Fragen Sie Ethan: Wie groß ist das gesamte nicht beobachtbare Universum insgesamt?

Das Bild vom Hubble-Teleskop zeigt einen massiven Cluster von PLCK_G308.3-20.2-Galaxien, die im Dunkeln hell leuchten. So sehen die riesigen Teile des fernen Universums aus. Aber wie weit erstreckt sich das bekannte Universum, einschließlich des Teils, den wir nicht beobachten können?

Vor 13,8 Milliarden Jahren gab es einen Urknall. Das Universum war mit Materie, Antimaterie und Strahlung gefüllt und existierte in einem superschnellen und superdichten, aber expandierenden und kühlenden Zustand. Bis heute hat sich sein Volumen, einschließlich des Universums, das wir beobachten, bis zu einem Punkt erweitert, an dem sein Radius 46 Milliarden Lichtjahre beträgt, und das Licht, das heute zum ersten Mal in unsere Augen kommt, stößt an die Grenzen dessen, was wir messen können. Und was kommt als nächstes? Was ist mit dem nicht beobachtbaren Teil des Universums? Genau das möchte unser Leser wissen:

Wir kennen die Größe des beobachteten Universums, weil wir sein Alter kennen (zumindest ab dem Moment des Phasenübergangs) und wissen, wie sich Licht ausbreitet. Meine Frage ist, warum die Mathematik, die Reliktstrahlung und andere Vorhersagen beschreibt, uns nicht die Größe des Universums sagen kann. Wir wissen, wie heiß sie war und wie kalt sie jetzt ist. Beeinflusst die Skalierung diese Berechnungen nicht?

Oh, wenn es nur so einfach wäre.


Die Geschichte des Universums wird definiert und wie weit wir mit Hilfe verschiedener Instrumente und Teleskope in die Vergangenheit schauen können. Unter Rückgriff auf die Tautologie können wir jedoch sagen, dass unsere Beobachtungen uns nur Informationen über die beobachteten Teile geben können. Alles andere muss erraten werden, und diese Vermutungen sind nur so gut wie die ihnen zugrunde liegenden Annahmen.

Heute ist das Universum kalt und klumpig, und es dehnt sich aus und hat eine Gravitationswirkung. Wenn wir weit in den Weltraum schauen, schauen wir nicht nur auf große Entfernungen, sondern sehen aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit auch die ferne Vergangenheit. Die entfernten Teile des Universums sind weniger klumpig und homogener, sie hatten weniger Zeit für die Bildung größerer und komplexerer Strukturen unter dem Einfluss der Schwerkraft.

Das frühe Universum, das von uns entfernt wurde, war auch heißer. Das expandierende Universum führt zu einer Zunahme der Wellenlänge des Lichts, das sich durch es ausbreitet. Mit seiner Ausdehnung verliert das Licht Energie, kühlt ab. Dies bedeutet, dass das Universum in der fernen Vergangenheit heißer war - und wir haben diese Tatsache bestätigt, indem wir die Eigenschaften der fernen Teile des Universums beobachtet haben.


Eine Studie aus dem Jahr 2011 (rote Punkte) liefert den besten heute verfügbaren Beweis dafür, dass die Temperatur von CMB in der Vergangenheit höher war. Die spektralen und Temperatureigenschaften des von weitem kommenden Lichts bestätigen die Tatsache, dass wir in einem expandierenden Raum leben.

Wir können die Temperatur des heutigen Universums 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall messen, indem wir die Strahlung untersuchen, die von diesem heißen, dichten frühen Zustand übrig geblieben ist. Heute manifestiert es sich im Mikrowellenteil des Spektrums und wird als Reliktstrahlung bezeichnet. Es passt in das Emissionsspektrum eines vollständig schwarzen Körpers und hat eine Temperatur von 2,725 K, und es ist leicht zu zeigen, dass diese Beobachtungen mit überraschender Genauigkeit mit den Vorhersagen des Urknallmodells für unser Universum übereinstimmen.


Echtes Sonnenlicht (links, gelbe Kurve) und ein komplett schwarzer Körper (grau). Aufgrund der Dicke der Photosphäre der Sonne bezieht es sich eher auf schwarze Körper. Rechts ist die reale Reliktstrahlung zu sehen, die mit der vom COBE-Satelliten gemessenen Schwarzkörperstrahlung übereinstimmt. Beachten Sie, dass die Fehlerverteilung in der Grafik rechts überraschend gering ist (ca. 400 Sigma). Das Zusammentreffen von Theorie und Praxis ist historisch.

