Astronomie

Mit welcher Geschwindigkeit dehnt sich das beobachtbare Universum aus?

Mit welcher Geschwindigkeit dehnt sich das beobachtbare Universum aus?


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Das beobachtbare Universum ist $4,4 mal 10^{26} m $ in jede Richtung. Ich erzählte das meiner Tochter und fügte dann hinzu: "Und wissen Sie was? Heute ist es etwas größer als gestern."

"Beeindruckend!"

Aber um wie viel? Mein erster Gedanke wäre: ein Lichttag, in jede Richtung. Aber das kann nicht stimmen. Die Grenze entfernt sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit.

Gestern beendete ein einsames Photon seine 13,8-Milliarden-jährige Reise mit dem Zusammenbruch seiner Wellenfunktion (oder was auch immer, fangen wir nicht damit an) auf einem Felsen, der einen kleineren Stern in Richtung des Randes einer Spiralgalaxie in einer relativ spärlichen Region umkreist das Universum.

Heute ereilte ein weiteres Photon ein ähnliches Schicksal.

Wie viel weiter entfernt war das 2. Photon, als es seine Wanderung begann?


Wie schnell wächst das beobachtbare Universum?

Das beobachtbare Universum ist $r = 46,3,mathrm{Glyr}$ (Milliarden Lichtjahre) im Radius, also entfernen sich Galaxien in dieser Entfernung nach dem Hubble-Gesetz von uns mit einer Geschwindigkeit $$ v_mathrm{rec} = H_0,r = 9,6 imes10^5,mathrm{km},mathrm{s}^{-1}, $$ oder $3.2$ mal die Lichtgeschwindigkeit, $c$.

Gleichzeitig wird Licht aus immer größer werdenden Entfernungen die Zeit gehabt haben, uns zu erreichen. Da sich Licht mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, fügt dies dem Rand des beobachtbaren Universums einen weiteren Faktor hinzu. Das heißt, seine Entfernung geht zurück bei $v_mathrm{rec}+c = 4,2c$.

Daher ist der Radius des beobachtbaren Universums heute $$ egin{array}{rcl} dr & = & (v_mathrm{rec} + c),dt & simeq & 4.2,mathrm{Licht ext{-}Tage} & simeq & 10^{11},mathrm{km} & simeq & 730,mathrm{AU} end{array} $$ größer als gestern ($dt=1,mathrm{Tag}$).

Aber denken Sie daran, dass der größte Teil dieses Wachstums nicht bedeutet, dass unser beobachtbares Universum mehr Galaxien umfasst; nur dass sie weiter auseinander liegen.

Wie weit sind zwei Photonen auseinander emittiert, wenn sie einen Tag auseinander ankommen?

In Wirklichkeit sehen wir keine Photonen vom Urknall. Die ältesten Photonen, die wir entdecken können, stammen aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund, aber der Mensch sieht sie nicht. Aber um der Argumentation willen, betrachten Sie zwei Photonen, die beide direkt nach der kosmischen Inflation emittiert werden, aber in leicht unterschiedlichen Abständen von dem Ort, an dem Sie einmal stehen werden.

Die Inflation beenden, als das Universum noch war $tsim10^{-32},mathrm{s}$ alt, und das Universum hat sich um den Faktor erweitert $a^{-1} simeq 2.3 imes10^{26}$ seit damals. Daher war das, was wir heute das beobachtbare Universum nennen, am Ende der Inflation nur $$ r_mathrm{dann} = arsimeq10,mathrm{m}. $$

Das heißt, das Photon, das Sie gestern gesehen haben, wurde vor 13,8 Gyr emittiert, nur 10 Meter von Ihnen entfernt.

Um die Entfernung zu ermitteln, in der das Photon, das Sie heute sehen, emittiert wurde, können wir den Bruchteil der Entfernung zwischen den beiden Regionen berechnen, die die Photonen emittieren - aber jetzt sollten wir nicht verwenden körperlich Koordinaten, aber stattdessen mitbewegen Koordinaten, da der Teil der zusätzlichen Entfernung, der auf die Ausdehnung zurückzuführen ist, nicht berücksichtigt werden sollte. In sich bewegenden Koordinaten vergrößert sich das beobachtbare Universum um $r_mathrm{com} =$ ein Lichttag pro Tag oder ein Bruchteil $dr_ extrm{com}/r_ extrm{com} = dr_ extrm{com} / r = 6 imes10^{-14}$.

Mit anderen Worten, der Bereich, der das Photon #2 emittiert, ist und war immer ein Bruchteil $6 imes10^{-14}$ weiter entfernt als der Bereich, der das Photon #1 emittiert. Wenn Region 1 10 Meter entfernt war, war Region 2 2 $$ egin{array}{rcl} frac{dr_mathrm{com}}{r_mathrm{com}} imes 10,mathrm{m} & simeq & 6 imes10^{-11} ,mathrm{cm} & simeq & 0,6,mathrm{Pikometer}. end{array} $$

(Ich habe ursprünglich vergessen, kommende Koordinaten zu berechnen, was zu einem etwas zu großen Wert führte.)

Ein Hinweis zu den Berechnungen

In den obigen Berechnungen habe ich kosmologische Parameterdaten von Planck Collaboration et al. (2016), weil diese in Pythons implementiert sindAstropieModul. Die neueren Daten von Planck Collaboration et al. (2018) würde das Ergebnis nur wenig verändern. Wenn statt $10^{-32},mathrm{s}$ du vermutest $10^{-33},mathrm{s}$ für das Ende der Inflation, wie einige Modelle vorhersagen, würden Sie am Ende der Inflation ein etwas kleineres Universum erhalten (ein Faktor $sqrt{10^{-32}/10^{-33}}simeq3$).


Wie schnell expandiert das Universum? Das Geheimnis bleibt

2012 von Chile aus beobachtete Spiralgalaxie NGC 1365 – eine neue Methode misst, wie sich das beschleunigte Wachstum des Universums messen lässt

Wissenschaftler wissen seit Jahrzehnten, dass sich das Universum ausdehnt, aber die Forschung in den letzten Jahren hat die Berechnungen zur Wachstumsgeschwindigkeit durcheinandergebracht und knifflige Fragen zu Theorien des Kosmos aufgeworfen.

