Kosmologen sind intellektuelle Zeitreisende. Im Rückblick auf Milliarden von Jahren können diese Wissenschaftler die Entwicklung unseres Universums in erstaunlichen Details verfolgen. In den folgenden Äonen ist unser Kosmos so groß geworden, dass wir die andere Seite nicht mehr sehen können.
Aber wie kann das sein? Wenn die Lichtgeschwindigkeit eine kosmische Geschwindigkeitsbegrenzung markiert, wie kann es dann Regionen der Raumzeit geben, deren Photonen für immer außerhalb unserer Reichweite sind? Und selbst wenn ja, woher wissen wir, dass sie überhaupt existieren?
Das expandierende Universum
Wie alles andere in der Physik strebt unser Universum danach, in einem möglichst niedrigen Energiezustand zu existieren. Aber gegen 10-36 Sekunden nach dem Urknall glauben inflationäre Kosmologen, dass sich der Kosmos stattdessen auf einer „falschen Vakuumenergie“ befand - einem Tiefpunkt, der nicht wirklich ein Tiefpunkt war. Es wird angenommen, dass das Universum auf der Suche nach dem wahren Nadir der Vakuumenergie in einem Bruchteil eines Augenblicks um den Faktor 10 in die Höhe geschossen ist50.
Seit dieser Zeit hat sich unser Universum weiter ausgedehnt, aber in einem viel langsameren Tempo. Wir sehen Hinweise auf diese Ausdehnung im Licht entfernter Objekte. Während sich von einem Stern oder einer Galaxie emittierte Photonen über das Universum ausbreiten, führt die Ausdehnung des Weltraums dazu, dass sie Energie verlieren. Sobald die Photonen uns erreichen, wurden ihre Wellenlängen entsprechend der zurückgelegten Entfernung rot verschoben.
Deshalb sprechen Kosmologen von Rotverschiebung als Funktion der räumlichen und zeitlichen Distanz. Das Licht dieser entfernten Objekte hat sich so lange bewegt, dass wir, wenn wir es endlich sehen, die Objekte so sehen, wie sie vor Milliarden von Jahren waren.
Das Hubble-Volume
Rotverschobenes Licht ermöglicht es uns, Objekte wie Galaxien zu sehen, wie sie in der fernen Vergangenheit existierten. aber wir können nicht sehen alle Ereignisse, die in unserem Universum während seiner Geschichte aufgetreten sind. Da sich unser Kosmos ausdehnt, ist das Licht einiger Objekte einfach zu weit entfernt, als dass wir es jemals sehen könnten.
Die Physik dieser Grenze beruht teilweise auf einem Teil der umgebenden Raumzeit, der als Hubble-Volumen bezeichnet wird. Hier auf der Erde definieren wir das Hubble-Volumen, indem wir den sogenannten Hubble-Parameter (H) messen0), ein Wert, der die scheinbare Rezessionsgeschwindigkeit entfernter Objekte mit ihrer Rotverschiebung in Beziehung setzt. Es wurde erstmals 1929 berechnet, als Edwin Hubble entdeckte, dass sich weit entfernte Galaxien mit einer Geschwindigkeit von uns zu entfernen schienen, die proportional zur Rotverschiebung ihres Lichts war.
Teilen der Lichtgeschwindigkeit durch H.0erhalten wir das Hubble-Volumen. Diese kugelförmige Blase umschließt einen Bereich, in dem sich alle Objekte mit einer Geschwindigkeit von weniger als der Lichtgeschwindigkeit von einem zentralen Beobachter entfernen. Entsprechend bewegen sich alle Objekte außerhalb des Hubble-Volumens von der Mitte wegschneller als die Lichtgeschwindigkeit.
Ja, "schneller als die Lichtgeschwindigkeit". Wie ist das möglich?
Die Magie der Relativitätstheorie
Die Antwort hat mit dem Unterschied zwischen spezieller Relativitätstheorie und allgemeiner Relativitätstheorie zu tun. Spezielle Relativitätstheorie erfordert einen sogenannten „Trägheitsreferenzrahmen“ - einfacher einen Hintergrund. Nach dieser Theorie ist die Lichtgeschwindigkeit im Vergleich zu allen Trägheitsreferenzrahmen gleich. Egal, ob ein Beobachter still auf einer Parkbank auf dem Planeten Erde sitzt oder mit einem futuristischen Hochgeschwindigkeitsraketenschiff an Neptun vorbeizoomt, die Lichtgeschwindigkeit ist immer gleich. Ein Photon bewegt sich immer mit 300.000.000 Metern pro Sekunde vom Betrachter weg, und er oder sie wird niemals aufholen.
Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt jedoch das Gewebe der Raumzeit selbst. In dieser Theorie gibt es keinen Trägheitsreferenzrahmen. Die Raumzeit dehnt sich in Bezug auf nichts außerhalb von sich selbst aus, daher gilt die Lichtgeschwindigkeit als Begrenzung ihrer Geschwindigkeit nicht. Ja, Galaxien außerhalb unserer Hubble-Kugel ziehen sich schneller von uns zurück als die Lichtgeschwindigkeit. Aber die Galaxien selbst brechen keine kosmischen Geschwindigkeitsbegrenzungen. Für einen Beobachter in einer dieser Galaxien verletzt nichts die spezielle Relativitätstheorie. Es ist der Raum zwischen uns und diesen Galaxien, der sich schnell vermehrt und exponentiell ausdehnt.
