Das beobachtbare Universum ist ein kugelförmiger Bereich des Universums , der die gesamte Materie umfasst , die von der Erde aus beobachtet werden kann. Die elektromagnetische Strahlung dieser astronomischen Objekte hatte seit Beginn der kosmologischen Expansion genügend Zeit, das Sonnensystem und die Erde zu erreichen . Der Radius dieses Bereichs beträgt etwa 14,26 Gigaparsec ( 46,5 Milliarden Lichtjahre oder 4,40 × 10²⁶ m )  .

Der Begriff „beobachtbar“ bezieht sich in diesem Zusammenhang nicht auf die Fähigkeit moderner Technologie, Licht oder andere Informationen von einem Objekt zu erfassen, oder darauf, ob überhaupt etwas zu erfassen ist. Er bezeichnet vielmehr die physikalische Grenze, die durch die Lichtgeschwindigkeit selbst bestimmt wird. Kein Signal kann sich schneller als das Licht ausbreiten, und das Universum existiert erst seit etwa 14 Milliarden Jahren. Objekte, die Licht aussenden, aber so weit entfernt sind, dass dieses Licht die Erde nicht erreicht hat, befinden sich jenseits des Teilchenhorizonts , außerhalb des beobachtbaren Universums. Jeder Ort im Universum hat sein eigenes beobachtbares Universum, das sich mit dem um die Erde zentrierten Universum überschneiden kann, aber nicht muss.

Berechnungen zufolge beträgt die aktuelle mitbewegte Entfernung zu den Teilchen, von denen die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMBR) emittiert wurde und die dem Radius des sichtbaren Universums entspricht, etwa 14,0 Milliarden Parsec (etwa 45,7 Milliarden Lichtjahre). Die mitbewegte Entfernung zum Rand des beobachtbaren Universums beträgt etwa 14,3 Milliarden Parsec (etwa 46,6 Milliarden Lichtjahre) [ 7 ] und ist damit etwa 2 % größer. Der Radius des beobachtbaren Universums wird daher auf etwa 46,5 Milliarden Lichtjahre geschätzt. [ 8 ] [ 9 ] Mithilfe der kritischen Dichte und des Durchmessers des beobachtbaren Universums lässt sich die Gesamtmasse der gewöhnlichen Materie im Universum auf etwa … berechnen.1,5 × 10⁵³  kg . [ 10 ] Im November 2018 berichteten Astronomen, dass das extragalaktische Hintergrundlicht (EBL) etwa4 × 10 84 Photonen. [ 11 ] [ 12 ]

Da sich das Universum immer schneller ausdehnt, werden alle derzeit beobachtbaren Objekte außerhalb des lokalen Superhaufens mit der Zeit scheinbar in der Zeit einfrieren und dabei zunehmend rötlicheres und schwächeres Licht aussenden. Beispielsweise werden Objekte mit einer Rotverschiebung z von 5 bis 10 nur bis zu einem Alter von 4–6 Milliarden Jahren beobachtbar sein. Darüber hinaus wird das Licht von Objekten, die sich derzeit jenseits einer bestimmten mitbewegten Entfernung (derzeit etwa 19 Gigaparsec (62 Gly)) befinden, die Erde niemals erreichen. [ 13 ]

Überblick

Das beobachtbare Universum als Funktion von Zeit und Entfernung im Kontext des expandierenden Universums

Die Größe des Universums ist unbekannt und es könnte unendlich groß sein. [ 14 ] Einige Teile des Universums sind so weit entfernt, dass das seit dem Urknall ausgesendete Licht nicht genügend Zeit hatte, die Erde oder Weltraumteleskope zu erreichen. Sie liegen daher außerhalb des beobachtbaren Universums. In Zukunft wird das Licht ferner Galaxien mehr Zeit gehabt haben, sich auszubreiten, sodass man erwarten kann, dass weitere Regionen beobachtbar werden. Regionen, die weit von Beobachtern (wie uns) entfernt sind, dehnen sich schneller als das Licht aus, mit Raten, die durch das Hubble-Gesetz abgeschätzt werden . [ Anmerkung 1 ] Die Expansionsrate scheint sich zu beschleunigen , wofür die Dunkle Energie als Erklärung vorgeschlagen wurde.

