Ich hab mal meinen Bruder gefragt, der Dr. der Physik ist:
Ein Lichtjahr ist streng genommen eine Strecke und keine Zeit, wenn auch der Konversionsfaktor eine Konstante ist. In der Tat ist das Universum nach dem gegenwärtigen Kenntnisstand etwa 13,8 Milliarden Jahre alt.
Das heißt nicht, dass es im Alter von null Jahren auch null Ausdehnung hat – welche räumliche Ausdehnung es am Beginn der Zeit aber auch hatte, in den ersten Millionstelsekunden seiner Existenz hat es sich offenbar rasend schnell ausgedehnt. Dieser Prozess heißt Inflation und hat wohl für den bereits in der Frühzeit sehr großen Durchmesser gesorgt. Ein Verstoß gegen das Verbot der Überschreitung der Lichtgeschwindigkeit liegt dabei wohl nicht vor, weil dies nur für die Übertragung von Signalen gilt, nicht für eine Raumentstehungsfront, die kein Signal im eigentlichen Sinne darstellt. Man muss aber zugeben, dass diese Fragen durchaus noch schlechter verstanden sind als die Altersfrage – es werden meines Wissens auch heute noch Alternativen zur Inflationstheorie diskutiert.
Mit freundlichem Gruß
Hans Leo
Mein Lieblingswissenschaftsblogger, Florian Freistetter, erklärt es hier:
http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2014/07/14/wie-gross-ist-das-universum/
Vielleicht schreibt er ja auch mal für Krautreporter, fragen kostet nix.
Viele Grüße,
Peter
Ich bin auf die Frage von Lucca gestoßen und dachte mir, dass ich möglicherweise imstande bin, eine Antwort beizusteuern. Ich habe versucht eine Balance zu finden, sie so präzise wie möglich zu machen und gleichzeitig verständlich zu halten. Daher sind viele Angaben vage oder unpräzise (bspw. bezüglich Form, Alter und Geometrie des Universums, der Tatsache, dass die Expansion sich weiter beschleunigt, das Fehlen der Hubble-Konstante in meinem Text etc p.p.). Aus dem selben Grund liefere ich auch nur wiki-Artikel als Quelle. Das ist der Einfachheit geschuldet; ein Text, der mit Formeln und Zeichnungen übersät ist, schien mir nicht der richtige Einstieg in das Thema. Den kann ich aber gerne nachliefern, wenn es gewünscht ist. :-)
Wie auch immer, hier ist die Antwort:
Hallo Lucca,
da gibt es gleich mehrere Gründe.
Zum einen beträgt der Durchmesser des Universums nicht 46 Milliarden Lichtjahre; das ist der Radius des sichtbaren Universums [1]. Das sichtbare Universum ist durch einen sogenannten Ereignishorizont begrenzt [2]. Der Raum selbst ist es, der sich ausdehnt. Daraus resultiert, dass je weiter ein Objekt von uns entfernt ist, es sich schneller von uns entfernt. Ab einem bestimmten Punkt erreicht diese „Geschwindigkeit“ (ich erkläre die Anführungszeichen noch) Lichtgeschwindigkeit. Objekte jenseits dieser Grenze sind für uns unsichtbar, ihr Licht kann uns niemals erreichen.
Ich zitiere mal Lucca: „Wenn man sich vorstellt, dass es den sogenannten Big Bang gab, dann sollte man annehmen, dass ähnlich einer herkömmlichen Explosion die Expansion in alle Richtungen geschah.“
Das ist eine (verständliche und weit verbreitete) Fehlannahme. Es war keine Explosion, die Dinge von sich fortschleudert. Wie ich schon schrieb ist es der Raum selbst, der hier expandiert. Wäre dem nicht so, wäre es nicht der Raum selbst, der expandiert, sondern Materie, die von uns fortgeschleudert wird, dann müssten wir annehmen, das unser Sonnensystem in der Mitte des Universums liegt. Denn das Universum sieht in alle Richtungen gleich aus [3]. Das kann nur der Fall sein, wenn man in der Mitte einer Explosion ist. Wären wir bspw. im Randbereich, so müssten wir feststellen, das sich sehr viel mit uns mitbewegt, aber in einer bestimmten Richtung sich alles von uns entfernt.
Ich möchte das ganze mal bildlich verdeutlichen. Zu diesem Zweck benötige ich anstelle der üblichen drei Raumdimensionen lediglich zwei davon. Betrachten wir also einfach mal ein zweidimensionales Universum, in dem nur Strichmännchen leben. Das Universum selbst hätte dort die Form eines Kreises.
Was wir jetzt noch benötigen, ist die Raumzeit für dieses Universum. Zu dem Zweck nehme ich einen Ballon und male dort das besagte zweidimensionale Universum auf. Dann beginne ich damit, den Ballon langsam aufzublasen.
Die Strichmännchen in dem 2 D Universum werden jetzt eine erstaunliche Entdeckung machen: Alle Objekte entfernen sich von ihnen. Und zwar um so schneller, je weiter sie weg sind .