Die Expansionsrate - bekannt als "Hubble-Konstante" - ist ein zentraler Bestandteil der Suche nach den Ursprüngen des Universums, wobei Astrophysiker glauben, dass sie der genauen Geschwindigkeit immer näher kommen.

Im Jahr 1998 fanden zwei Forscherteams heraus, dass sich die Expansionsrate mit der Entfernung beschleunigte und dass das Universum mit mysteriöser „dunkler Energie“ gefüllt war, die die Beschleunigung 14 Milliarden Jahre lang verursachte – was ihnen 2011 den Nobelpreis einbrachte.

Die Maßeinheit für die Hubble-Konstante ist Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec – das sind drei Millionen Lichtjahre.

Nach zwei verschiedenen Methoden beträgt die Expansionsrate entweder 67,4 oder 73.

Jetzt hat eine Studie von Forschern des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Deutschland und anderen Universitäten eine neue Methode beschrieben, um das beschleunigte Wachstum des Universums zu messen.

Es legt die Expansionsrate auf 82,4 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec fest, höher als frühere Berechnungen – obwohl es eine Fehlerquote von 10 Prozent zulässt, was bedeutet, dass es 74 oder sogar 90 betragen könnte.

Wissenschaftler sagen, dass die Unterschiede zwischen den verschiedenen Methoden keine Fehleinschätzungen sind, sondern Anzeichen von "Spannungen" im Verständnis der Erklärung des Kosmos durch die Urknalltheorie sein könnten.

Eine Animation der Variabilität von B1608+656 in Radiobeobachtungen. Das obere Feld zeigt vier Linsenbilder eines Hintergrundquasars und das untere Feld zeigt die Lichtkurven der vier Bilder. Kredit: S. H. Suyu, C. D. Fassnacht, NRAO/AUI/NSF

"Im frühen Universum gibt es unbekannte Physik, die wir studieren müssen, wenn die Spannung real ist", sagte Inh Jee, Kosmologin am Max-Plank-Institut und Co-Autorin der Studie, die am Donnerstag im US-Journal veröffentlicht wurde Wissenschaft.

"Wir wollten eine andere Möglichkeit haben, um zu überprüfen, ob der Unterschied zwischen den Messungen echt ist", sagte sie gegenüber AFP.

Die Urknalltheorie geht davon aus, dass das Universum in einer katastrophalen Explosion begann und sich seitdem ausdehnt.

Die verschiedenen Messmethoden bedeuten, dass Galaxien in drei Millionen Lichtjahren Entfernung (ein Megaparsec) entweder um 67, 73 oder vielleicht 82 Kilometer pro Sekunde zurückweichen würden.

Die neue Berechnung basiert darauf, wie sich Licht um große Galaxien biegt.

Jee sagte, dass die große Fehlerquote der Studie nicht helfen kann, die Hubble-Konstante zu verfeinern, aber dass ihre Methode zur Debatte darüber beiträgt, ob es grundlegende Probleme in der kosmologischen Theorie gibt.

Adam Riess, einer der Nobelpreisträger von 2011, teilte AFP per E-Mail mit, dass die Ergebnisse der Studie vom Donnerstag nicht präzise genug seien, um die anhaltende Kontroverse zu lösen.

„Ich glaube nicht, dass dies zum gegenwärtigen Stand der Dinge viel beiträgt. Trotzdem ist es schön zu sehen, dass die Leute nach alternativen Methoden suchen, also Requisiten (Respekt) dafür“, sagte er.


Mit welcher Geschwindigkeit dehnt sich das beobachtbare Universum aus? - Astronomie

Was ist die Masse des Universums? Wie können Sie auch beweisen, dass dies die wahre Masse des Universums ist?

Da niemand die Größe des Universums kennt, kann man nicht wirklich über die Masse des Universums sprechen, wohl aber über die Masse des beobachtbaren Universums. Was normalerweise gesucht wird, ist die Dichte der Materie im Universum (das ist die Masse pro Volumeneinheit). Dies ist wichtig, um das Schicksal des Universums zu bestimmen: ob es eines Tages zusammenbricht oder ob es sich für immer ausdehnt.

Die Dichte der Materie im Universum kann mit verschiedenen Mitteln gemessen werden, die an dieser Stelle zu technisch sind: Menschen messen die Dichte, indem sie die Fluktuationen im kosmischen Mikrowellenhintergrund, Superhaufen, Urknall-Nukleosynthese usw.

Nach diesen Studien beträgt die Dichte der Materie im Universum etwa 3 x 10 -30 g/cm 3 , was bedeutet, dass es 300 Milliarden Milliarden Milliarden Mal weniger dicht ist als Wasser. Beachten Sie, dass dies den Beitrag der Dunklen Materie einschließt und daher die Dichte der leuchtenden Materie (die wir als Sterne und Galaxien sehen) nur etwa ein Zehntel der oben angegebenen Zahl beträgt.

Die Größe des beobachtbaren Universums beträgt ungefähr 14 Milliarden Lichtjahre, und wenn Sie den obigen Dichtewert verwenden, erhalten Sie eine Masse (dunkle und leuchtende Materie) von ungefähr 3 x 10 55 g, was ungefähr 25 Milliarden Galaxien der Größe des entspricht Milchstraße.

Diese Seite wurde zuletzt am 27.06.2015 aktualisiert.

Über den Autor

Jagadheep D. Pandian

Jagadheep hat einen neuen Empfänger für das Arecibo-Radioteleskop gebaut, der zwischen 6 und 8 GHz arbeitet. Er untersucht 6,7 GHz Methanol-Maser in unserer Galaxie. Diese Maser treten an Orten auf, an denen massereiche Sterne geboren werden. Er promovierte im Januar 2007 bei Cornell und war Postdoc am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Deutschland. Danach arbeitete er als Submillimeter Postdoctoral Fellow am Institut für Astronomie der University of Hawaii. Jagadheep ist derzeit am Indian Institute of Space Science and Technology.


Was bedeutet das sich ausdehnende Universum?

Um 1920 untersucht Edwin Hubble das Spektrum der Galaxien und stellte fest, dass sie eine Rotverschiebung zeigten.