Unter der Annahme, dass die Dunkle Energie konstant bleibt (eine unveränderliche kosmologische Konstante ) und sich die Expansion des Universums weiterhin beschleunigt, existiert eine „zukünftige Sichtbarkeitsgrenze“. Jenseits dieser Grenze können Objekte zu keinem Zeitpunkt in der Zukunft in das beobachtbare Universum gelangen, da das von Objekten außerhalb dieser Grenze ausgesendete Licht die Erde nicht erreichen kann. Da der Hubble-Parameter mit der Zeit abnimmt, kann es vorkommen, dass eine Galaxie, die sich nur geringfügig schneller als das Licht von der Erde entfernt, ein Signal aussendet, das schließlich die Erde erreicht. [ 9 ] [ 15 ] Diese zukünftige Sichtbarkeitsgrenze wird bei einer mitbewegten Entfernung von 19 Milliarden Parsec (62 Milliarden Lichtjahren) berechnet, unter der Annahme, dass sich das Universum unendlich weiter ausdehnt. Dies bedeutet, dass die Anzahl der Galaxien, die theoretisch in unendlicher Zukunft beobachtet werden können, nur um den Faktor 2,36 größer ist als die Anzahl der aktuell beobachtbaren Galaxien (Rotverschiebungseffekte werden vernachlässigt). [ Anmerkung 2 ]

In principle, more galaxies will become observable in the future; in practice, an increasing number of galaxies will become extremely redshifted due to ongoing expansion, so much so that they will seem to disappear from view and become invisible.[16][17][18] A galaxy at a given comoving distance is defined to lie within the "observable universe" if we can receive signals emitted by the galaxy at any age in its history, say, a signal sent from the galaxy only 500 million years after the Big Bang. Because of the universe's expansion, there may be some later age at which a signal sent from the same galaxy can never reach the Earth at any point in the infinite future, so, for example, we might never see what the galaxy looked like 10 billion years after the Big Bang,[13] even though it remains at the same comoving distance less than that of the observable universe.

This can be used to define a type of cosmic event horizon whose distance from the Earth changes over time. For example, the current distance to this horizon is about 16 billion light-years, meaning that a signal from an event happening at present can eventually reach the Earth if the event is less than 16 billion light-years away, but the signal will never reach the Earth if the event is farther away.[9]

The space before this cosmic event horizon can be called "reachable universe", that is all galaxies closer than that could be reached if we left for them today, at the speed of light; all galaxies beyond that are unreachable.[19][20] Simple observation will show the future visibility limit (62 billion light-years) is exactly equal to the reachable limit (16 billion light-years) added to the current visibility limit (46 billion light-years).[21][7]

The reachable Universe as a function of time and distance, in context of the expanding Universe.

"The universe" versus "the observable universe"

Fachartikel in der Kosmologie unterscheiden zwischen den Begriffen „Universum“ und „beobachtbares Universum“ [ 22 ]. Obwohl wir durch direkte Beobachtung niemals etwas über Teile des Universums erfahren können, die kausal von der Erde getrennt sind [ 21 , 23 ] , setzen viele glaubwürdige Theorien ein Gesamtuniversum voraus, das wesentlich größer ist als das beobachtbare Universum [24]. Es gibt keine Hinweise darauf, dass die Grenze des beobachtbaren Universums eine Grenze des gesamten Universums darstellt, noch postuliert eines der gängigen kosmologischen Modelle überhaupt eine physikalische Grenze des Universums. Einige Modelle schlagen jedoch vor, dass es endlich, aber unbegrenzt sein könnte [ Anmerkung 3 ] , vergleichbar mit der zweidimensionalen Oberfläche einer Kugel, die zwar eine endliche Fläche, aber keine Kante besitzt.