Besser noch: Irgendwann wird ein Mathematiker im 2D-Universum auf die Idee kommen, ein Dreieck auf kosmischen Niveau zu malen, also ein sehr, sehr großes Dreieck. Er würde dann feststellen, dass das Dreieck keine 180° hat. Er könnte auch einen Kreis malen und würde feststellen, das der Wert für Pi nicht stimmt. Dafür gäbe es eine einfache Erklärung: Kreise und Dreiecke sind zweidimensionale Figuren der euklidischen Geometrie. Im kleinen betrachtet funktioniert das 2D-Universum euklidisch. In großen Skalen aber verhält es sich nicht-euklidisch! Ein Hinweis darauf, dass der Raum (also in diesem Fall die Oberfläche des Ballons) gekrümmt ist.
Genauso kann man sich auch unser Universum vorstellen - vorausgesetzt, man ist ein genialer Mathematiker und ist imstande, sich eine vierdimensionale Kugel vorzustellen, auf deren Oberfläche ein dreidimensionales Universum angebracht ist. Und vorausgesetzt, das Universum hat keine andere Form, was sehr wohl möglich ist aber hier zu weit führen würde.
Und damit komme ich zu den Anführungszeichen bei dem Wörtchen „Geschwindigkeit“. Man sagt bspw, das eine bestimmte Galaxie sich mit 10 % der Lichtgeschwindigkeit von uns entfernt. Aber das ist streng genommen falsch. Die besagte Galaxie hat keine Geschwindigkeit von 10 % der Lichtgeschwindigkeit. Geschwindigkeit ist per Definition eine Bewegung „im Raum“. Hier aber reden wir von einer Bewegung des Raums in sich selbst. Hierbei handelt es sich um keine Geschwindigkeit - daher ist es auch ok, dass wir einen Ereignishorizont im Universum haben und darüber spekulieren, was sich wohl dahinter verbirgt.
Kommen wir abschließend zum tatsächlichen Durchmesser des Universums. Der ist wesentlich größer. In den Standardmodellen rechnet man mit mindestens 78 Milliarden Lichtjahren - es könnte aber auch viel größer sein. Wie hat man das herausgefunden?
Denken wir an den Strichmännchenmathematiker auf dem zweidimensionalen Ballon-Universum. Um herauszufinden, dass es sich in eine dritte Dimension krümmt, kann er mit relativ schlichter Geometrie arbeiten. Tja, und genau das selbe geht halt auch mit dem echten Universum. Nur: Es kann dort keine Krümmung gemessen werden. Die Messungenauigkeit ist mit 2 % recht hoch. Nehmen wir an, dass die Messungenauigkeit tatsächlich exakt die Krümmung wiedergibt, wären wir bei mindestens 78 Milliarden Lichtjahren. Tatsächlich weiß man aber nicht, ob das Universum überhaupt gekrümmt ist. Es könnte auch unendlich groß sein (was zu sehr, sehr seltsamen Phänomenen führt) oder einfach nur sehr viel gewaltiger, als wir uns das vorstellen. [4]
Es gibt natürlich eine sehr viel schnellere, einfachere Antwortvariante - das Universum mag 13,8 Milliarden Jahre alt sein, aber Objekte, die vor 13,8 Milliarden Jahren Licht ausgestrahlt haben, haben sich durch die Expansion des Raums in dieser Zeit um 46 Milliarden Lichtjahre entfernt. Tatsächlich könnten sie durch die Eigenbewegung sogar noch weiter entfernt sein. Ich bin aber der Meinung, dass es ein wenig hilft, auf einige dieser Phänomene etwas bildhafter einzugehen, um ein besseres Verständnis des Sachverhalts zu bekommen.
[1] https://de.wikipedia.org/wiki/Universum
[2] https://de.wikipedia.org/wiki/Beobachtbares_Universum#Beobachtungshorizont
[3] https://de.wikipedia.org/wiki/Kosmologisches_Prinzip
[4] https://de.wikipedia.org/wiki/Universum#Form_und_Volumen
Disclaimer: Sprachliche Ungenauigkeiten und fehlende Informationen sind beabsichtigt, um das Thema vereinfacht darstellen zu können.
Viel Spaß damit. Sollte Lucca noch Fragen haben, kannst Du ihm gerne meine Mailadresse geben, sofern sich niemand findet, der diese Fragen besser beantworten kann :)
mfg
Michael
Ich bin Doktorand in Astrophysik und habe Vorlesungen über Kosmologie gehört. Ich schreibe wegen der Frage aus dem heutigen Krautreporter-Newsletter zur Größe des Universums.
Da ich in dieser Woche leider nur begrenzten Internetzugang (nur Wikipedia, keine Fachartikel/Lehrbücher) habe, kann ich zur Zeit leider nicht die exakten Zahlen recherchieren. Ich kann aber spontan folgendes zum Thema sagen:
- Die Vorstellung, die Lucca vom Urknall und der Ausbreitung des Universums hat, ist zwar nicht völlig absurd, aber in der Form nicht ganz richtig. Das Universum ist vermutlich keine sich aufblähende Kugel. Es war seit dem Urknall schon immer unendlich groß. Unter der Expansion des Universums versteht man nicht die Vergrößerung desselben (Das würde auch überhaupt keinen Sinn ergeben, da es ja schon unendlich ausgedehnt ist und daher nicht größer werden kann.). Vielmehr bedeutet die Expansion, dass sich Abstände zwischen Objekten, die nicht gravitativ aneinander gebunden sind (z.B. entfernte Galaxien), kontinuierlich vergrößern, und zwar in alle Richtungen. D.h., dass egal in welche Richtung wir in den Himmel gucken, alles was wir sehen, sich von uns wegbewegt. Angenommen, wir befänden uns auf einem dieser weit entfernten Objekte, würde man von dort das gleiche Phänomen beobachten. (Von diesem Effekt ausgenommen sind Objekte, die nah genug sind, dass die gegenseitige Anziehung aufgrund der Gravitation größer ist, als die Expansion des Universums.). Lange Rede kurzer Sinn: Zusammengefasst bedeutet das, dass sich das Universum nicht wirklich ausdehnt, sondern sich lediglich die Abstände zwischen Objekten vergrößern.