Erläuterung:

Das bedeutet, dass sie weggingen und je weiter sie weg waren, desto schneller wuchsen sie. Jetzt ist bekannt, dass dies auf den Urknall zurückzuführen ist, der vor etwa 13,82 Milliarden Jahren stattfand. Das Universum dehnt sich aus und der Raum zwischen den Galaxien nimmt zu ..Aber die lokale Schwerkraft hält lokale Systeme davon ab, sich auszudehnen. Das Sonnensystem expandiert also nicht.
Jüngste Studien zeigen, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt, sondern sich beschleunigt, und die Vernunft kann dunkle Energie sein.

die zunehmende Expansionsrate des Universums bedeutet, dass unser gegenwärtiges beobachtbares Universum nicht ewig ist. noch selbst existent.

Erläuterung:

Vor Hubbles Beobachtungen der Rotverschiebung im Jahr 1920 glaubten fast alle Wissenschaftler an die Steady-State-Theorie des Universums. Die Rotverschiebung führte zur Urknalltheorie und der Erkenntnis, dass das Universum nicht statisch war, sondern sich veränderte. Die Rotverschiebung erkaufte die Erkenntnis, dass das gegenwärtige Universum einen Anfang hatte.

Vor 1990 und den Beobachtungen von Supernovae, die empirische Beweise dafür lieferten, dass die Expansionsrate des Universums zunahm, akzeptierten die meisten Wissenschaftler die Theorie eines oszillierenden Universums. Die Vorstellung, dass Materie und Energie ewig zwischen einer Periode der Expansion ( Big Bangs) und Perioden der Kontraktion ( Big Crush ) oszillieren
Der Beweis einer zunehmenden Expansionsrate brachte die Erkenntnis, dass das gegenwärtige Universum ein Ende haben wird.

Das expandierende Universum bedeutet, dass Materie und Energie weder ewig noch selbstexistent sind. Das gegenwärtige beobachtbare Universum hatte einen Anfang und das gegenwärtige beobachtbare Universum wird ein Ende haben. Das bedeutet, dass das Universum ein offenes System ist und neben dem beobachtbaren Universum noch etwas existieren muss. Dies schafft ein großes Problem für die Philosophie des materiellen Realismus, dass Materie und Energie alles sind, was existieren kann.


Mit welcher Geschwindigkeit dehnt sich das beobachtbare Universum aus? - Astronomie

Das Folgende ist eine Antwort auf eine Frage zur Größe und Ausdehnung des Universums. Wenn es die Zeit erlaubt, werde ich seine Struktur ändern, sodass es zu einer eigenständigen Diskussion wird, aber vorerst wird es so präsentiert, wie es ist. Der Grund für diesen Beitrag ist, abgesehen von seinem allgemeinen Interesse, dass einige der hier behandelten Themen selbst von Astronomen nicht immer korrekt dargestellt werden (das war tatsächlich der Punkt eines interessanten Artikels in Scientific American vor einigen Jahren).

Frage
Wie groß ist das Universum (in Lichtjahren)? Dehnt sich die Größe des Universums aus und wenn ja, mit welcher Geschwindigkeit? Wird es so weitermachen oder wird es irgendwann aufhören und dann anfangen sich zu schrumpfen?

Antworten
Die Beantwortung Ihrer Frage ist mit einigen Komplikationen verbunden, daher ist eine einfache Antwort nicht unbedingt richtig, und eine richtige Antwort kann komplizierter sein, als Sie möchten. Ich fange also mit einfachen Aussagen an und erweitere sie.
(1) Die Größe des Universums ist nicht bekannt, aber es wird angenommen, dass es Hunderte oder Tausende Mal größer ist als die Größe des "beobachtbaren" Universums, das ist der Teil, der klein genug ist, um Licht von "dort" zu bekommen. bis hierhin. Der Radius des beobachtbaren Universums in Lichtjahren wird daher als gleich seinem Alter in Jahren oder etwas weniger als 14 Milliarden angesehen.
(2) Sowohl das Gesamtuniversum als auch das beobachtbare Universum expandieren. Das beobachtbare Universum dehnt sich mit einem Lichtjahr pro Jahr aus, weil wir jedes Jahr so ​​viel weiter sehen können. Das gesamte Universum dehnt sich viel schneller aus, je nachdem, wie viel größer es ist.
(3) Die lokale Expansionsrate des Universums ist jetzt ungefähr konstant, bei etwa einem Lichtjahr Expansion für jedes Lichtjahr Entfernung über einen Zeitraum von etwa 10 Milliarden Jahren und sollte für den Rest der Ewigkeit nahe diesem Wert bleiben. Das Universum wird sich also für immer ausdehnen.
(4) Obwohl die Expansionsrate des beobachtbaren Universums konstant bei einem Lichtjahr pro Jahr ist und die lokale Expansionsrate bei einem Lichtjahr Expansion pro Lichtjahr Entfernung pro 10 Milliarden Jahre mehr oder weniger konstant ist, ist die Rate bei welche einzelnen Objekte sich von uns entfernen, beschleunigt sich, weil sie sich weiter von uns entfernen. Ein Objekt, das jetzt 200 Millionen Lichtjahre entfernt ist, entfernt sich mit etwa 200 Millionen Lichtjahren pro 10 Milliarden Jahre von uns. Aber in 10 Milliarden Jahren wird es 400 Millionen Lichtjahre entfernt sein, und da es doppelt so weit entfernt ist wie jetzt, wird es sich doppelt so schnell von uns entfernen. Mit anderen Worten, die lokale Expansionsrate ist konstant, aber entfernte Objekte bewegen sich über sehr lange Zeiträume immer schneller von uns weg.
(5) Die Diskussion in (4) gilt nur für weit entfernte Dinge. Dinge, die weniger als einige zehn Millionen Lichtjahre entfernt sind (wie der lokale Superhaufen) sind gravitativ gebunden und bewegen sich nicht von uns weg. Sie werden immer ungefähr so ​​weit von uns entfernt sein, wie sie es jetzt sind. Aber in sehr ferner Zukunft werden alle Dinge jenseits dieser "nahen" Region unvorstellbar weit entfernt sein, wobei sich der Raum zwischen uns und ihnen insgesamt schneller als Lichtgeschwindigkeit ausdehnt, und das beobachtbare Universum wird, obwohl viel größer als jetzt, sein komplett leer, abgesehen von der gravitativ gebundenen Region in unserer Nähe.
(6) Wenn wir sagen, dass das beobachtbare Universum einen Radius in Lichtjahren hat, der seinem Alter in Jahren entspricht, basiert das auf der Idee, dass das Licht so lange gereist sein muss, um hierher zu kommen. Aber da sich das Universum während der Ausbreitung des Lichts ausdehnte, ist die Entfernung, die es zurücklegen musste, größer als die Entfernung zwischen uns und seiner Quelle zum Zeitpunkt der Lichtemission. Die am weitesten entfernten beobachtbaren Regionen waren also nur etwa die Hälfte der in (1) angegebenen Entfernung von 14 Milliarden Jahren, als das Licht, das wir jetzt sehen, sie verließ.
(7) Als Folgerung zu (6) befinden sich die Objekte, die wir jetzt am "Rand" des beobachtbaren Universums beobachten, jetzt weit über der 14-Milliarden-Jahres-Entfernung und entfernen sich mit mehr als Lichtgeschwindigkeit von uns, und wir werden das Licht, das sie jetzt aussenden, nie sehen, weil sich der Raum zwischen uns und ihnen schneller ausdehnt, als Licht durch ihn hindurch wandern kann. Aus diesem Grund scheint in (5) der Inhalt des beobachtbaren Universums mit der Zeit zu schrumpfen, obwohl seine Größe zunimmt.
(8) Beachten Sie, dass bei jeder Diskussion über die Überlicht-Expansion die Lichtgeschwindigkeitsbegrenzung nicht verletzt wird. Das gilt nur für die Bewegung von Licht oder physischen Objekten durch den "lokalen" Raum. Es gibt keine Begrenzung dafür, wie schnell sich der leere Raum zwischen entfernten Objekten und uns ausdehnen kann, es hängt nur davon ab, wie weit sie entfernt sind und wie schnell sie sich lokal ausdehnen. Letztere ist konstant, aber wie in (4) erwähnt, nimmt die erstere mit einer Beschleunigungsrate zu.
(9) Schließlich muss für den Moment alles Obige für Regionen modifiziert werden, die sich so schnell von uns entfernen, dass sie eine Expansionsgeschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit haben, und für Regionen, die näher als diese sind, leicht modifiziert. Solche fernen Regionen werden durch ihre schnelle Bewegung von uns weg "verkürzt", so dass die tatsächliche Entfernung zwischen einem Teil des sehr weit entfernten beobachtbaren Universums und einem noch weiter entfernten Teil größer ist als ihr von uns gemessener Abstand.

