milliarden Jahre brauchte, um uns zu erreichen, sollte weniger als eine Milliarde Jahre alt sein, und wenn wir tiefer in den Weltraum schauen, schauen wir tatsächlich in die Vergangenheit.


Das Komposit aus ultraviolettem, sichtbarem und infrarotem Licht des Hubble-Projekts eXtreme Deep Field - das größte der veröffentlichten Bilder des fernen Universums

Oben ist das Bild des Hubble eXtreme Deep Field (XDF) -Projekts zu sehen, das tiefste Bild eines fernen Universums. Darauf sind Tausende von Galaxien sichtbar, die sich in sehr unterschiedlichen Abständen von uns und voneinander befinden. In einfachen Farben ist es jedoch unmöglich zu erkennen, dass jede Galaxie dank der einfachen Physik des Atoms ein spezifisches Spektrum aufweist, in dem Gaswolken Licht sehr spezifischer Wellenlängen absorbieren. Mit der Ausdehnung des Universums wird diese Länge gedehnt, sodass uns weiter entfernte Galaxien roter erscheinen. Diese Physik ermöglicht es uns, Annahmen über die Entfernung zu ihnen zu treffen, und wenn wir diese Entfernungen anordnen, stellt sich heraus, dass die jüngsten und kleinsten die am weitesten entfernten Galaxien sind.



Hinter den Galaxien sollten sich die ersten Sterne und dann nichts als ein neutrales Gas befinden - wenn das Universum keine Zeit hatte, Materie in Strukturen zu ziehen, die dicht genug sind, um Sterne zu bilden. Nach einigen Millionen Jahren werden wir sehen, dass die Strahlung im Universum so heiß war, dass sich dort keine neutralen Atome bilden konnten, was bedeutet, dass Photonen ständig von geladenen Teilchen abprallen. Wenn sich neutrale Atome bilden, sollte dieses Licht einfach in einer geraden Linie verlaufen und für immer gehen, da es nur durch die Expansion des Universums beeinflusst wird. Die Entdeckung dieses Restglühens - Reliktstrahlung - vor über 50 Jahren war die endgültige Bestätigung des Urknalls.


Ein systematisches Diagramm der Geschichte des Universums, das die Reionisierung beschreibt. Vor der Bildung von Sternen und Galaxien war das Universum mit neutralen Atomen gefüllt, die das Licht blockierten. Und obwohl der größte Teil des Universums erst nach 550 Millionen Jahren reionisiert wurde, wurden einige glücklichere Orte vor dieser Zeit praktisch reionisiert.

Von unserem aktuellen Standort aus können wir in jede Richtung schauen und den gleichen Verlauf der Weltraumgeschichte sehen. Heute, 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall, haben wir die uns bekannten Galaxien und Sterne. Zuvor waren Galaxien kleiner, blauer, jünger und weniger entwickelt. Davor gab es erste Sterne und davor nur neutrale Atome. Vor neutralen Atomen gab es ionisiertes Plasma und davor freie Protonen und Neutronen, spontanes Auftreten von Materie und Antimaterie, freie Quarks und Gluonen, alles instabile Teilchen des Standardmodells und schließlich den Moment des Urknalls. Immer größere Entfernungen zu betrachten ist dasselbe wie in die Vergangenheit zu schauen.


Darstellung des Künstlers in Form eines logarithmischen Konzepts des beobachtbaren Universums. Den Galaxien folgen eine großräumige Struktur und das heiße, dichte Plasma des Urknalls in den Hinterhöfen. Eine Kante ist nur zeitlich eine Grenze.

Obwohl dies unser beobachtbares Universum definiert - mit der theoretischen Grenze des Urknalls, die 46,1 Milliarden Lichtjahre von unserem Standort entfernt liegt - wird es keine wirkliche Grenze des Weltraums sein. Es ist nur eine Zeitlinie; Es gibt Einschränkungen für das, was wir sehen können, da die Lichtgeschwindigkeit es Informationen ermöglichte, nur 13,8 Milliarden Jahre ab dem Zeitpunkt des heißen Urknalls zu reisen. Diese Entfernung beträgt mehr als 13,8 Milliarden Lichtjahre, da sich das Gefüge des Universums erweitert hat (und weiter ausdehnt), aber es ist sicherlich endlich. Aber was ist mit der Zeit vor dem Urknall? Was würdest du sehen, wenn du irgendwie einen Bruchteil einer Sekunde erreichen würdest, bevor das Universum die höchste Energie besaß, dicht, heiß, voller Materie, Antimaterie und Strahlung war?


