Beobachtbares Universum

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Künstlerische Darstellung des beobachtbaren Universums in logarithmischer Skalierung und Zentrierung auf das Sonnensystem. Abgebildet sind die inneren und äußeren Planeten des Sonnensystems, der Kuipergürtel, die Oortsche Wolke, Alpha Centauri, der Perseusarm, die Milchstraße, der Andromedanebel, Nachbargalaxien, Filamente und Voids, die kosmische Hintergrundstrahlung und der Plasmazustand kurz nach dem Urknall.

Das beobachtbare Universum ist im Standardmodell der Kosmologie der Teil des Universums, der im Prinzip von der Erde aus unserer Beobachtung zugänglich ist. Unter der Annahme, dass das Universum isotrop ist, besitzt das von der Erde aus beobachtbare Universum die Gestalt einer Kugel mit der Erde im Mittelpunkt. Dies ist unabhängig von der Form des Universums im Gesamten. Jeder Ort im Universum hat sein eigenes beobachtbares Universum, welches sich mit dem unsrigen überlappen kann, aber nicht muss. Es gibt verschiedene Ansätze, den Radius dieser Kugel zu bestimmen.

Beobachtungshorizont[Bearbeiten]

Der Beobachtungshorizont oder auch Partikelhorizont begrenzt den Teil des Universums, von dem uns seit dem Urknall Informationen erreicht haben können.

Die heutige Entfernung bis zum Beobachtungshorizont ist jedoch nicht (wie häufig fälschlicherweise beschrieben) durch das Alter des Universums (ca. 13,7 Milliarden Jahre) multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit gegeben, also nicht 13,7 Milliarden Lichtjahre, sondern größer; sie wird aktuell im Rahmen des Urknall-Standardmodells auf ca. 46,6 Milliarden Lichtjahre beziffert.[1] Es ist nämlich zu berücksichtigen, dass sich das Universum weiter ausgedehnt hat, während sich das Licht vom Beobachtungshorizont zu uns bewegte, d. h., bereits zurückgelegte Strecken sind nachträglich länger geworden.[2] Die entferntesten Objekte, deren Licht wir heute wahrnehmen können, befanden sich zu der Zeit, als sie dieses Licht aussandten, in einer Entfernung von gerade einmal 40 Millionen Lichtjahren - kaum näher als der damalige Ereignishorizont. Heute trennen uns von diesen Objekten die besagten 46,6 Milliarden Lichtjahre; da sie aber schon seit langer Zeit den Ereignishorizont überschritten haben, gibt es keine Möglichkeit, jemals etwas über die derzeitigen Vorgänge in dieser Entfernung zu erfahren. Das Verhältnis dieser Entfernungen ist der Faktor der Expansion des Universums über diesen Zeitraum und zugleich die Rotverschiebung.

Oft wird auch die gleichwertige, umgekehrte Betrachtung zur Definition benutzt: Der Partikelhorizont ist dann die Kugeloberfläche, bis zu der lichtschnelle Strahlung vorgedrungen wäre, wenn sie an unserem Standpunkt unmittelbar nach dem Urknall ausgesendet worden wäre und sich ungehindert hätte ausbreiten können.

Berechnung[Bearbeiten]

Die Entfernung zum Partikelhorizont lässt sich gemäß folgender Formel berechnen[3]:

r_p = {c} \int_0^{t_0} \frac{1}{a(t)} \, \mathrm dt,

wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist und t die Zeit (beim Urknall gleich null sowie heute gleich Weltalter t_0). Die Größe a(t) ist der Skalenfaktor, eine dimensionslose Größe, deren Verlauf über der Zeit die Ausdehnung des Universums angibt und die heute gleich eins ist (a(0)=0, a(t_0)=1). Wenn das Integral für ein gegebenes a(t) divergiert, so besitzt das zugehörige Universum keinen Partikelhorizont.

Kosmische Hintergrundstrahlung als Grenze[Bearbeiten]

Vereinfachte Darstellung des beobachtbaren Universums:
Zeitachse nach oben, Raumdimensionen waagerecht nach außen;
theoretischer Beobachtungshorizont als äußerer und kosmische Hintergrundstrahlung bzw. tatsächlicher Beobachtungshorizont als innerer Kegel,
zwischen beiden - hellgrau dargestellt - das undurchsichtige Plasma.
Die über die Zeit ungleichmäßige Expansion des Universums ist nicht dargestellt.

In der Praxis ist für elektromagnetische Strahlung bei den meisten Wellenlängen der Beobachtungshorizont geringfügig näher, weil das frühe Universum für Licht undurchlässig war. Die am weitesten zurückliegende Information und damit die Information über die am weitesten entfernten Bereiche, die man über elektromagnetische Wellen erhält, stammt aus der Zeit von etwa 380.000 Jahren nach dem Urknall, als das Universum durchsichtig wurde. Diese Strahlung ist als kosmische Hintergrundstrahlung bekannt und stammt demnach vom Rand des heute beobachtbaren Universums.