- Die Tatsache, dass das Universum unendlich groß ist, führt direkt die Frage nach der tatsächlichen Größe des Universums ad absurdum. Das gilt allerdings nur eingeschränkt. Denn aufgrund des endlichen Alters des Universum und der endlichen Lichtgeschwindigkeit, kann man nur einen kleinen Teil des Universums beobachten. Das ist derjenige Teil, dessen Licht uns bisher erreicht hat. Außerhalb dieser „Kugel“ befindet sich jedoch noch sehr viel mehr Universum, was wir jedoch erst in den kommenden Milliarden Jahre betrachten können werden (sofern unsere Zivilisation noch so lang existiert).
- (Hier kommt jetzt die eigentlich Antwort auf die Frage.) Die Expansion des Universums führt dazu, dass der Begriff der Entfernung zweier Objekte nicht mehr einfach zu definieren ist. Das liegt daran, dass der Abstand eines Objekts, dessen Licht man zu einem gewissen Zeitpunkt beobachtet, größer ist als die Distanz, die eben jenes Licht zurückgelegt hat. Das klingt zwar zunächst paradox, allerdings nicht, wenn man bedenkt, dass sich die Entfernung des Objekts zum Beobachter vergrößert, während das Licht zum Beobachter „reist“. Daher kann man Objekte sehe, die zum Zeitpunkt ihrer Beobachtung bereits weiter entfernt sind, als die Strecke, die das Licht über das Alter des Universums hätte zurücklegen können.
Ich hoffe, ich konnte die Frage zumindest ansatzweise verständlich beantworten. Die Expansion des Universums ist genau genommen ein sehr theoretisches Konstrukt, das unsere intuitive Vorstellung von Entfernungen über Bord wirft. In populärwissenschaftlichen Beiträgen wird daher häufig stark vereinfacht, was auch notwendig ist, aber eben bei sehr interessierten Menschen (wie Lucca) zu offensichtlichen Widersprüchen führt.
Falls es weitere Fragen gibt, bin ich natürlich bereit, unklare Konzepte genauer zu erklären.
Viele Grüße,
Jakob
PS: noch ein paar kurze Richtigstellungen für den Originalpost: - Das Universum ist 13,8 Milliarden „Jahre“ alt. In Lichtjahren misst man lediglich Entfernung und keine Zeitspannen.
- 45 Milliarden Lichtjahre ist der „Radius“ des sichtbaren Universums, nicht der Durchmesser (https://en.wikipedia.org/wiki/Universe). Ich kann gerade jedoch nicht genau sagen, auf welches Entfernungsmaß sich diese Zahlen beziehen.
Bezüglich der Frage, wie der Urknall und die Ausdehnung des Universums zusammenhängt, möchte ich als Physik Ing. etwas zur Aufhellung beitragen. (Ich weiß, ist ein bisschen lang, aber kürzer geht es schlecht)
Wenn man sich mit Fragen der räumlichen und zeitlichen Ausdehnungen in astronomischen Dimensionen beschäftigt, kommt man leider nicht um die Auswirkungen der Relativitätstheorie herum.
Der Urknall liegt zeitlich lt. Literatur ca. 13,8 Mrd. Jahre zurück. Das heißt, wir werden keine durch Licht übertragenen Ereignisse vor diesem Zeitpunkt wahrnehmen können, da davor schlicht noch kein Licht existierte. Wir nehmen aber auch nicht alle Signal(Licht)quellen wahr, die existieren, sondern nur die, die innerhalb unseres Beobachtungshorizont liegen. Das liegt an folgenden, noch relativ einfachen Zusammenhang:
Licht breitet sich in je nach Medium mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus. Die Lichtgeschwindigkeit, von der in der Astronomie die Rede ist, ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Soweit, so bekannt. Da das Licht nun eine Geschwindigkeit hat, braucht es für eine bestimmte Strecke auch eine bestimmte Zeit. Nehmen wir die Entfernung Erde - Sonne, so braucht das Licht von der Sonne bis zur Erde ca. 8 Min. D.h. wir können keine Aussage darüber treffen, was exakt zu diesem Zeitpunkt auf der Sonne passiert, sondern wir werden dies erst in 8 Min. erfahren.
Das funktioniert aber auch nur, weil sich Sonne und Erde (in astronomischen Dimensionen) quasi stets im gleichen Abstand zueinander bewegen. Würde sich der Abstand mit der Zeit vergrößern (Sonne und Erde bewegen sich voneinander weg), würde auch die Zeitdifferenz von 8 Min. nicht mehr konstant sein, sondern auch diese Zeitdifferenz würde sich vergrößern (Wohlgemerkt die Zeitdifferenz: an beiden Orten verstreicht die Zeit am Ort betrachtet immer gleich: Diese Zeit wird Eigenzeit genannt, und darf nicht mit der beobachteten Zeit verwechselt werden).
