5 Fragen zur Expansion des Universums, die Sie schüchtern gestellt haben

Ein Blick auf einen extrem abgelegenen Teil des Universums zeigt Galaxien, die sich mit hoher Geschwindigkeit von uns entfernen. In solchen Entfernungen sind mehr Galaxien sichtbar, sie sind kleiner, nicht so entwickelt und bewegen sich mit großen Rotverschiebungen weg als die in der Nähe befindlichen

Wenn Sie das ferne Universum betrachten, sehen Sie überall Galaxien - in alle Richtungen, alle Millionen und Milliarden Lichtjahre. Ungefähr zwei Billionen Galaxien stehen der Menschheit zur Beobachtung zur Verfügung, und die Gesamtmenge von allem, was sich im Universum befindet, ist viel größer und unglaublicher, als sich die meisten von uns vorstellen können. Eine der verwirrendsten Tatsachen ist, dass alle Galaxien, die wir im Durchschnitt sehen, einer Regel folgen: Je weiter sie von uns entfernt sind, desto schneller bewegen sie sich anscheinend von uns weg. Diese Entdeckung, die Edwin Hubble und seine Assistenten in den 1920er Jahren gemacht haben, führte uns zu einem Bild eines expandierenden Universums. Aber was bedeutet es, dass sich das Universum ausdehnt? Die Wissenschaft weiß das, und jetzt werden Sie es wissen!


Je weiter wir schauen, desto älter und unentwickelter ist das Universum, das wir sehen. Dies ist jedoch nur möglich, wenn die Allgemeine Relativitätstheorie auf das Universum anwendbar ist und dessen Expansion kontrolliert.

1) Was ist die Expansion des Universums? Dies ist eine der Fragen, die vernünftig klingen, weil alles andere, was sich ausdehnen kann, aus Materie besteht und im Raum und in der Zeit des Universums existiert. Aber das Universum selbst ist Raum und Zeit und enthält alle verfügbare Materie und Energie. Wenn wir von der „Expansion des Universums“ sprechen, meinen wir, dass sich der Raum ausdehnt und wir sehen, dass einzelne Galaxien und ihre Cluster voneinander verstreut sind. Die beste Visualisierung dieses Prozesses ist der Rosinenteig, der beim Backen im Ofen aufsteigt.


Das Modell des „Brotes mit Rosinen“ der Expansion des Universums, bei dem die relativen Entfernungen mit der Expansion des Weltraums zunehmen (Test).

Teig ist das Gewebe des Weltraums, Rosinen sind verwandte Strukturen (Galaxien oder Gruppen / Galaxienhaufen), und aus der Sicht einer Rosine bewegen sich alle anderen davon weg, und je weiter die Rosine entfernt ist, desto schneller läuft sie davon. Nur im Fall des Universums gibt es keinen Herd und keine Luft außerhalb des Teigs; Es gibt nur Teig (Raum) und Rosinen (Materie).


Die Rotverschiebung wird nicht durch die Bewegung von Galaxien von uns verursacht - die Rotverschiebung von Licht, das von entfernten Punkten des Weltraums zu uns wandert, ist auf die Ausdehnung des Raums zwischen uns und den Galaxien zurückzuführen

2) Woher wissen wir, dass sich das Gefüge des Weltraums ausdehnt - vielleicht bewegen sich nur Galaxien mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten? Wenn sich Objekte von Ihnen in alle Richtungen bewegen, erweitert sich möglicherweise der Raum zwischen Ihnen und ihnen. Dies ist jedoch nur eine der Möglichkeiten. Es klingt auch vernünftig, dass Sie sich im Zentrum der Explosion befinden könnten, und viele Objekte waren zufällig weiter von Ihnen entfernt und bewegen sich heute schneller, weil sie während der Explosion mehr Energie gewonnen haben. Wenn dies so wäre, würden zwei Beweise dafür auffallen:

1. In großen Entfernungen wären Galaxien mit hohen Geschwindigkeiten kleiner, da sie im Laufe der Zeit im Weltraum auseinander fliegen würden.
2. Das Verhältnis von Rotverschiebung und Reichweite bei großen Entfernungen hätte eine ganz bestimmte Form, anders als wenn sich das Gewebe des Weltraums ausdehnt.

Der Unterschied zwischen einer Erklärung, die auf einer einfachen Bewegung (gepunktete Linie) und GR-Vorhersagen (durchgehend) für Entfernungen in einem expandierenden Universum basiert. Unsere Beobachtungen stimmen eindeutig mit den Vorhersagen von GR überein.

In großen Entfernungen ist die Dichte der Galaxien höher als in unserer Nähe. Dies stimmt mit einem Bild überein, in dem sich der Raum ausdehnt, da ein Blick in die Ferne dasselbe ist wie ein Blick in die Vergangenheit, in dem die Ausdehnung nicht so stark war. Wir sehen auch, dass das Verhältnis von Rotverschiebung zu Entfernung in fernen Galaxien mit dem Bild der Ausdehnung des Raumgefüges übereinstimmt und nicht mit dem Fall übereinstimmt, in dem sich die Galaxien einfach von uns entfernen. Die Wissenschaft gibt auf zwei sehr unterschiedliche Arten eine Antwort auf diese Frage, und beide Antworten unterstützen die Option eines expandierenden Universums.