Rotverschiebung[Bearbeiten]

Auf Grund der Expansion des Universums ist die Strahlung von einem Objekt umso stärker rotverschoben, je näher dieses dem Beobachtungshorizont ist; beim Beobachtungshorizont ist die Rotverschiebung unendlich. Allerdings ist die Annahme falsch, dass sich Objekte am Beobachtungshorizont heute mit Lichtgeschwindigkeit von uns weg bewegen, wie man das bei einer einfachen (falschen) Interpretation der kosmologischen Rotverschiebung als Dopplereffekt in einem statischen Universum meinen könnte. Objekte am Beobachtungshorizont „bewegen“ sich heute scheinbar mit mehr als 3-facher Lichtgeschwindigkeit von uns weg. Das steht jedoch nicht im Widerspruch zur Relativitätstheorie, weil die Expansion des Universums keine Bewegung im Raum, sondern eine Expansion des Raumes selbst ist, sich also die kinetische Energie des Objektes selbst nicht ändert. Heute ist, wie gesagt, auch keine Informationsübertragung von einem Objekt am Beobachtungshorizont zu uns (oder umgekehrt) mehr möglich.

Hubble-Radius[Bearbeiten]

Der Hubble-Radius ist bedingt durch die Expansion des Universums. Er bezeichnet die Entfernung, in der Galaxien eine Zurückweichgeschwindigkeit von c, der Lichtgeschwindigkeit, haben; entsprechend heißt die zugehörige Sphäre, die diese Grenzfläche markiert, Hubble-Sphäre. Alle Objekte innerhalb diese Sphäre entfernen sich von der Erde mit einer Geschwindigkeit kleiner c, alle Objekte außerhalb mit Überlichtgeschwindigkeit. Der Hubble-Radius beträgt etwa 14,2 Milliarden Lichtjahre, was einer Rotverschiebung von z = 1,46 entspricht. Er ist umgekehrt proportional zum Hubble-Parameter. Dieser hat seit dem Urknall stark abgenommen und wird sich erst in den nächsten paar Milliarden Jahren voraussichtlich langsam bei einem Wert etwas unter dem heutigen stabilisieren. Daher ist der Hubble-Radius im Laufe der Zeit gewachsen und wächst auch heute noch weiter. Weil dies heute allerdings vergleichsweise langsam geschieht, überschreiten laufend Galaxien aufgrund ihrer bereits sehr hohen Fluchtgeschwindigkeit nahe c die Hubble-Sphäre.

Ereignishorizont[Bearbeiten]

Hauptartikel: Ereignishorizont

Der Ereignishorizont gibt an, wie weit ein Objekt heute maximal von uns entfernt sein darf, so dass uns sein Licht in einem theoretischen Grenzwert in der unendlichen Zukunft gerade noch prinzipiell erreichen kann.[3] Es scheint zunächst, dass diese Entfernung deckungsgleich mit dem Hubble-Radius sein müsste, da uns Lichtstrahlen nie erreichen können, wenn sie in einem Bereich ausgesendet werden, der sich mit Überlichtgeschwindigkeit von uns entfernt. Tatsächlich aber liegt der Ereignishorizont etwas weiter entfernt: Im Standardmodell etwa 16,2 Mrd. Lichtjahre, entsprechend einer Rotverschiebung von z = 1,8. Das liegt darin begründet, dass der Hubble-Radius in der Zukunft noch etwas wachsen wird und daher manche Lichtstrahlen wieder in den Bereich innerhalb der Hubble-Sphäre "hereinrutschen" können. Ereignisse und Objekte hinter dem kosmologischen Ereignishorizont jedoch stehen in keinem kausalen Zusammenhang mehr mit uns; es können keinerlei Informationen von dort mehr zu uns dringen (und umgekehrt).

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. J. Richard Gott III, Mario Jurić, David Schlegel u.a.: A Map of the Universe. Online auf astro.princeton.edu, 2005 (Englisch, PDF, 3,7 MB, 51 S.)
  2. Frequently Asked Questions in Cosmology. Englisch. Online auf Astro.ucla.edu. Abgerufen am 20. April 2013.
  3. a b Tamara M. Davis, Charles H. Lineweaver: Expanding Confusion: common misconceptions of cosmological horizons and the superluminal expansion of the universe. In: Publications of the Astronomical Society of Australia. 21, Nr. 1, 2004. arXiv:astro-ph/0310808. Bibcode: 2004PASA...21...97D. doi:10.1071/AS03040.