Würde die Sonnenoberfläche eine Uhr darstellen, und könnte man diese Uhr in beliebiger Entfernung ablesen, würde der zeitliche Unterschied zwischen Sonnenzeit und Erdzeit immer größer werden, die Sonnenuhr würde immer mehr nachgehen - man könnte auch sagen, die Zeit auf der Sonne läuft von der Erde aus betrachtet langsamer (beobachtete Zeit). Umgekehrt funktioniert es genauso: Bewegen sich die Objekte aufeinander zu, scheint die entfernt beobachtete Zeit schneller zu laufen als die eigene. Führt man diesen Gedanken bis zum Extrem, und die Sonne entfernte sich mit Lichtgeschwindigkeit von der Erde, so würden wir einen Stillstand der Zeit auf der Sonne beobachten, weil sich die Sonne mit der selben Geschwindigkeit entfernt, wie sich das Signal (Licht) ausbreitet. Dieses Verhalten nennt der Physiker Zeitdilatation -Dehnung der Zeit durch relative Bewegung. (Theoretisch verhält es sich etwas anders - Stichwort Rotverschiebung -, aber der Anschaulichkeit halber genehmige ich mir diese Unschärfe)
Nehmen wir einmal an, dass sich die Sonne mit einer Geschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit von der Erde entfernt, würde sich die Lichtquelle schneller von uns wegbewegen, als sich das Licht ausbreiten kann: das Lichtsignal wäre zu langsam, um uns noch zu erreichen, und wir könnten die Sonne nicht mehr sehen. Daher ist die Lichtgeschwindigkeit als größte Geschwindigkeit definiert. Sie ist somit keine absolute Grenze, weil größere Geschwindigkeiten unmöglich wären, sondern auf Grund der Zeitdilatation eine logische Grenze. Mathematisch gesehen übertreten wir bei der Lichtgeschwindigkeit die Grenze des realen Raumes zum Imaginären.
Es sind auch größere Geschwindigkeiten als die Lichtgeschwindigkeit bekannt, etwa bei Elementarteilchen in der Festkörperphysik. Oder bei dem Fall, dass sich Objekte mit jeweils größerer als der halben Lichtgeschwindigkeit von einem gemeinsamen Startpunkt in entgegengesetzte Richtungen entfernen, dann entfernt sich das jeweils andere Objekt von einem der Objekte aus beobachtet mit Überlichtgeschwindigkeit. Praktisch gesehen ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit also nicht auf die Lichtgeschwindigkeit begrenzt, wir hätten dann nur Schwierigkeiten sie zu beobachten. Die Relativitätstheorie lässt auch größere Geschwindigkeiten zu, solange man keine Masse im Raum beschleunigt(!). Das Weltall ist aber der Raum selbst, der sich ausdehnt daher greift die Relativitätstheorie hier nicht, und das Universum kann sich mit ca. 3-facher Lichtgeschwindigkeit ausdehnen, jedenfalls so weit, wie wir es beobachten können;-)
In diesem Sinne,
Martin
Luccas Frage wird recht gut auf dem Blog Astroditicum simplex des Astronomen Florian Freistetter erklärt und zwar hier http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2014/07/14/wie-gross-ist-das-universum/ und hier http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2014/07/21/ist-das-universum-unendlich-gross/
Viele Grüße
Michael
Zunächst sollte man die Maßangaben 13,8 Milliarden Jahre alt und 45 Milliarden Lichtjahre Durchmesser hinterfragen. „Durchmesser“ suggeriert, man könne mit einem Zollstock von einer Wand quer durchs Weltall zu anderen Wand messen. Das All ist zwar endlich, aber unbegrenzt – wie die Erdoberfläche. Die Angaben, ursprünglich sei vor dem Urknall die Masse so groß wie ein Fußball gewesen, ist schlicht irreführend. Es hat nie einen Zustand gegeben, bei dem man hätte eine Schublehre anlegen können, denn es gab nie ein „Außen“. Nach meiner Meinung war das Weltall immer gleich groß, nur die Raumkrümmung war entsprechend größer. Vor dem Urknall soll es etwa gleich viel Materie und Antimaterie gegeben haben, mit einem Überschuss von weniger als 10 % positiver Materie. Die Masse des gesamten gegenwärtigen Weltalls ist dieser kleine Überschuss. Die Masse war also vor dem Urknall um ein Vielfaches höher, die Krümmung stärker, aber von einem Punkt zu einem anderen war der Weg wegen der stärkeren Krümmung genauso weit wie heute. Eine „gerade Abkürzung“ gab es nicht und gibt es heute auch nicht. So viel zum „Durchmesser“.
Jetzt zur Zeit: Je dichter die Masse, umso langsamer die Zeit. Die stärkste Verlangsamung muss also vor dem Urknall gewesen sein. Die Zeit stand also fast still, war aber nie ganz still, weil die Masse endlich war. Aber deshalb hat es keinen Sinn, nach einem Vorher zum Nullpunkt der Zeit zu fragen. Das ist ähnlich wie bei einem Hyperbelast: Er kommt der Y-Achse immer näher, erreicht sie aber nie. Denn die Y-Achse = Nullpunkt der X-Achse markiert die Zeit bei einer unendlichen Masse. Den Zeitangaben beim Urknall liegt die Vorstellung der X-Achse zugrunde, wenn man sagt, man sei dem Urknall eine Milliardstel Sekunde nahe gekommen. Die wahre Zeit ist aber die Hyperbelkurve, also die erste Milliardstel Sekunde, von der gesprochen wird, hat in Wirklichkeit wohl mehrere Milliarden Jahre gedauert.
