Wie groß ist das Universum? Zwischen kosmologischem Horizont und Unendlichkeit

Größe des Universums — *Beschreibung des Bildes: Diagramm, das die verschiedenen Abschnitte des kosmologischen Horizonts veranschaulicht. Bildquelle:astronoo.com (neues Fenster)*

Paradoxon der Grenze des beobachtbaren Universums: Der kosmologische Horizont

Das beobachtbare Universum hat einen Radius von etwa 46 Milliarden Lichtjahren, ein Wert, der paradox erscheint, wenn man bedenkt, dass das Alter des Universums auf 13,8 Milliarden Jahre geschätzt wird. Dieses Paradox wird durch die erklärtExpansion des Universums (ausdehnung des Raumes selbst, die den Abstand zwischen kosmologischen Objekten vergrößert): Der Raum selbst dehnt sich aus und ermöglicht dem Licht, Entfernungen zurückzulegen, die größer sind als das einfache Produkt aus Lichtgeschwindigkeit mal Alter des Universums.

Die Expansion des Universums

Die Expansion des Universums bedeutet, dass der Raum selbst im Laufe der Zeit wächst. Es ist nicht so, dass Galaxien wie Raketen durch den Weltraum „reisen“, sondern vielmehr, dass sich der Raum zwischen ihnen ausdehnt, ein bisschen wie die Punkte, die auf die Oberfläche eines sich aufblasenden Ballons gezeichnet werden.

Diese Idee wurde 1929 von Edwin Hubble bestätigt, als er beobachtete, dass sich eine Galaxie umso schneller von uns entfernt, je weiter sie entfernt ist. Wir fassen dies mit der einfachen Formel zusammen: \(v = H \times d\), wobei \(v\) die Entfernungsgeschwindigkeit, \(d\) die Entfernung und \(H\) die Hubble-Konstante ist.

Dank dieser Ausdehnung ist das beobachtbare Universum viel größer als sein in Lichtjahren ausgedrücktes Alter: Obwohl es 13,8 Milliarden Jahre alt ist, erreicht sein beobachtbarer Radius etwa 46 Milliarden Lichtjahre. Licht von fernen Galaxien ist die ganze Zeit über gereist, aber der Weltraum hat sich auf dem Weg ausgedehnt.

Hinweis::
Jüngste Entdeckungen zeigen sogar, dass sich diese Expansion beschleunigt, als würde eine mysteriöse „dunkle Energie“ das Universum immer schneller wachsen lassen.

Warum ist das beobachtbare Universum größer als sein Alter?

Die zu einem bestimmten kosmologischen Zeitpunkt gemessene Entfernung wird aufgerufenMitbewegte Distanz, das heißt durch „Einfrieren“ der Expansion zu einem bestimmten Zeitpunkt. Dies ist die Definition, die heute verwendet wird, um den beobachtbaren Radius von auszudrücken13,8 Milliarden Jahre.

Der Mitbewegungsradius entspricht jedoch einem Abstandsmaß, das für ein bestimmtes Objekt unabhängig von der Ausdehnung des Universums unverändert bleibt. Beispielsweise ist eine Galaxie, deren Licht 13,8 Milliarden Jahre braucht, um uns zu erreichen, derzeit etwa 46 Milliarden Lichtjahre entfernt. Diese Größe ist für den Vergleich kosmologischer Maßstäbe von wesentlicher Bedeutung, da sie den Effekt der Expansion neutralisiert und es ermöglicht, das Volumen des beobachtbaren Universums klar zu definieren.

Hinweis::
Der Wert „46,5 Gly“ bezieht sich auf eine heutige Distanz, nicht auf die Laufzeit des Lichts; Der Unterschied ergibt sich aus der Raumausdehnung.

Jenseits des Horizonts: das unzugängliche Universum

Jenseits dieses Horizonts von46 Milliarden Lichtjahre, es gibt einen Teil des Universums, den wir nicht beobachten können. Das aus diesen Regionen kommende Licht hatte seither noch keine Zeit, uns zu erreichenUrknall (hypothetischer Anfangsmoment des Universums, der den Beginn seiner Expansion markiert). Standardmäßigen kosmologischen Modellen zufolge könnte das Universum entweder unendlich oder endlich, aber ohne Kante sein.

Die verschiedenen Horizonte

Um das beobachtbare Universum zu verstehen, müssen wir verschiedene Vorstellungen von Entfernung und Zeit unterscheiden. Zusammen ermöglichen uns diese Konzepte, die Struktur und Entwicklung des beobachtbaren Universums besser zu visualisieren.

DERbeobachtbarer Mitbewegungsradiusentspricht ungefähr der weitesten Entfernung, die wir heute sehen können46 Milliarden Lichtjahre.
DERbeobachtbarer Durchmesserstellt die Gesamtgröße der auf uns zentrierten Kugel dar, also ungefähr das Doppelte des Mitbewegungsradius93 Milliarden Lichtjahre.
DERHubble-Radiusdefiniert einen Maßstab, bei dem die Ausdehnung des Raums ungefähr die Lichtgeschwindigkeit erreicht14 Milliarden Lichtjahre.
L'Alter des Universumsgibt die seit dem Urknall vergangene Zeit an, d.h.13,8 Milliarden Jahre.

Vergleich von Horizonten und Kennwerten
Konzept	Definition	Richtwert	Kommentar
Beobachtbarer Mitbewegungsradius	Comobile Entfernung heute zur Oberfläche der letzten Diffusion	≈ 46,5 Gly	Modellabhängiger Wert, üblicherweise mit „46 Milliarden Lichtjahren“ angegeben.
Beobachtbarer Durchmesser	Doppelter Bewegungsradius	≈ 93 Gly	Beobachtetes mitbewegtes Volumen, das mit der Kugel verbunden ist, deren Mittelpunkt der Beobachter ist.
Hubble-Radius	\(c/H_0\), charakteristische Skala	≈ 14,4 Gly	Maßstab verknüpft mit dem Wert von \(H_0\); unterschiedliche physikalische Bedeutung des Teilchenhorizonts.
Zeitalter des Universums	Zeit seit dem Urknall	≈ 13,8 Gyr	Durch das CMB und die Synthese kosmologischer Daten gut eingeschränkter Parameter.

Schneller als das Licht reisen: Ist das möglich?

Nach Einsteins spezieller Relativitätstheorie kann sich im Vakuum nichts schneller als Licht bewegen. Diese Grenzgeschwindigkeit, \(c \ca. 299 792\) km/s, ist grundlegend für die Kausalität und die Struktur der Raumzeit. Daher kann ein Schiff oder ein Teilchen diese Geschwindigkeit niemals erreichen oder überschreiten, während es sich lokal im Raum bewegt.

Allerdings gibt es Ausnahmen auf der kosmologischen Skala. L'Expansion des Universums (ausdehnung der Raumzeit selbst)kann zwei Objekte mit einer scheinbaren Geschwindigkeit trennen, die größer als die Lichtgeschwindigkeit ist, ohne die Relativitätstheorie zu verletzen. Tatsächlich ist es nicht das Objekt, das sich schneller als \(c\) durch den Raum bewegt, sondern der Raum selbst, der sich zwischen ihnen erstreckt. Dies erklärt, warum sich sehr weit entfernte Galaxien im Rahmen des Standard-\(\Lambda\)-CDM-Modells scheinbar schneller als Licht von uns entfernen.