Als Beispiel dafür, wie Korrekturen für die Expansion des Universums unsere Wahrnehmung der Dinge verändern, betrachten wir den Quasar 2QZ J000827.4-295423 (so genannt, weil seine J2000-Position RA 00 08 27.4, Dez -27 54 23 ist). Wie im verlinkten Eintrag vermerkt, basierend auf einer Rotverschiebung von z = 2,061, 2QZ J000827.4-295423 war ungefähr 5765 Millionen Lichtjahre entfernt, als das Licht, durch das wir es sehen, es vor 10570 Millionen Jahren verließ. Während dieser Zeit dehnte sich der Raum zwischen uns und der ursprünglichen Position des Quasars um etwa 4800 Millionen Lichtjahre aus, was zu einer Verzögerung von 4800 Millionen Jahren bei der Ankunft des Lichts führte. Während der 10570 Millionen Jahre, die sein Licht brauchte, um uns zu erreichen, trug die Ausdehnung des dazwischenliegenden Raums den Quasar in noch größere Entfernungen, und er ist jetzt etwa 17650 Millionen Lichtjahre entfernt. Infolgedessen dehnt sich der Raum zwischen uns und dem Quasar mit einer kumulativen Geschwindigkeit aus, die weit über der Lichtgeschwindigkeit liegt, und jegliche Strahlung, die jetzt von ihm emittiert wird, wird uns nie erreichen, also obwohl wir ihn gleichzeitig sehen (vor 10570 Millionen Jahren) ), als es noch Teil des "beobachtbaren" Universums war, hat es sich nun außerhalb dieser Region bewegt.


Was ist das Hubblesche Gesetz?

Das Hubble-Gesetz ist eine der wichtigsten Entdeckungen in der Astronomie. Es zeigt, dass Objekte, die 10 Megaparsec oder mehr von der Erde entfernt sind, eine Rotverschiebung aufweisen oder sich von der Erde entfernen. Tatsächlich ist es umso rotverschobener, je weiter das Objekt von der Erde entfernt ist. "Was bedeutet das?" Sie können fragen. Das bedeutet, dass sich das Universum tatsächlich ausdehnt! Diese Beziehung wird durch die Hubble-Konstante demonstriert, die schätzt, dass sich der Weltraum mit ungefähr 70 km/s/Mpc ausdehnt. Dies kann zu einigen faszinierenden Gedanken führen - da der Radius des beobachtbaren Universums ungefähr 14250 Megaparsec beträgt, entfernen sich Objekte am äußersten Rand des beobachtbaren Universums mit mehr als der dreifachen Lichtgeschwindigkeit von der Erde.

Um das Hubble-Gesetz besser zu verstehen, geben Sie unten die Entfernung (in Mpc) eines Himmelsobjekts von der Erde ein und klicken Sie auf Berechnen.
(Hinweis: Aus Lernzwecken und der Einfachheit halber geht dieser Rechner davon aus, dass Himmelsobjekte relativ zur Erde stationär sind. Beispiel: Die Andromeda-Galaxie rast mit 110 km/s auf die Milchstraße zu, dieser Rechner geht jedoch davon aus, dass sie stationär ist.)