Das ist meine persönliche Meinung dazu.
Christian
Ich bin weder Physiker noch arbeite ich in einem naturwissenschaftlichen
Bereich. Allerdings interessiere ich mich für Astrophysik und verwandte
Themen.
Als erstes muss mensch wissen, dass ein Lichtjahr keine Zeitangabe,
sondern eine Entfernungsangabe ist (die Strecke welche das Licht in
einem Jahr zurück legt, also ca 9,46 Billionen (10 hoch 12)km.
Die Größe des Universums und die (maximal mögliche) Lichtgeschwindigkeit
gehören nicht zwangsläufig zusammen. Die aus Einsteins
Relativitätstheorie postulierte maximale Lichtgeschwindigkeit bezieht
sich auf die Raumzeit, welche aber erst NACH der ersten Expansion der
Singularität (aus der das Universum wurde) entstanden ist. Folglich
konnte die erste Expansion (Inflation) mit Überlichtgeschwindigkeit
stattfinden. Das alles ist wissenschaftlich noch nicht abschließend
bewiesen. Wie soll Mensch auch an Informationen kommen, aus einem
Bereich, in dem es keine Informationen gibt?
Hier das sehr interessante Dossier auf scineex.de von Nadja Podbregar.
Teil 5 : http://www.scinexx.de/dossier-detail-723-7.html
Und eines weiß die Menschheit doch schon lange : Als Teil des Seins,
kann der Mensch sich nicht ausserhalb dessen stellen und es (von aussen)
betrachten, so gern sie (die Menschheit) es auch „glauben“ möchte…
Kosmische Grüße,
Sebastian
Ich versuche mich mal daran, das einigermaßen verständlich zu erklären.
Lucca hat es schon richtig gesagt. Der Raum expandiert von einem Punkt weg. Um genau zu sein, expandiert der Raum aber immer schneller und nicht mit einer konstant abnehmenden Geschwindigkeit, wie man es sich bei einer herkömmlichen Explosion es sich vorstellen würde. Deshalb eignet sich diese Bild nur sehr bedingt als Analogon zum realen Geschehen. Der Big Bang heißt nur Big Bang. Jedenfalls:
Innerhalb dieses Raumes, des Universums, können sich Photonen mit der maximalen Geschwindigkeit c bewegen. Warum? Weil diese Fortbewegung des Teilchens eher eine „Fortbewegung“ ist. Ein Photon in Bewegung ist eine Welle, die sich durch eine Anregung des elektromagnetischen Feldes manifestiert. Je schneller die Welle ist, je mehr Energie transportiert sie. Ab einem gewissen Punkt jedoch, kann das Feld (aus Gründen, die definitiv zu komplex sind, um sie per E-Mail vernünftig zu erläutern) einfach nicht mehr Energie hergeben. Die maximale Energie, die so ein Teilchen annehmen kann, rechnet sich über E=mc² auf die Lichtgeschwindigkeit zurück.
Deswegen ist unsere Maximalgeschwindigkeit c. Aber das gilt, da dieses EM-Feld ja nur ein Teil dieses Universums, dieses Raumes ist, nur innerhalb unseres Raumes und nicht FÜR den Raum; für das Universum selbst.
Fazit: Im Raum bewegen sich Dinge maximal c schnell, aber das gilt nur im Raum und nicht für das Universum selbst. Das Universum expandiert um einiges schneller, als Licht sich fortbewegt.
Warum, wissen wir leider nicht wirklich. Es gibt einige gute Theorien, jedoch keine, die sich momentan verifizieren lässt - weshalb sich nur der empirisch beobachtbare Prozess beschreiben lässt.
Ich hoffe das ich das einigermaßen verständlich gemacht und nicht zu sehr simplifiziert habe.
Liebste Grüße,
Leo
PS: Ich finde euer Projekt wirklich super. Weiter so.
Ich bin auf dem Weg meinen Doktor in Astronomie/Astrophysik zu machen und ich hoffe meine Erklärung hilft dir.
Wenn wir Astronomen vom Durchmesser des Universums sprechen, so meinen wir stets den Durchmesser unseres “beobachtbaren” Universums. Und in diesem Sinne kann ich deine Frage auch beantworten. Was außerhalb unseres “Horizontes” liegt, können wir leider nicht messen.
Unsere Standardkosmologie (Lambda-CDM Kosmologie) geht auf die Einstein’schen Feldleichungen zurück. Das Lambda drückt aus, dass sich unser Universum beschleunigt ausdehnt.
Wenn wir uns Galaxien um uns herum anschauen, dann sieht es so aus, als würden die sich alle von uns entfernen. Je weiter sie weg sind, desto schneller scheinen sie sich von uns wegzubewegen. Allerdings bewegen sich nicht die Galaxien (einige müssten dafür schneller sein als die Lichtgeschwindigkeit erlaubt), sondern der Raum zwischen uns und ihnen dehnt sich aus. Dies ist ganz wichtig und ein Schlüsselteil zur Antwort.