Die Inflation sorgte für einen heißen Urknall und führte zu einem beobachtbaren Universum, zu dem wir Zugang haben. Inflationsschwankungen haben Samen gepflanzt, die in ihrer gegenwärtigen Struktur gewachsen sind

Sie würden einen Zustand der kosmischen Inflation finden, in dem sich das Universum extrem schnell ausdehnte und in dem die dem Raum selbst innewohnende Energie dominierte. Der Raum dehnte sich zu dieser Zeit exponentiell aus, wurde in einen flachen Zustand gedehnt, erhielt an allen Orten die gleichen Eigenschaften, dann wurden die vorhandenen Teilchen in verschiedene Richtungen gestreut und die den Quantenfeldern innewohnenden Schwankungen wurden über das gesamte Universum gestreckt. Als die Inflation an dem Ort endete, an dem wir uns befinden, füllte ein heißer Urknall das Universum mit Materie und Strahlung und brachte den Teil des Universums hervor - das beobachtbare Universum - den wir heute sehen. Und jetzt, 13,8 Milliarden Jahre später, haben wir das, was wir haben.


Das beobachtbare Universum kann sich aus unserer Sicht 46 Milliarden Lichtjahre in alle Richtungen erstrecken, aber es gibt sicherlich mehr nicht beobachtbare Teile des Universums, möglicherweise sogar eine unendliche Menge, ähnlich der, in der wir uns befinden

Unser Standort ist weder räumlich noch zeitlich anders. Was wir bei 46 Milliarden Lichtjahren sehen können, misst dieser Grenze oder diesem Ort keine besondere Bedeutung bei. Dies ist lediglich eine Einschränkung unseres Sichtfeldes. Wenn wir irgendwie ein Foto des gesamten Universums machen könnten, das sich über die beobachtete Grenze hinaus erstreckt, wie es 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall geworden war, würde alles wie unser nächster Teil aussehen. Es hätte ein großes kosmisches Netzwerk von Galaxien, Clustern, galaktischen Filamenten und kosmischen Hohlräumen , das sich über den für uns sichtbaren relativ kleinen Bereich hinaus erstreckt. Jeder Beobachter irgendwo würde ein Universum sehen, das dem sehr ähnlich ist, was wir aus unserer Sicht sehen.


Eine der entferntesten Beobachtungen des Universums zeigt nahegelegene Sterne und Galaxien, aber Galaxien aus den äußeren Regionen sehen einfach jünger und weniger entwickelt aus. Aus ihrer Sicht sind sie 13,8 Milliarden Jahre alt und weiter entwickelt, und wir scheinen ihnen, wie sie vor Milliarden von Jahren waren

Einzelne Details würden sich unterscheiden, da sich die Details unseres Sonnensystems, unserer Galaxie, unserer lokalen Gruppe usw. unterscheiden. aus den Details eines anderen Beobachters. Das Volumen des Universums ist jedoch nicht begrenzt - nur sein von uns beobachteter Teil ist begrenzt. Der Grund dafür ist die vorübergehende Grenze - der Urknall -, die uns von den anderen trennt. Wir können uns dem nur mit Hilfe von Teleskopen nähern, die in die frühen Tage des Universums blicken, und zwar theoretisch. Bis wir herausfinden, wie wir die aktuelle Einbahnstraße überlisten können, wird dies unser einziger Ansatz sein, um die „Grenze“ des Universums zu verstehen. Aber im Weltraum gibt es keine Grenzen. Soweit wir wissen, würde uns jemand am Rande unseres beobachtbaren Universums nur am Rande seines beobachtbaren Universums sehen!

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? warum das Alter des Universums nicht mit dem Radius seines beobachteten Teils übereinstimmt .