Einige bemerkenswerte Objekte:
Zentrum der Milchstraße: 0,008 Mpc
Andromeda-Galaxie: 0,774 Mpc
Messier 87 (wo das erste Schwarze Loch abgebildet wurde) 16.392 Mpc
Rand des beobachtbaren Universums: 14250 Mpc

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Mit welcher Geschwindigkeit dehnt sich das beobachtbare Universum aus? - Astronomie

Mein aufgeweckter Teenager-Sohn ist nach beträchtlicher Berechnung zu dem Schluss gekommen, dass das Universum ungefähr 162 Sextillionen Meilen breit ist. Er stützte seine Berechnung auf die grundlegende Lichtgeschwindigkeit von 186 km/s x dem geschätzten Alter des Universums von 13,8 Milliarden Jahren. Als ich darauf hinwies, dass 13,8 Milliarden Jahre Expansion nicht dasselbe sind wie 13,8 Milliarden LICHT-Jahre Expansion, behauptete er, dass ich mich in diesem Punkt grundlegend geirrt habe. Es macht mir nichts aus, Fehler zu machen, aber machen Sie sich Sorgen, dass einer von uns jetzt eindeutig in seinem Grundverständnis verloren gegangen ist. Wenn ich es bin, stell mich bitte richtig!

Aus der aktuellen Expansionsrate des Universums schließen Astronomen, dass das Alter der beobachtbar Das Universum ist etwa 13,8 Milliarden Jahre alt. Mit anderen Worten, wenn wir annehmen, dass sich das Universum seit dem Urknall mit konstanter Geschwindigkeit ausdehnt, dann sagt uns die Expansionsgeschwindigkeit, wie weit die Expansion in der Zeit zurückliegt, was wir als den Beginn des Universums betrachten. Wenn das Universum 13,8 Milliarden Jahre alt ist, dann hat das Licht 13,8 Milliarden Jahre Zeit, um sich auszubreiten, und daher sind die Aussagen "13,8 Milliarden Jahre alt" und "13,8 Milliarden Lichtjahre auseinander" völlig äquivalent.

Der Fang geht von Lichtjahren bis zu Meilen. Im lokalen Universum kennen wir die Umrechnung, da wir praktisch in einem lokal flachen, räumlich "euklidischen" Universum leben ("euklidisch" bedeutet nur, dass sich die drei Winkel eines Dreiecks auf einer Oberfläche zu 180 Grad addieren, das ist gilt für ein Blatt Papier (das flach ist), aber nicht auf der Oberfläche einer Kugel oder eines Sattels (die beide gekrümmt sind)). Bei großen Entfernungen müssen wir jedoch die 4-dimensionale Krümmung des Universums berücksichtigen. Im Wesentlichen hat Ihr Sohn einen genauen "Radius" für das beobachtbare Universum berechnet, vorausgesetzt, das Universum ist flach (eine Art 4-dimensionales Blatt in der Raumzeit, in dem sich Licht in geraden Linien ausbreitet) und dass die Expansionsrate des Universums ist konstant geblieben.

Heute denken wir, dass die Hälfte der Annahmen Ihres Sohnes richtig sind. Beobachtungen zeigen, dass das Universum entweder flach oder so groß ist, dass die Krümmung vernachlässigbar ist. Es gibt jedoch neuere Beweise dafür, dass die Expansionsrate des Universums mit der Zeit zunimmt, dh Galaxien entfernen sich heute *schneller* voneinander als in der Vergangenheit. Das bedeutet, dass das beobachtbare Universum *mehr* als 13,8 Milliarden Jahre alt ist. Es bedeutet auch, dass die Energiedichte des Universums derzeit von "dunkler Energie" dominiert wird, einer Substanz mit "negativer Masse", die das Universum auseinander drückt, anstatt es zusammenzuziehen, wie es normale Materie tut (klingt wie Science-Fiction? Ist es immer noch , zum größten Teil, da Wissenschaftler noch keine Ahnung haben, was dunkle Energie ist. ). Das Vorhandensein dunkler Energie beeinflusst auch die Krümmung des Universums in der Vergangenheit, die dann die Umrechnung von Lichtjahren in Meilen aufhebt. Dies ist vielleicht der beste Grund, warum Kosmologen die Verwendung tatsächlicher Entfernungen ganz vermeiden, es sei denn, sie versuchen, genau herauszufinden, was dieser Umrechnungsfaktor ist.

Nach 13,8 Milliarden Jahren Expansion ist das Universum 13,8 oder 27,2 Milliarden Jahre "breit". Mein Sohn behauptet, dass die Gesamtdimension = die Zeit der Expansion, weil die Ausdehnung eher eine des Raums als der Materie ist. Diese Logik entgeht mir. Wenn es sich "ausdehnt", tut es dies sicherlich in alle Richtungen gleichzeitig und gibt damit meiner (zugegebenermaßen fehlbaren) Logik die Notwendigkeit nach, dass sich seine "äußersten Grenzen" diametral voneinander entfernen. D.h. zwei Jahre getrennt in einem Jahr Expansion. Verwechsle ich hier Zeit und Entfernung?

Beachten Sie, dass ich in den obigen Absätzen darauf geachtet habe, den Begriff "beobachtbares Universum" anstelle von Universum zu verwenden. Das Universum selbst oder die maximale Menge an Raum, die wir schließlich in einer unendlichen Zeit sehen können, kann durchaus unendlich sein. Wenn wir eine Größe des Universums angeben, folgern wir, wie weit wir in eine Richtung sehen können (13,8 Milliarden Lichtjahre) und wie weit wir in die andere Richtung sehen können (13,8 Milliarden Lichtjahre) und addieren die beiden, um eine Größe zu erhalten (27,2 .). Milliarden Lichtjahre). Ein Alter von 13,8 Milliarden Lichtjahren in jede Richtung lässt uns daher folgern, dass wir uns im Zentrum einer Kugel mit einem Radius von 13,8 Milliarden Lichtjahren befinden und somit das Universum 27,2 Milliarden Lichtjahre „im Durchmesser“ hat. Der Trick besteht jedoch darin, dass das Universum homogen und isotrop ist. jeder Der Beobachter muss eine Größe des Universums von 27,2 Milliarden Lichtjahren messen. sogar solche, die sich am "Rand" unseres beobachtbaren Universums befinden! Dies bedeutet, dass entweder das Universum so stark gekrümmt ist, dass sich der Raum auf sich selbst verdoppelt (wie auf einer Kugeloberfläche), oder dass das tatsächliche Universum viel größer ist als das beobachtbare. Wir gehen derzeit davon aus, dass die letztere Möglichkeit der Fall ist.

Diese Seite wurde zuletzt am 18. Juli 2015 aktualisiert.

