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 als Gesamtem. Jeder Ort im Universum hat sein eigenes beobachtbares Universum, welches sich mit dem unsrigen überlappen kann, aber nicht muss.

Beobachtungshorizont[Bearbeiten]

Der Beobachtungshorizont begrenzt den Teil des Universums, von dem uns seit dem Urknall Informationen erreicht haben können. Bereiche jenseits des Beobachtungshorizonts können nicht beobachtet werden, weil die Zeit seit dem Urknall nicht ausreicht, um von dort Licht erhalten zu können. Ebenso ist die Geschwindigkeit der Übertragung von Information oder der Bewegung von Materie (Partikel) durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt, also können uns von Ereignissen hinter dem Beobachtungshorizont auch keine Informationen erreichen (s. auch Lichtkegel).

Die heutige Entfernung bis zum Beobachtungshorizont ist jedoch nicht 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]

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 400.000 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. Zum Zeitpunkt ihrer Aussendung vor etwa 14 Milliarden Jahren betrug die Entfernung nur 30 Millionen Lichtjahre, das Verhältnis dieser Entfernungen z = 1500 ist der Faktor der Expansion des Universums über diesen Zeitraum und zugleich die Rotverschiebung.

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 (und damit die Masse) des Objektes selbst nicht ändert. Heute ist auch keine Informationsübertragung von einem Objekt am Beobachtungshorizont zu uns (oder umgekehrt) mehr möglich.

Ereignishorizont[Bearbeiten]

Hauptartikel: Ereignishorizont

Im Gegensatz zum Beobachtungshorizont, der angibt, wie weit Objekte aktuell maximal entfernt sein können, damit deren Licht uns heute erreicht, gibt der Ereignishorizont 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] Eine Beschleunigung der Ausdehnung durch die dunkle Energie führt dazu, dass Ereignisse und Objekte hinter dem kosmologischen Ereignishorizont in keinem kausalen Zusammenhang mehr mit uns stehen und keinerlei Information von dort mehr zu uns dringen kann. Der Ereignishorizont befindet sich aufgrund der beschleunigten Expansion des Universums, wie der Beobachtungshorizont, in endlicher Entfernung aber deutlich näher als der Beobachtungshorizont. Im Standardmodell ist der Ereignishorizont etwa 16,2 Mrd. Lichtjahre von uns entfernt, entsprechend einer Rotverschiebung von z = 1,8.

Hubble-Radius[Bearbeiten]

Der Hubble-Radius bezeichnet die Entfernung, in der Galaxien eine Zurückweichgeschwindigkeit von c, der Lichtgeschwindigkeit, haben. Er ist 14,2 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt, was einer Rotverschiebung von z = 1,46 entspricht. In einem Universum mit steigender Expansionsgeschwindigkeit können Objekte, die heute innerhalb des Hubble-Radius liegen, aufgrund der beschleunigten Expansion künftig hinter dem Hubble-Radius verschwinden, wodurch uns das von ihnen ausgesandte Licht nicht mehr erreichen kann.

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.