Das CDM steht schließlich für Cold Dark Matter, also kalte dunkle Materie. Das klingt jetzt erst einmal ziemlich mystisch. Diese drei Worte sollen aber lediglich beschreiben, wie wir uns dunkle Materie vorstellen. Nämlich stellen wir uns die Teilchen, die die dunkle Materie ausmachen, vor allen Dingen als massereich vor. Frag mich bitte später, warum wir das dann “kalte” Materie nennen. Massereiche dunkle Materie kollabiert unter dem Einfluss ihrer eigenen Gravitation nämlich vergleichsweise „einfach“ zu den größten Strukturen im Universum und passt zu dem, was wir beobachten.
Also will ich nun einmal versuchen deine Frage zu beantworten. Wenn wir in eine bestimmte Richtung in das Weltall schauen, so können wir ca. 13.78 Mrd. Jahre in die Vergangenheit blicken. Das ist nicht ganz korrekt, soll uns aber erstmal nicht stören. Allerdings müssen wir hier aufpassen, wenn wir ausrechnen möchten, wie weit das erste Licht gereist ist, das 13.78 Mrd. Jahre unterwegs war. Ich habe bereits erwähnt, dass sich das Universum ausdehnt und wir diese Ausdehnung berechnen können. Während das Licht mit Lichtgeschwindigkeit zu uns reist, dehnt sich der Raum gleichzeitig aus. Dadurch ist die Strecke, die das Licht zurücklegt, nicht etwa 13.78 Mrd. Lichtjahre, sondern länger. Würdest du die Zeit anhalten können und es mit einem Meterstab messen, würdest du heutzutage ca.45.34 Mrd. Lichtjahre messen. Das ist dann der Radius. Der Durchmesser ist dann einfach die doppelte Distanz.
Warum schnappst du dir jetzt nicht mal deinen Rechner und schaust die den folgenden Link an:
http://www.astro.ucla.edu/~wright/CosmoCalc.html
Das ist ein Taschenrechner für wichtige Größen in der Kosmologie. Du findest dort unter anderem die Lichtreisedauer (light travel time) und den mitbewegten Radius (comoving radial distance), über den wir oben unter anderem Namen gesprochen haben. Um diese Größen zu berechnen musst du einfach nur die Werte für die Kosmologie eingeben (z.B. H_0 = 67.74, Omega_M = 0.3089) und die Rotverschiebung z. Das erste “Licht”, was wir sehen können, kommt vom kosmischen Mikrowellenhintergrund und ist bei einer Rotverschiebung von z~1091 auf die Reise geschickt worden. Jetzt klickst du einfach nur noch auf “Flat” und schaust dir die Werte an.
Viel Spaß damit und probier gerne auch andere Werte aus.
Ich werde jetzt zusehen, dass ich das 2,3-Meter-Teleskop, an dem ich gerade beobachte, herunterfahre, schließe und mich dann ins Bett begebe. Die Sonne geht schließlich schon auf.
Liebe Grüße,
Jan-Torge
Die Antwort auf diese Frage ist reichlich knifflig und man muss ein wenig weiter dazu ausholen, um dies sinnvoll zu erläutern. Tatsächlich wissen wir nicht, wie groß das Universum wirklich ist. Es ist vermutlich bedeutend größer als wir tatsächlich sehen können. Alles was wir sehen können, ist das so genannte beobachtbare Universum, was sich aus dem Urknall entwickelt hat. Man muss sich das so vorstellen, dass im Urknall alle heute beobachtbare Materie in einem winzig kleinen Punkt konzentriert war. Aber unmittelbar neben diesem winzigen Punkt kann sich ein weiterer winzig kleiner Punkt befinden, oder vermutlich sogar eine ganze Fläche. Diese können wir allerdings zumindest mit unseren heutigen Mittel nicht beobachten, daher können wir auch einfach so tun, als würden diese Dinge außerhalb unserer Möglichkeiten der Beobachtung nicht existieren. Seit diesem Zeitpunkt, an dem alle heute beobachtbare Materie auf einem winzigen Punkt konzentriert war, sind ca. 13,8 Milliarden Jahre vergangen. In dieser Zeit hat sich das Universum bzw. der Raum dreidimensional in alle Richtungen ausgedehnt. Dabei hat sich der Raum nicht nur bei einem Luftballon auf der Oberfläche ausgedehnt, sondern auch in seinem Inneren. Licht, das vor 13,8 Milliarden Jahren an der Oberfläche dieses Ballons ausgesandt worden ist und uns heute erreicht, hat dann auch diese Ausdehnung des Raumes innerhalb des Luftballons zurückgelegt. Und auch die bereits zurückgelegte Strecke ist in der Zeit nachträglich noch länger geworden. Berücksichtigt man diese Ausdehnung des Raumes in den Rechnungen, erhält man 46,6 Milliarden Lichtjahre als Grenze, zu der wir beobachten können. Das bedeutet, wir können 46,6 Milliarden Lichtjahre in alle Richtungen blicken und damit ist das beobachtbare Universum sogar einen Durchmesser von etwa 93 Milliarden Lichtjahren. Nebenbemerkung: Aus den Feldgleichungen von Einstein ergibt sich nur, dass sich Teilchen maximal mit Lichtgeschwindigkeit bewegen kann. Für den Raum selbst gilt dies nicht. Geschehen ist dies in der Phase der Inflation, in dem das Universum innerhalb von 1000x10^-35 Sekunden um den Faktor 10^26 wuchs. In der selben Zeit würde sich ein Proton ausdehnen auf eine Kugel, die von der Sonne bis zur Erde reicht.