Über den Autor

Kristine Spekkens

Kristine studiert die Dynamik von Galaxien und was sie uns über die Dunkle Materie im Universum lehren können. Sie promovierte im August 2005 an Cornell, war von 2005 bis 2008 Jansky-Postdoktorandin an der Rutgers University und ist heute Fakultätsmitglied am Royal Military College of Canada und an der Queen's University.


Hier herrscht viel Verwirrung, was nicht verwunderlich ist, wenn man bedenkt, dass einige Dinge im Gange sind.

Die physikalischen Entfernungen im Universum z.B. zwischen Galaxien - gemessen in Metern, Meilen, Parsec oder anderen von Ihnen bevorzugten Einheiten - wird weiter zunehmen, da sich das Universum weiter ausdehnen wird. Tatsächlich werden die physikalischen Entfernungen zunehmen, wenn das Universum vollständig von dunkler Energie dominiert wird (bald - in einigen Dutzend Milliarden Jahren). exponentiell in der Zeit, $d_Ppropto e^$, wobei $H$ der Hubble-Parameter ist, der jetzt abnimmt (entspricht 71 km/s/Mpc heute, und sinkt), stabilisiert sich jedoch auf eine Konstante, wenn DE übernimmt. Also wird $H$ in diesem Exponenten konstant, der Abstand nimmt rein exponentiell zu.

Andererseits nimmt der Radius des beobachtbaren Teils des Universums – die in einigen anderen Beiträgen hier diskutierte „Horizontentfernung“ – langsamer zu und wird tatsächlich zum Stillstand kommen. Dies wird deutlich, wenn man sich daran erinnert, dass die Horizontentfernung proportional zu $1/H(t)$ ist. Der Hubble-Parameter $H(t)$ wird 'bald' im Wesentlichen konstant sein, ebenso wie die Horizontentfernung.

Alle Ihre bevorzugten fernen Galaxien entfernen sich also (fast) exponentiell mit der Zeit, während der Radius des beobachtbaren Universums (fast) konstant wird. Was gibt? Die Galaxien verlassen unser beobachtbares Universum (wegen dunkler Energie, denken Sie daran)! Diejenigen, die zuerst weit weg sind, die uns später näher sind. Dies ist der Ursprung der Aussage, dass nur Objekte gravitativ sind gebunden für uns - unser Sonnensystem, die Milchstraße und die Lokale Gruppe - noch einige zehn Milliarden Jahre in der Zukunft beobachtbar bleiben.


5 Fragen, die dir zu peinlich waren, um sie über das expandierende Universum zu stellen

Eine ultraferne Ansicht des Universums zeigt Galaxien, die sich mit extremen Geschwindigkeiten von uns entfernen. Bei denen. [+] Entfernungen erscheinen Galaxien zahlreicher, kleiner, weniger entwickelt und treten bei großen Rotverschiebungen im Vergleich zu denen in der Nähe zurück.

NASA, ESA, R. Windhorst und H. Yan

Wenn wir in das ferne Universum hinausblicken, sehen wir Millionen und sogar Milliarden Lichtjahre lang überall und in alle Richtungen Galaxien. Mit geschätzten zwei Billionen Galaxien, die für die Menschheit potenziell beobachtbar sind, ist die Gesamtheit dessen, was da draußen ist, großartiger und spektakulärer, als sich die meisten von uns vorstellen können. Eine der rätselhaftesten Tatsachen ist, dass von allen Galaxien, die wir je beobachtet haben, sie (im Durchschnitt) alle der gleichen Regel gehorchen: Je weiter sie von uns entfernt sind, desto schneller scheinen sie sich von uns zu entfernen. Diese Entdeckung von Edwin Hubble und seinen Mitarbeitern in den 1920er Jahren führte uns zu dem Bild des expandierenden Universums. Aber was bedeutet es, dass sich das Universum ausdehnt? Die Wissenschaft weiß es, und jetzt wirst du es auch!

Je weiter wir wegschauen, desto weiter zurück in der Zeit zu einem weniger entwickelten Universum, das wir sehen. Aber nur wenn . [+] Allgemeine Relativitätstheorie gilt und regelt ein expandierendes Universum.

Wikipedia-Benutzer Pablo Carlos Budassi

1.) In was dehnt sich das Universum aus? Dies ist eine dieser Fragen, die so vernünftig klingt, weil alles andere, was sich ausdehnt, aus Materie besteht und im Raum und in der Zeit des Universums existiert. Aber das Universum selbst einfach ist Raum und Zeit und enthält die gesamte darin vorhandene Materie und Energie. Wenn wir sagen "das Universum dehnt sich aus", meinen wir damit, dass sich der Raum selbst ausdehnt, was uns veranlasst, zu sehen, wie sich die einzelnen Galaxien und Galaxienhaufen alle voneinander entfernen. Die beste Visualisierung, die ich je gesehen habe, ist, sich eine Teigkugel mit Rosinen darin vorzustellen, die in einem Ofen backt.

Das „Rosinenbrot“-Modell des sich ausdehnenden Universums, bei dem die relativen Entfernungen mit zunehmendem Raum zunehmen. [+] (Teig) dehnt sich aus.

Der Teig ist das Gewebe des Weltraums, die Rosinen sind die gebundenen Strukturen (wie Galaxien oder Gruppen / Galaxienhaufen), und aus der Sicht jeder Rosine entfernen sich alle anderen Rosinen davon, mit den weiter entfernten Rosinen schneller weggehen. Nur im Fall des Universums gibt es keinen Ofen und keine Luft außerhalb des Teigs, es gibt nur Teig (Raum) und Rosinen (Materie).

Nicht nur, dass sich Galaxien von uns entfernen, verursacht eine Rotverschiebung, sondern die . [+] Raum zwischen uns und der Galaxie verschiebt das Licht auf seiner Reise von diesem entfernten Punkt zu unseren Augen rot.