Das beobachtbare Universum
Nun zur nächsten Bombe: Das Hubble-Volumen ist nicht dasselbe wie das beobachtbare Universum.
Um dies zu verstehen, bedenken Sie, dass entferntes Licht mit zunehmendem Alter des Universums mehr Zeit hat, um unsere Detektoren hier auf der Erde zu erreichen. Wir können Objekte sehen, die über unser aktuelles Hubble-Volumen hinaus beschleunigt wurden, weil das Licht, das wir heute sehen, emittiert wurde, als sie sich darin befanden.
Genau genommen fällt unser beobachtbares Universum mit etwas zusammen, das man das nennt Teilchenhorizont. Der Teilchenhorizont markiert die Entfernung zum entferntesten Licht, das wir zu diesem Zeitpunkt möglicherweise sehen können - Photonen, die genug Zeit hatten, um entweder in unserer sich sanft ausdehnenden Hubble-Kugel zu bleiben oder diese einzuholen.
Und wie groß ist diese Entfernung? Etwas mehr als 46 Milliarden Lichtjahre in alle Richtungen - was unserem beobachtbaren Universum einen Durchmesser von ungefähr 93 Milliarden Lichtjahren oder mehr als 500 Milliarden Billionen Meilen verleiht.
(Ein kurzer Hinweis: Der Partikelhorizont ist nicht dasselbe wie der kosmologischer Ereignishorizont. Der Partikelhorizont umfasst alle Ereignisse in der Vergangenheit, die wir derzeit sehen können. Der kosmologische Ereignishorizont definiert andererseits eine Entfernung, innerhalb derer ein zukünftiger Beobachter das damals uralte Licht sehen kann, das unsere kleine Ecke der Raumzeit heute aussendet.
Mit anderen Worten, der Teilchenhorizont befasst sich mit der Entfernung zu vergangenen Objekten, deren uraltes Licht wir heute sehen können; Der kosmologische Ereignishorizont befasst sich mit der Entfernung, die unser heutiges Licht zurücklegen kann, wenn weit entfernte Regionen des Universums von uns weg beschleunigen.)
Dunkle Energie
Dank der Expansion des Universums gibt es Regionen des Kosmos, die wir niemals sehen werden, selbst wenn wir unendlich lange warten könnten, bis ihr Licht uns erreicht. Aber was ist mit diesen Bereichen, die außerhalb der Reichweite unseres heutigen Hubble-Bandes liegen? Wenn sich diese Kugel ebenfalls ausdehnt, werden wir jemals diese Grenzobjekte sehen können?
Dies hängt davon ab, welche Region sich schneller ausdehnt - das Hubble-Volumen oder die Teile des Universums direkt außerhalb. Und die Antwort auf diese Frage hängt von zwei Dingen ab: 1) ob H.0 nimmt zu oder ab und 2) ob das Universum beschleunigt oder verlangsamt. Diese beiden Raten sind eng miteinander verbunden, aber sie sind nicht gleich.
Tatsächlich glauben Kosmologen, dass wir tatsächlich zu einer Zeit leben, in der H.0 wird weniger; aber aufgrund der dunklen Energie nimmt die Geschwindigkeit der Expansion des Universums zu.
Das klingt vielleicht nicht intuitiv, aber solange H.0 nimmt langsamer ab Bewertung Als die Expansionsgeschwindigkeit des Universums zunimmt, erfolgt die Gesamtbewegung der Galaxien von uns weg immer noch mit beschleunigtem Tempo. Und zu diesem Zeitpunkt glauben Kosmologen, dass die Expansion des Universums das bescheidenere Wachstum des Hubble-Volumens übertreffen wird.
Obwohl sich unser Hubble-Volumen erweitert, scheint der Einfluss der Dunklen Energie dem immer größer werdenden beobachtbaren Universum eine harte Grenze zu geben.
Unsere irdischen Grenzen
Kosmologen scheinen tiefe Fragen wie das, wie unser beobachtbares Universum eines Tages aussehen wird und wie sich die Expansion des Kosmos ändern wird, gut im Griff zu haben. Letztendlich können Wissenschaftler die Antworten auf Fragen zur Zukunft jedoch nur auf der Grundlage ihres heutigen Verständnisses des Universums theoretisieren. Kosmologische Zeitskalen sind so unvorstellbar lang, dass es unmöglich ist, viel Konkretes darüber zu sagen, wie sich das Universum in Zukunft verhalten wird. Die heutigen Modelle passen bemerkenswert gut zu den aktuellen Daten, aber die Wahrheit ist, dass keiner von uns lange genug leben wird, um zu sehen, ob die Vorhersagen wirklich mit allen Ergebnissen übereinstimmen.
Enttäuschend? Sicher. Aber es lohnt sich auf jeden Fall, unserem kümmerlichen Gehirn dabei zu helfen, eine solche Wissenschaft zu betrachten, die den Verstand verblüfft - eine Realität, die wie üblich einfach seltsamer ist als Fiktion.