Adrien (wissenschaftlicher Mitarbeiter)
In den ersten Momenten nach dem Urknall herrschte noch eine Singularität, d.h. Raum und Zeit existierten noch nicht in der gegenwärtigen Ausprägen, bei der aufgrund der Massezunahme bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit keine höhere Geschwindigkeit erreicht werden kann. Kurz nach dem Urknall hatte das Universum schon eine Ausdehnung von einigen Lichtjahren. Erst als alles soweit abgekühlt war, dass die unterschiedlichen Kräfte wie Gravitation, starke und schwache Kernkräfte etc. wirksam werden konnten, verlangsamte sich die Ausdehnung auf annähernd Lichtgeschwindigkeit. Man kann sich das expandierende Universum auch leider nicht als größer werdende Kugel vorstellen, da aufgrund der Raumkrümmung durch die Gravitation dieses dreidimensionale Bild nicht passt. Zu meiner Qualifikation für diese Antwort: ich habe vor vielen Jahren mal studienmäßig versucht, Physiklehrer zu werden, bin aber an der Optik gescheitert. Eigentlich wollte ich ja Schülern nur solche Sachen wie die gerade beschriebene erklären … Bestimmt gibt es noch qualifiziertere Krautreporter, die die Erklärung bestätigen können.
Gruß, Martin
Ich erklär’s mit einem Post, den ich kürzlich anlässlich der Entdeckung der am weitesten entfernten Galaxie in meiner FB-Chronik geschrieben habe: „Wahnsinn! Das Hubble-Teleskop hat eine Galaxie mit einer Rotverschiebung von z=11,1 entdeckt. Das heißt, GN-z11 ist rund 35 Milliarden Lichtjahre entfernt. Das Licht, was wir von ihr sehen, hat sich vor 13,4 Milliarden Jahren auf die Reise zu uns gemacht. Und damals war das Universum gerade 400 Millionen Jahre alt. In dieser Zeit ist das Universum expandiert, sodass die tatsächliche Entfernung nach 13,4 Milliarden Jahren, der sogenannten ‘Lichtlaufzeit’ bzw. -‘strecke’, auf 35 Milliarden Lichtjahre ‘angeschwollen’ ist [Nachtrag vom 5. März: Das haben fast alle Medien falsch berichtet! In der WELT konnte sogar der deutsche Astronaut Ulf Merbold das in einem Interview nicht klarstellen und nannte die 13,4 Milliarden Lichtlaufstrecke als die tatsächliche Entfernung. Das ist falsch]. Der bisherige Entfernungs-Rekordhalter hatte bei einer Rotverschiebung von z=8,68, was etwa 31 Milliarden Lichtjahren Entfernung entspricht, eine Lichtlaufzeit von 13,2 Milliarden Jahren. Mit dem neuen Bild von GN-z11 haben wir also fast 200 Millionen Jahre weiter zurück in die Geschichte des Universums geblickt als bisher. Zum Vergleich: Wenn wir die Andromeda, unsere Nachbargalaxie, als milchigen Fleck an unserem Nachthimmel sehen, dann blicken wir gerade einmal 2,5 Millionen Jahre in die Vergangenheit. Ich bin gespannt, was die Spektralanalyse hinsichtlich der Elemente in dieser ziemlich kleinen Galaxie (1/25 der Milchstraße) ergibt. Denn wenn sich herausstellt, dass sie eine hohe Metallizität hat, also einen bedeutenden Anteil an Atomen, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind, bis hin zum Eisen, dann kommt die ganze Big Bang Theory wieder auf den Prüfstand! http://www.spacetelescope.org/news/heic1604/“
Reginald Grünenberg (Erfinder, Verleger, Autor, Drehbuchautor)
Die Zeit ist relativ zu betrachten. „Uhren“, die sich schnell bewegen, gehen langsamer.
Hartmut
Innerhalb des Weltraums kann sich zwar nichts schneller ausbreiten als mit Lichtgeschwindigkeit (das wissen wir seit Einstein), wenn sich allerdings der Raum selbst ausdehnt, gibt es dafür kein Tempolimit. Genau das war beispielsweise auch im ersten Sekundenbruchteil nach dem Urknall der Fall: Der Raum hat sich in dieser „kosmischen Inflation“ überlichtschnell extrem aufgeblasen. Und auch heute und in Zukunft spricht nichts dagegen, dass sich der Raum selbst schneller ausdehnt als mit Lichtgeschwindigkeit. Im Gegenteil sprechen alle Beobachtungen dafür, dass sich alle Raumbereiche im Weltall sogar immer schneller beschleunigt voneinander entfernen.
Mike Beckers (Wissenschaftsjournalist, Spektrum Verlag)
Der Radius unseres beobachtbaren Universums (das Universum selbst ist definitiv größer, womöglich unendlich groß) ist mit rund 46 Mrd. Lichtjahren tatsächlich deutlich größer, als man beim Alter von 13,8 Mrd. Jahren naiv annehmen sollte. Der Grund dafür ist der sich ausdehnenden Raum selbst, weshalb auch die Aussagen der speziellen Relativitätstheorie nicht ohne weiteres auf dieses Frage angewandt werden dürfen: Die Begrenzung auf die Lichtgeschwindigkeit als Maximialgeschwindigkeit gilt immer relativ auf zwei Beobachter im Raum, nicht aber auf den Raum selbst! Bezogen auf die urprüngliche Fragestellung hilft es womöglich, sich klarzumachen, dass wir eben kein Licht von Objekten empfangen, das in 46 Mrd. Lichtjahren Entfernung ausgesandt wurde. Vor 13,8 Mrd. Jahren war der beobachtete Ort sehr viel dichter dran, lediglich heute ist er aufgrund des sich ausdehnenden Universums eben bis zum Beobachtungshorizont von uns weggerutscht.