Larry McNish vom RASC Calgary Center

2.) Woher wissen wir, dass sich das Raumgefüge ausdehnt und nicht nur Galaxien, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen? Wenn Sie sehen, dass sich Objekte in alle Richtungen von Ihnen wegbewegen, könnte dies daran liegen, dass sich der Raum zwischen Ihnen und diesen Objekten ausdehnt. Das ist eine Möglichkeit. Aber es scheint auch vernünftig, dass Sie sich in der Nähe des Zentrums einer Explosion befinden könnten, und viele Objekte sind heute einfach weiter entfernt und bewegen sich schneller, weil sie bei der Explosion mehr Energie erhalten haben. Wenn letzteres wahr wäre, gäbe es zwei Beweise, die auffallen würden:

  1. Bei großen Entfernungen und hohen Geschwindigkeiten würde es weniger Galaxien geben, da sie sich im Laufe der Zeit leichter im Weltraum ausbreiten würden.
  2. Die Rotverschiebungs-Distanz-Beziehung würde bei großen Entfernungen einer ganz besonderen Form gehorchen, die sich von dem Fall unterscheidet, in dem sich das Raumgefüge ausdehnt.

Die Unterschiede zwischen einer bewegungsbasierten Erklärung für Rotverschiebung/Abstände (gestrichelte Linie) und . [+] (feste) Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie für Entfernungen im expandierenden Universum. Definitiv stimmen nur die Vorhersagen von GR mit dem überein, was wir beobachten.

Wikimedia Commons-Benutzer Redshiftimprove

Wenn wir auf große Entfernungen schauen, stellen wir fest, dass es im weit entfernten Universum tatsächlich eine größere Dichte an Galaxien gibt als in der 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 der weniger Expansion stattgefunden hat. Wir stellen auch fest, dass die entfernten Galaxien eine Rotverschiebung und -entfernung haben, die mit dem sich ausdehnenden Gewebe des Weltraums übereinstimmen, und sehr viel nicht mit Galaxien, die sich einfach schnell von uns entfernen. Diese Frage kann die Wissenschaft auf zwei sehr unterschiedliche Weisen beantworten, und beide Antworten unterstützen ein expandierendes Universum.

Ein Diagramm der scheinbaren Expansionsrate (y-Achse) gegen die Entfernung (x-Achse) stimmt mit einem Universum überein. [+] das in der Vergangenheit schneller expandierte, aber auch heute noch expandiert. Dies ist eine moderne Version von Hubbles Originalwerk, die sich tausendfach weiter erstreckt. Note the fact that the points do not form a straight line, indicating the expansion rate's change over time.

Ned Wright, based on the latest data from Betoule et al. (2014)

3.) Has the Universe always been expanding at the same rate? We call it the Hubble constant, but it's only a constant everywhere in space, not every "when" in time. The Universe is, at this moment in time, expanding at a slower rate than it ever has in the past. When we talk about the expansion rate, it's a speed-per-unit-distance: around 70 km/s/Mpc today. (A "Mpc" is a megaparsec, or about 3,260,000 light years.) But the expansion rate is dependent on the densities of all the different things in the Universe, including matter and radiation. As the Universe expands, the matter and radiation within it become less dense, and as the matter and radiation densities drop, so does the expansion rate. The Universe was expanding faster in the past, and has been slowing down ever since the hot Big Bang. The Hubble constant is a misnomer it should be called the Hubble parameter.

The far distant fates of the Universe offer a number of possibilities, but if dark energy is truly a . [+] constant, as the data indicates, it will continue to follow the red curve.

4.) Will the Universe expand forever, or will it someday stop, or even recollapse? For generations, this was one of the holy grail questions of cosmology and astrophysics, and it could only be answered by determining both how fast the Universe was expanding and what all the different types (and amounts) of energy present within it were. We've now successfully measured how much normal matter, radiation, neutrinos, dark matter, and dark energy is present, as well as the Universe's expansion rate. Based on the laws of physics and what's happened in the past, it very much looks like the Universe will keep on expanding forever. Although this isn't a 100% certainty if something like dark energy behaves differently in the future from how it's behaved in the past and present, all our conclusions are subject to revision.

5.) Are there galaxies moving away faster than the speed of light, and isn't that forbidden? From our point of view, the space in between us and any distant point is expanding. The farther away something is, the faster it appears to recede from us. Even if the expansion rate were tiny, an object far enough away would eventually cross that threshold of any finite speed, since an expansion rate (a speed-per-distance) multiplied by a great enough distance will give you a speed as fast as you want. But this is okay in General Relativity! The law that nothing can travel faster than the speed of light only applies to an object's motion through space, not to the expansion of space itself. In reality, the galaxies themselves only move around at speeds that are hundreds or thousands of km/s, much lower than the 300,000 km/s speed limit set by the speed of light. It's the expansion of the Universe that causes this recession and the redshift, not a true galactic motion.

Within the observable Universe (yellow circle), there are approximately 2 trillion galaxies. . [+] Galaxies more than about a third of the way to the boundary of what we can observe can never be reached due to the Universe's expansion, leaving only 3% of the Universe's volume open to human exploration.

Wikimedia Commons users Azcolvin 429 and Frédéric MICHEL / E. Siegel

The Universe expanding is a necessary consequence of having matter and energy filling a spacetime that obeys the laws of General Relativity. As long as there's matter, there's gravitational attraction, so either gravity wins and everything recollapses, or gravity loses and expansion wins out. There is no center to the expansion, nor is there something outside of space that the Universe is expanding into the fabric of the Universe itself is what's doing the expanding, everywhere and for all time. Most maddeningly, even if we left Earth at the speed of light today, only 3% of the galaxies in the observable Universe will ever be reachable 97% of them are already beyond our grasp. The Universe may be a complicated place, but at least you now know the answers to five of its most commonly misunderstood questions!


Mystery of the universe's expansion rate widens with new Hubble data

Ground-based telescope's view of the Large Magellanic Cloud, a satellite galaxy of our Milky Way. The inset image, taken by the Hubble Space Telescope, reveals one of many star clusters scattered throughout the dwarf galaxy. Credit: NASA, ESA, Adam Riess, and Palomar Digitized Sky Survey

Astronomers using NASA's Hubble Space Telescope say they have crossed an important threshold in revealing a discrepancy between the two key techniques for measuring the universe's expansion rate. The recent study strengthens the case that new theories may be needed to explain the forces that have shaped the cosmos.

A brief recap: The universe is getting bigger every second. The space between galaxies is stretching, like dough rising in the oven. But how fast is the universe expanding? As Hubble and other telescopes seek to answer this question, they have run into an intriguing difference between what scientists predict and what they observe.