Darüber hinaus wissen wir, wie sich die Energie dieser Strahlung mit der Expansion des Universums ändert. Die Photonenenergie ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge. Als das Universum zweimal kleiner war, hatten die vom Urknall übrig gebliebenen Photonen zweimal mehr Energie; Wenn die Größe des Universums 10% seines Stroms betrug, war die Energie dieser Photonen zehnmal größer. Wenn wir zu dem Moment zurückkehren wollen, als die Größe des Universums 0,092% seines Stroms betrug, stellen wir fest, dass das Universum 10 ^89- mal heißer war als heute: etwa 3000 K. Bei diesen Temperaturen kann das Universum alle darin enthaltenen Atome ionisieren. Anstelle von festen, flüssigen oder gasförmigen Substanzen lag die gesamte Materie im gesamten Universum in Form von ionisiertem Plasma vor.


Ein Universum, in dem freie Elektronen und Protonen mit Photonen kollidieren, wird beim Abkühlen und Ausdehnen zu einem neutralen, für Photonen transparenten Universum. Links ist ionisiertes Plasma vor der Emission von CMB-Strahlung, rechts ist das für Photonen transparente neutrale Universum.

Wir kommen zur Größe des heutigen Universums und verstehen drei verwandte Themen:

1. Wie schnell sich das Universum heute ausdehnt - wir können dies auf verschiedene Arten messen.
2. Wie heiß das Universum heute ist - das können wir herausfinden, indem wir die Reliktstrahlung untersuchen.
3. Woraus das Universum besteht - einschließlich Materie, Strahlung, Neutrinos, Antimaterie, Dunkle Materie, Dunkle Energie usw.

Mit dem aktuellen Zustand des Universums können wir auf die frühen Stadien des heißen Urknalls zurückrechnen und Werte für das Alter und die Größe des Universums ermitteln.


Eine logarithmische Darstellung der Größe des beobachteten Universums in Lichtjahren über die Zeit, die seit dem Urknall vergangen ist. All dies gilt nur für das beobachtbare Universum.

Aus dem gesamten Satz verfügbarer Beobachtungen, einschließlich Reliktstrahlung, Supernova-Daten, Beobachtungen großräumiger Strukturen und akustischer Baryonenschwingungen, erhalten wir ein Bild, das unser Universum beschreibt. 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall beträgt sein Radius 46,1 Milliarden Lichtjahre. Dies ist die Grenze des Beobachteten. Alles, was weiter entfernt ist, selbst wenn es sich vom Moment des heißen Urknalls an mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, wird nicht genug Zeit haben, um uns zu erreichen. Mit der Zeit nimmt das Alter und die Größe des Universums zu, und es wird immer eine Grenze zu dem geben, was wir sehen können.


Künstlerische Darstellung des beobachtbaren Universums auf logarithmischer Ebene. Beachten Sie, dass wir nur begrenzt in die Vergangenheit schauen können, die Zeit, die seit dem heißen Urknall vergangen ist. Dies sind 13,8 Milliarden Jahre oder (angesichts der Expansion des Universums) 46 Milliarden Lichtjahre. Jeder, der in unserem Universum lebt, wird zu jedem Zeitpunkt fast das gleiche Bild sehen.

Was können wir über diesen Teil des Universums sagen, der über den Rahmen unserer Beobachtungen hinausgeht? Wir können nur auf der Grundlage der Gesetze der Physik spekulieren und was wir in unserem beobachtbaren Teil messen können. Zum Beispiel sehen wir, dass das Universum im großen Maßstab räumlich flach ist: Es ist weder positiv noch negativ gekrümmt mit einer Genauigkeit von 0,25%. Wenn wir davon ausgehen, dass unsere Gesetze der Physik richtig formuliert sind, können wir bewerten, wie groß das Universum sein kann, bis es sich selbst schließt.


Die Größen der heißen und kalten Abschnitte und ihre Skalen geben die Krümmung des Universums an. Wie genau wir messen können, sieht vollkommen flach aus. Akustische Baryonenschwingungen bieten eine weitere Methode, um die Krümmung einzuschränken, und führen zu ähnlichen Ergebnissen.

Sloans digitale Himmelsvermessung und der Planck- Satellit liefern uns die besten Daten für heute. Sie sagen, wenn sich das Universum sogar biegt und sich selbst schließt, ist der Teil davon, den wir sehen können, so nicht von dem flachen zu unterscheiden, dass sein Radius nicht weniger als das 250-fache des Radius des beobachteten Teils betragen sollte.

Dies bedeutet, dass das nicht beobachtbare Universum, wenn es keine topologischen Kuriositäten enthält, einen Durchmesser von mindestens 23 Billionen Lichtjahren haben sollte und sein Volumen mindestens 15 Millionen Mal größer sein sollte als das von uns beobachtete. Wenn wir uns jedoch erlauben, theoretisch zu argumentieren, können wir ganz überzeugend beweisen, dass die Größe des nicht beobachtbaren Universums selbst diese Schätzungen deutlich überschreiten sollte.