Michael (Entwicklungsingenieur)
Die festgestellte Expansion des Universums, wird nicht durch eine Bewegung der Objekte im Raum, sondern durch eine Ausdehnung des Raumes zwischen den Objekten erklärt. Ein beliebtes Beispiel ist ein Gummimembran mit aufgemalten Punkten, die in alle Richtungen auseinander gezogen wird. Hier entfernen sich die Punkte auch voneinander, obwohl sie ihre Position auf dem Gummituch nicht verändern. Die Expansion des Raumes kann dazu führen, das der Abstand zwischen weit entfernten Galaxien schneller zunimmt als das Licht in der selben Zeit zurück legen kann. Diese Objekte sind füreinander für immer unsichtbar.
Thomas (Softwarebastler)
Der (Denk-)Fehler liegt hier im Detail. Man muss in der Tat ein wenig spitzfindig sein, um dies zu erklären. Richtig ist: die Lichtgeschwindigkeit stellt eine natürliche Höchstgrenze der möglichen Geschwindigkeit innerhalb der Raumzeit unseres Universums dar. Richtig ist auch die besagte Größe, die oft postuliert wurde. Ausschlaggebend ist die Vokabel „innerhalb“ im ersten Teil der Antwort. Das Universum definiert die Ausdehnung der Raumzeit selbst, also dessen Grenzen. Diese können - respektive haben - sich zumindest anfänglich schneller ausgedehnt, als dies dem Licht innerhalb des beobachtbaren Raumes möglich wäre. Damit jedoch nicht genug. Besagte 45+ LJ beziehen sich auf das „beobachtbare“ Universum - ob dies noch größer ist, läßt sich nicht feststellen, da hier der für uns erfassbare Horizont liegt. Schwer, dies hier in ein paar Sätzen abzuhandeln. Ich anempfehle mal bei Youtube nach Josef M. Gaßner und/oder Harald Lesch zu dem Thema zu schauen. Sehr anschaulich und luzit.
Ive (Projektleiter digitaler Workflow)
Da das Universum 13,8 Mrd. Jahre alt ist, können nur Objekte wahrgenommen werden, deren Licht vor maximal 13,8 Mrd. Jahren ausgesandt wurde. Da sich in den vergangenen 13,8 Mrd. Jahren der Raum stark ausgedehnt hat, befinden sich die Orte, von denen Objekte vor 13,8 Mrd. Jahren Licht ausgesandt haben, heute 46 Mrd. Lichtjahre entfernt. Die Objekte selbst können sich durch Eigenbewegung innerhalb des Raumes in der Zeitspanne von 13,8 Mrd. Lichtjahre von diesen Orten noch darüber hinaus weiter entfernt haben. (Quelle:Wikipedia)
Hadron
Der Grund für die Diskrepanz zwischen den beiden Zahlen liegt in der (beschleunigten) Ausdehnung des Universums. Betrachten wir das Licht auf seinem Weg zur Erde und nehmen an, es würde zu einem beliebigen Zeitpunkt einen Planeten im Abstand L zum Ursprung des Lichts passieren. Während seines weiteren Weges zwischen besagtem Planeten und der Erde wird sich das Universum weiter ausdehnen. Das heißt, dass sich die Strecke L zwischen Planet und Ursprung vergrößert. Das Licht war zu diesem Zeitpunkt also nur die Strecke L unterwegs, um dann aber die Tatsächliche Distanz zum Ursprung von der Erde aus zu berechnen, muss diese Verlängerung der Strecke L miteinbezogen werden. Natürlich ist die Berechnung dann nicht ganz so einfach. Das Universum dehnt sich ja in jedem Moment aus und nicht nur, nachdem das Licht den Planeten erreicht hat. Dazu wird dann die Strecke in unendlich kleine Teile zerlegt. Nachdem das Licht einen solchen kleinen Teil durchlaufen hat, wird berechnet wie sich die Teile vor und hinter dem Lichtstrahl ausdehnen und dann letztendlich alle dieser „kleinen Schritte“ zusammengefasst. Die ursprüngliche Distanz zwischen Erde und Ursprung des Lichtes betrug übrigens auch nicht 13,8 Milliarden Lichtjahre, sondern weniger. Auch das liegt wieder an der Expansion des Universums. Mit der selben Begründung, nur ‘umgedreht’: teilt man zu Beginn, bei Aussendung des Lichts, die gesamte Strecke in zwei Teile. So hat sich offenbar der zweite Teil, nachdem das Licht den ersten Teil durchlaufen hat, ausgedehnt. Geht man wieder zu den „kleinen Schritten“ über, summiert sich das letztendlich zu den berechneten 13,8 Milliarden Jahren. Im ersten Fall (beim Tatsächlichen Abstand), muss also berücksichtigt werden, dass sich die bereits zurückgelegte Distanz noch weiter ausdehnt. Im letzteren Fall, dass die noch zurückzulegende Distanz sich weiter ausdehnen wird.
Markus (Doktorand, Theoretische Physik)