Die Vorstellung, dass sich das Universum mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnt, scheint die ultimative Geschwindigkeitsbegrenzung zu durchbrechen. Das ist nicht der Fall. Aber es macht die Bestimmung der Entfernung im Weltraum viel schwieriger, als nur zu messen, wie lange es gedauert hat, bis das Licht ankam.
Der Weltraum wächst weiter, während Photonen unterwegs sind. Eine Galaxie sendet einen Lichtstrahl aus. Dieses Photon rast auf unser Teleskop zu. Währenddessen dehnt sich das Raumgefüge zwischen ihnen. Wenn das Licht auf die Linse trifft, ist die Quellgalaxie viel weiter entfernt als zu Beginn der Reise des Lichts. Das ist nicht nur theoretisch. Aus diesem Grund müssen sich Astronomen auf Modelle verlassen, um herauszufinden, wo sich die Dinge jetzt befinden.
Das Licht zeigt uns die Vergangenheit. Nicht die Gegenwart.
Um den aktuellen Standort dieser entfernten Objekte abzubilden, verwenden wir einen kosmologischen Rahmen. Insbesondere das Lambda-CDM (LCDM)-Modell. Es ist für dunkle Materie und dunkle Energie verantwortlich. Wir wissen, dass dunkle Materie eine Rolle spielt (siehe separate Folge). Wir wissen, dass dunkle Energie die Beschleunigung antreibt (eine weitere Episode). Es gibt alternative Theorien, aber sie verändern die Kernmechanismen der kosmischen Expansion selten genug, um für diese spezielle Frage von Bedeutung zu sein.
Den Rand des beobachtbaren Universums definieren
Schauen wir uns die Zahlen an. Das Universum ist etwa 13,77 Milliarden Jahre alt. Light hatte so viel Zeit zum Reisen. Naiverweise könnte man also annehmen, dass der Rand dessen, was wir sehen können, 13,77 Milliarden Lichtjahre entfernt ist.
Du liegst falsch.
Da sich der Weltraum während der gesamten Reise des Lichts ausgedehnt hat, ist das Objekt, das dieses älteste Licht aussendete, jetzt etwa 45 Milliarden Lichtjahre entfernt. Diese Grenze wird Teilchenhorizont genannt. Kosmologen nennen es manchmal den mitbewegten Horizont. Manchmal verwenden sie einfach den „kosmologischen Horizont“. Der Name ändert sich mit der Stimmung des Astrophysikers, nicht mit der Physik.
45 Milliarden. Viel größer als 13,77.
Bedeutet das, dass sich Informationen schneller als Licht verbreiten? Nein. Es bedeutet, dass sich der Weltraum selbst ausdehnt. Und der Raum unterliegt nicht den gleichen Regeln wie die Materie.
Die Lichtgeschwindigkeit ist eine örtliche Geschwindigkeitsbegrenzung. Es bestimmt, wie schnell sich Objekte durch den Raum bewegen. Es begrenzt nicht, wie schnell sich der Raum selbst ausdehnen kann. Sie werden nie eine Rakete schneller als c an Ihrem Fenster vorbeifliegen sehen. Wenn Sie jedoch zwei entfernte Galaxien beobachten, können sie sich mit jeder Geschwindigkeit voneinander entfernen. Sie bewegen sich nicht im herkömmlichen Sinne durch den Raum. Der Raum zwischen ihnen wächst einfach.
Warum Redshift wichtiger ist als Geschwindigkeit
Woher wissen wir, dass dies geschieht? Wir messen die Rotverschiebung.
Wenn sich eine Galaxie von uns entfernt, dehnt sich ihr Licht in die rötlicheren, längeren Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums aus. Edwin Hubble nutzte genau dieses Phänomen, um zu entdecken, dass sich das Universum ausdehnt. Er sah, dass weiter entfernte Galaxien eine höhere Rotverschiebung hatten.
Eine höhere Rotverschiebung bedeutet eine schnellere Rezession.
In einem expandierenden Universum sind Entfernung und Geschwindigkeit miteinander verbunden. Je weiter ein Objekt entfernt ist, desto mehr Platz ist zwischen Ihnen und ihm. Mehr Platz bedeutet mehr Expansion. Und mehr Expansion bedeutet höhere Geschwindigkeit.
Es gibt einen bestimmten Wendepunkt. Man nennt sie Hubble-Distanz. Es liegt etwa 13,77 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Objekte in dieser Entfernung entfernen sich mit Lichtgeschwindigkeit von uns.
Über diesen Punkt hinaus? Sie bewegen sich schneller als das Licht.
Ist das Betrug? Nein. So funktioniert die Spezielle Relativitätstheorie auf kosmischer Ebene. Vor Ort gibt es nichts Besseres als Licht. Global? Der Weltraum kann tun und lassen, was er will.
Die verborgene Grenze: Der Ereignishorizont
Wir können also beobachten, wie sich Galaxien schneller als das Licht entfernen. Das scheint paradox. Aber es gibt einen Haken.
Wir sehen diese entfernten, überlichtmäßig zurückweichenden Galaxien nur, weil das Licht, das wir jetzt einfangen, vor Milliarden von Jahren emittiert wurde. Damals waren sie viel näher dran. Sie befanden sich in der Reichweite unserer Teleskope.
Es gibt eine feste Grenze dafür, wie viel wir sehen können. Es ist nicht der Teilchenhorizont (die 45-Milliarden-Lichtjahre-Marke). Es ist etwas Näheres und Endgültigeres.
Der kosmologische Ereignishorizont.
Diese Grenze liegt etwa 17 Milliarden Lichtjahre entfernt und trennt die Galaxien, die wir heute sehen können, von denen, die wir nie sehen werden, egal wie lange wir auf die Ankunft neuen Lichts warten. Licht, das derzeit von jenseits dieser Linie ausgeht, wird uns niemals erreichen. Der Ausbau erfolgt zu schnell.
Dunkle Energie macht diese Grenze aggressiver.
Die durch dunkle Energie vorangetriebene beschleunigte Expansion sorgt dafür, dass sich der Ereignishorizont stabilisiert. Sie wird leicht wachsen und sich schließlich bei etwa 60 Milliarden Lichtjahren einpendeln. Aber darüber hinaus? Dunkelheit.
Die am weitesten entfernten Galaxien werden nicht mehr existieren. Ihr Licht wird sich in Wellenlängen ausdehnen, die so lang und schwach sind, dass sie nicht mehr wahrnehmbar sind.
Das ist keine Spekulation. Es handelt sich um eine Prognose, die auf aktuellen Daten basiert. Wenn die Menschen (oder was auch immer nach uns kommt) in etwa 100 Milliarden Jahren noch nach oben schauen, wird jede Galaxie außerhalb unserer Lokalen Gruppe verschwunden sein. Das Universum wird leer aussehen. Nur unsere eigene Nachbarschaft in einem Meer aus Nichts.
Es ist eine einsame Zukunft für Astronomen. Aber es steht im Einklang mit der Physik, die wir haben. Das Universum dehnt sich aus. Der Raum erstreckt sich. Und manche Dinge gehen der Dunkelheit verloren, nicht weil sie gestorben sind, sondern weil sie zu schnell zu weit gekommen sind.
Und genau so ist es.