Das beobachtete Universum kann von unserem Standort aus eine Größe von 46 Milliarden Lichtjahren in alle Richtungen haben, aber jenseits dieser Grenzen existiert definitiv ein großer Teil davon, nicht beobachtbar, möglicherweise sogar unendlich, ähnlich dem, den wir sehen. Mit der Zeit werden wir etwas mehr sehen können, aber nicht alles.

Der heiße Urknall mag das Erscheinen des uns bekannten beobachtbaren Universums markieren, aber er markiert nicht den Ursprung von Raum und Zeit selbst. Vor dem Urknall erlebte das Universum eine Periode kosmischer Inflation. Es war nicht mit Materie und Strahlung gefüllt und nicht heiß, aber:

• wurde mit der Energie gefüllt, die dem Raum selbst innewohnt,
• mit einer konstanten, exponentiellen Rate erweitert,
• und schuf einen neuen Raum so schnell, dass die kleinstmögliche Länge <a

Planck-Länge [1,6 × 10 ^-35 m], gestreckt auf die Größe des heute beobachteten Universums alle 10 ^-32 Sekunden.


Durch die Inflation dehnt sich der Raum exponentiell aus, was sehr schnell dazu führen kann, dass gekrümmte oder nicht glatte Räume flach aussehen. Wenn das Universum gekrümmt ist, ist der Radius seiner Krümmung mindestens hundertmal größer als das, was wir beobachten können.

In unserem Teil des Universums ist die Inflation wirklich zu Ende gegangen. Drei Fragen, auf die wir die Antworten nicht kennen, wirken sich jedoch stark auf die tatsächliche Größe des Universums aus und darauf, ob es unendlich ist:

1. Wie groß ist der Teil des Universums nach der Inflation, der unseren Urknall hervorgebracht hat?
2. Ist die Idee der fortwährenden Inflation wahr, wonach sich das Universum zumindest in einigen Regionen unendlich ausdehnt?
3. Wie lange dauerte die Inflation, bis sie aufhörte und den heißen Urknall hervorbrachte?

Es ist möglich, dass der Teil des Universums, in dem Inflation auftrat, auf eine Größe wachsen konnte, die nicht viel größer ist als das, was wir beobachten können. Es ist möglich, dass es jederzeit Hinweise auf die Existenz einer "Marge" gibt, an der die Inflation endete. Es ist aber auch möglich, dass das Universum in Brillen mal größer ist als das beobachtete. Ohne Beantwortung dieser Fragen erhalten wir keine Antwort auf die Hauptfrage.


Die große Anzahl einzelner Regionen, in denen der Urknall stattfand, wird von einem Raum geteilt, der infolge der fortwährenden Inflation ständig wächst. Wir haben jedoch keine Ahnung, wie wir testen, messen oder Zugang zu dem erhalten sollen, was außerhalb unseres beobachtbaren Universums liegt.

Jenseits der Grenzen dessen, was wir sehen können, gibt es höchstwahrscheinlich sogar ein größeres Universum, dasselbe wie unser, mit denselben Gesetzen der Physik, mit denselben kosmischen Strukturen und denselben Chancen für ein komplexes Leben. Auch die „Blase“, in der die Inflation endete, muss eine endliche Größe haben, obwohl eine exponentiell große Anzahl solcher Blasen in einer größeren, expandierenden Raumzeit enthalten ist. Aber selbst wenn dieses gesamte Universum oder Multiversum unglaublich groß sein kann, kann es nicht unendlich sein. In der Tat muss es endlich sein, es sei denn, die Inflation hielt auf unbestimmte Zeit an oder das Universum wurde nicht unendlich groß geboren.


Egal wie groß der Teil des Universums ist, den wir beobachten, egal wie weit wir schauen können, all dies macht nur einen kleinen Bruchteil dessen aus, was dort draußen existieren sollte.

Das größte Problem ist, dass wir nicht genügend Informationen für eine bestimmte Antwort auf die Frage haben. Wir wissen nur, wie wir auf die Informationen zugreifen können, die in unserem beobachtbaren Universum verfügbar sind: diese 46 Milliarden Lichtjahre in alle Richtungen. Die Antwort auf die größte Frage nach der Endlichkeit oder Unendlichkeit des Universums kann im Universum selbst verborgen sein, aber wir können nicht groß genug wissen, um es sicher zu wissen. Und bis wir uns damit befassen oder ein listiges Schema entwickeln, um die Grenzen der Möglichkeiten der Physik zu erweitern, werden wir nur Wahrscheinlichkeiten haben.