Der Graph der scheinbaren Expansionsrate (y-Achse) gegenüber der Entfernung (x-Achse) stimmt mit dem Universum überein, das sich in der Vergangenheit schneller ausgedehnt hat, sich aber heute noch ausdehnt. Dies ist eine moderne Version der Beobachtung, die Entfernungen um das Tausendfache erweitert als Hubble. Beachten Sie, dass die Punkte nicht auf einer geraden Linie liegen, was auf eine Änderung der Expansionsrate mit der Zeit hinweist

3) Hat sich das Universum immer mit der gleichen Geschwindigkeit ausgedehnt? Wir nennen diese Geschwindigkeit die Hubble-Konstante, aber sie ist im gesamten Raum und nicht in der gesamten Zeit konstant. Das heutige Universum expandiert heute langsamer als früher [ Hier erklärt Ethan, warum sich die Expansion verlangsamt und Galaxien schneller / ca. übersetzt.]. Wenn wir über die Expansionsgeschwindigkeit sprechen, meinen wir die Geschwindigkeit pro Entfernungseinheit: Heute sind es ungefähr 70 km / s / Mpc (Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec; Megaparsec - 3.260.000 Lichtjahre). Die Expansionsrate hängt jedoch von der Dichte von allem ab, was sich im Universum befindet, einschließlich der Materie mit Strahlung. Mit der Expansion des Universums werden Materie und Strahlung im Inneren weniger dicht, und mit einer Abnahme der Dichte von Materie und Strahlung nimmt auch die Expansionsgeschwindigkeit ab. Das Universum hat sich in der Vergangenheit schneller ausgedehnt und hat sich seit dem heißen Urknall verlangsamt. Die Hubble-Konstante ist nicht genau so benannt; Es sollte als Hubble-Parameter bezeichnet werden.


Die Optionen für das ferne Schicksal des Universums bieten mehrere Möglichkeiten, aber wenn die dunkle Energie wirklich konstant ist, wie unsere Daten zeigen, wird das Universum weiterhin der roten Kurve folgen

4) Wird sich das Universum für immer ausdehnen oder wird es jemals aufhören oder sogar zurückgehen? Diese Frage ist seit vielen Generationen der heilige Gral der Kosmologie und Astrophysik, und sie konnte nur beantwortet werden, indem sowohl die Expansionsrate des Universums als auch alle darin vorhandenen Arten und Mengen von Energie bestimmt wurden. Jetzt haben wir erfolgreich gemessen, wie viel normale Materie, Strahlung, Neutrinos, dunkle Materie und dunkle Energie darin vorhanden sind, sowie die Geschwindigkeit der Expansion des Universums. Aufgrund der Gesetze der Physik und vergangener Ereignisse ist es sehr wahrscheinlich, dass sich das Universum für immer ausdehnen wird. Obwohl diese Wahrscheinlichkeit nicht gleich 100% ist; Wenn sich etwas, zum Beispiel dunkle Materie, in Zukunft anders verhält als in der Vergangenheit oder heute, müssen alle unsere Schlussfolgerungen überprüft werden.



5) Laufen Galaxien schneller als mit Lichtgeschwindigkeit von uns weg und ist das nicht verboten? Aus unserer Sicht erweitert sich der Raum zwischen uns und jedem entfernten Punkt. Je weiter etwas entfernt ist, desto schneller bewegt es sich von uns weg. Selbst wenn die Expansionsgeschwindigkeit winzig wäre, würde ein ausreichend entferntes Objekt schließlich die Schwelle einer Endgeschwindigkeit überschreiten, da die Expansionsgeschwindigkeit (Geschwindigkeit pro Entfernungseinheit) multipliziert mit einer ausreichend großen Entfernung einen beliebigen Geschwindigkeitswert ergibt. Aber GRT verbietet das nicht! Das Gesetz, das eine Bewegung schneller als Licht verbietet, gilt nur für die Bewegungen von Objekten im Raum und nicht für die Ausdehnung des Raums selbst. Tatsächlich bewegen sich die Galaxien selbst mit Geschwindigkeiten in der Größenordnung von Hunderten oder Tausenden von km / s, was viel weniger als 300.000 km / s ist, der durch Licht festgelegten Geschwindigkeitsbegrenzung. Ausreißer und Rotverschiebung werden durch die Expansion des Universums verursacht, nicht durch die wahre Bewegung der Galaxie.


Innerhalb des beobachtbaren Universums (gelber Kreis) befinden sich ungefähr 2 Billionen Galaxien. Galaxien, die sich in einer Entfernung von mehr als einem Drittel des Weges von uns zur Grenze befinden, können aufgrund der Ausdehnung des Universums niemals erreicht werden. Daher beträgt das für menschliche Studien geöffnete Volumen nur 3% des beobachteten Universums

Die Expansion des Universums ist eine notwendige Folge des Vorhandenseins von Materie und Energie, die die Raumzeit füllen und GR unterliegen. Solange es Materie gibt, gibt es eine Anziehungskraft, also gewinnt entweder die Schwerkraft und alles schrumpft oder die Schwerkraft verliert und gewinnt die Expansion. Es gibt kein Expansionszentrum, es gibt nichts außerhalb des Raumes, in dem sich das Universum ausdehnen würde; Expansion wird durch das Gewebe des Universums selbst überall und ständig erfahren. Und was ist am ärgerlichsten, selbst wenn wir heute die Erde verlassen und mit Lichtgeschwindigkeit auf die Straße gehen würden, wären nur 3% der Galaxien aus dem gesamten beobachtbaren Universum für uns verfügbar. 97% von ihnen liegen bereits außerhalb unserer Möglichkeiten. Das Universum kann ein schwieriger Ort sein, aber zumindest kennen Sie jetzt die Antworten auf fünf der am häufigsten verwirrenden Fragen!