Hubble measurements suggest a faster expansion rate in the modern universe than expected, based on how the universe appeared more than 13 billion years ago. These measurements of the early universe come from the European Space Agency's Planck satellite. This discrepancy has been identified in scientific papers over the last several years, but it has been unclear whether differences in measurement techniques are to blame, or whether the difference could result from unlucky measurements.

The latest Hubble data lower the possibility that the discrepancy is only a fluke to 1 in 100,000. This is a significant gain from an earlier estimate, less than a year ago, of a chance of 1 in 3,000.

These most precise Hubble measurements to date bolster the idea that new physics may be needed to explain the mismatch.

"The Hubble tension between the early and late universe may be the most exciting development in cosmology in decades," said lead researcher and Nobel laureate Adam Riess of the Space Telescope Science Institute (STScI) and Johns Hopkins University, in Baltimore, Maryland. "This mismatch has been growing and has now reached a point that is really impossible to dismiss as a fluke. This disparity could not plausibly occur just by chance."

This illustration shows the three basic steps astronomers use to calculate how fast the universe expands over time, a value called the Hubble constant. All the steps involve building a strong "cosmic distance ladder," by starting with measuring accurate distances to nearby galaxies and then moving to galaxies farther and farther away. This "ladder" is a series of measurements of different kinds of astronomical objects with an intrinsic brightness that researchers can use to calculate distances. Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

Tightening the bolts on the 'cosmic distance ladder'

Scientists use a "cosmic distance ladder" to determine how far away things are in the universe. This method depends on making accurate measurements of distances to nearby galaxies and then moving to galaxies farther and farther away, using their stars as milepost markers. Astronomers use these values, along with other measurements of the galaxies' light that reddens as it passes through a stretching universe, to calculate how fast the cosmos expands with time, a value known as the Hubble constant. Riess and his SH0ES (Supernovae H0 for the Equation of State) team have been on a quest since 2005 to refine those distance measurements with Hubble and fine-tune the Hubble constant.

In this new study, astronomers used Hubble to observe 70 pulsating stars called Cepheid variables in the Large Magellanic Cloud. The observations helped the astronomers "rebuild" the distance ladder by improving the comparison between those Cepheids and their more distant cousins in the galactic hosts of supernovas. Riess's team reduced the uncertainty in their Hubble constant value to 1.9% from an earlier estimate of 2.2%.

As the team's measurements have become more precise, their calculation of the Hubble constant has remained at odds with the expected value derived from observations of the early universe's expansion. Those measurements were made by Planck, which maps the cosmic microwave background, a relic afterglow from 380,000 years after the big bang.

The measurements have been thoroughly vetted, so astronomers cannot currently dismiss the gap between the two results as due to an error in any single measurement or method. Both values have been tested multiple ways.

"This is not just two experiments disagreeing," Riess explained. "We are measuring something fundamentally different. One is a measurement of how fast the universe is expanding today, as we see it. The other is a prediction based on the physics of the early universe and on measurements of how fast it ought to be expanding. If these values don't agree, there becomes a very strong likelihood that we're missing something in the cosmological model that connects the two eras."

How the new study was done

Astronomers have been using Cepheid variables as cosmic yardsticks to gauge nearby intergalactic distances for more than a century. But trying to harvest a bunch of these stars was so time-consuming as to be nearly unachievable. So, the team employed a clever new method, called DASH (Drift And Shift), using Hubble as a "point-and-shoot" camera to snap quick images of the extremely bright pulsating stars, which eliminates the time-consuming need for precise pointing.

"When Hubble uses precise pointing by locking onto guide stars, it can only observe one Cepheid per each 90-minute Hubble orbit around Earth. So, it would be very costly for the telescope to observe each Cepheid," explained team member Stefano Casertano, also of STScI and Johns Hopkins. "Instead, we searched for groups of Cepheids close enough to each other that we could move between them without recalibrating the telescope pointing. These Cepheids are so bright, we only need to observe them for two seconds. This technique is allowing us to observe a dozen Cepheids for the duration of one orbit. So, we stay on gyroscope control and keep 'DASHing' around very fast."

The Hubble astronomers then combined their result with another set of observations, made by the Araucaria Project, a collaboration between astronomers from institutions in Chile, the U.S., and Europe. This group made distance measurements to the Large Magellanic Cloud by observing the dimming of light as one star passes in front of its partner in eclipsing binary-star systems.

The combined measurements helped the SH0ES Team refine the Cepheids' true brightness. With this more accurate result, the team could then "tighten the bolts" of the rest of the distance ladder that extends deeper into space.

The new estimate of the Hubble constant is 74 kilometers (46 miles) per second per megaparsec. This means that for every 3.3 million light-years farther away a galaxy is from us, it appears to be moving 74 kilometers (46 miles) per second faster, as a result of the expansion of the universe. The number indicates that the universe is expanding at a 9% faster rate than the prediction of 67 kilometers (41.6 miles) per second per megaparsec, which comes from Planck's observations of the early universe, coupled with our present understanding of the universe.

So, what could explain this discrepancy?

One explanation for the mismatch involves an unexpected appearance of dark energy in the young universe, which is thought to now comprise 70% of the universe's contents. Proposed by astronomers at Johns Hopkins, the theory is dubbed "early dark energy," and suggests that the universe evolved like a three-act play.

Astronomers have already hypothesized that dark energy existed during the first seconds after the big bang and pushed matter throughout space, starting the initial expansion. Dark energy may also be the reason for the universe's accelerated expansion today. The new theory suggests that there was a third dark-energy episode not long after the big bang, which expanded the universe faster than astronomers had predicted. The existence of this "early dark energy" could account for the tension between the two Hubble constant values, Riess said.

Another idea is that the universe contains a new subatomic particle that travels close to the speed of light. Such speedy particles are collectively called "dark radiation" and include previously known particles like neutrinos, which are created in nuclear reactions and radioactive decays.

Yet another attractive possibility is that dark matter (an invisible form of matter not made up of protons, neutrons, and electrons) interacts more strongly with normal matter or radiation than previously assumed.

But the true explanation is still a mystery.

Riess doesn't have an answer to this vexing problem, but his team will continue to use Hubble to reduce the uncertainties in the Hubble constant. Their goal is to decrease the uncertainty to 1%, which should help astronomers identify the cause of the discrepancy.

The team's results have been accepted for publication in The Astrophysikalisches Journal.