Es ist plausibel, dass die Galaxien im beobachtbaren Universum nur einen winzigen Bruchteil aller Galaxien im Universum ausmachen. Gemäß der Theorie der kosmischen Inflation, die ursprünglich von Alan Guth und D. Kazanas eingeführt wurde [ 25 ] , würde die Annahme, dass die Inflation etwa 10⁻³⁷ Sekunden nach dem Urknall begann und die Größe des Universums vor der Inflation ungefähr dem Produkt aus Lichtgeschwindigkeit und Alter entsprach, bedeuten, dass die heutige Größe des gesamten Universums mindestens … beträgt.1,5 × 10³⁴ Lichtjahre – das ist mindestens3 × 10 23 mal der Radius des beobachtbaren Universums. [ 26 ]

Wenn das Universum endlich, aber unbegrenzt ist, könnte es auch kleiner sein als das beobachtbare Universum. In diesem Fall könnten die Galaxien, die wir für sehr weit entfernt halten, tatsächlich Duplikate von nahen Galaxien sein, entstanden durch Licht, das das Universum umrundet hat. Diese Hypothese lässt sich experimentell nur schwer überprüfen, da verschiedene Bilder einer Galaxie unterschiedliche Epochen ihrer Geschichte zeigen und daher sehr unterschiedlich erscheinen könnten. Bielewicz et al. [ 27 ] geben an, eine untere Grenze von 27,9 Gigaparsec (91 Milliarden Lichtjahre) für den Durchmesser der letzten Streufläche ermittelt zu haben. Dieser Wert basiert auf einer Matching-Circle-Analyse der siebenjährigen WMAP- Daten. Dieser Ansatz ist umstritten. [ 28 ]

Größe

Das Hubble-Ultra-Deep-Field- Bild zeigt einen Bereich des beobachtbaren Universums (die entsprechende Himmelsfläche ist unten links dargestellt) nahe dem Sternbild Fornax . Jeder Punkt repräsentiert eine Galaxie mit Milliarden von Sternen. Das Licht der kleinsten, am stärksten rotverschobenen Galaxien entstand vor etwa 12,6 Milliarden Jahren [ 29 ] , also etwa zum Zeitpunkt des Urzeitalters des Universums .

Die mitbewegte Entfernung von der Erde zum Rand des beobachtbaren Universums beträgt  in jeder Richtung etwa 14,26 Gigaparsec (46,5 Milliarden Lichtjahre oder 4,40 × 10²⁶ m). [ 30 ] : 2 Das beobachtbare Universum ist somit eine Kugel mit einem Durchmesser von etwa 28,5 Gigaparsec [ 31 ] (93 Milliarden Lichtjahre oder 8,8 × 10²⁶  m). [ 32 ] Unter der Annahme, dass der Raum annähernd flach ist (im Sinne eines euklidischen Raums ), entspricht diese Größe einem mitbewegten Volumen von etwa1,22 × 10 4  Gpc 3 (4,22 × 10 5  Gly 3 oder3,57 × 10 80  m 3 ). [ 33 ]

Dies sind Entfernungen in der Gegenwart ( kosmologischer Zeit ), nicht Entfernungen zum Zeitpunkt der Lichtemission. Beispielsweise wurde die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung, die wir heute sehen, zum Zeitpunkt der Photonenentkopplung emittiert , die schätzungsweise vor etwa 10⁻¹⁰ Jahren stattfand.380.000 Jahre nach dem Urknall [ 34 ] [ 35 ] , der vor etwa 13,8 Milliarden Jahren stattfand, wurde diese Strahlung von Materie emittiert, die sich in der Zwischenzeit größtenteils zu Galaxien verdichtet hat. Diese Galaxien sind heute schätzungsweise 46 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. [ 7 ] [ 9 ] Um die Entfernung dieser Materie zum Zeitpunkt der Lichtemission abzuschätzen, ist zunächst zu beachten, dass gemäß der Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-Metrik , die zur Modellierung des expandierenden Universums verwendet wird, der Skalenfaktor zum Zeitpunkt der ursprünglichen Lichtemission bei einer Rotverschiebung von z durch [ 36 ] [ 37 ] gegeben ist.

Die

Die neunjährigen Ergebnisse des WMAP-Projekts , kombiniert mit anderen Messungen, ergeben die Rotverschiebung der Photonenentkopplung zu z  = 1 091 ,64 ± 0,47 , [ 38 ] , woraus folgt, dass der Skalenfaktor zum Zeitpunkt der Photonenentkopplung 1 ⁄ 1092,64 betragen würde . Wenn die Materie, die ursprünglich die ältesten CMBR- Photonen emittierte , heute eine Entfernung von 46 Milliarden Lichtjahren hat, dann hätte die Entfernung zum Zeitpunkt der Entkopplung nur etwa 42 Millionen Lichtjahre betragen.

Die Lichtlaufzeit bis zum Rand des beobachtbaren Universums beträgt das Alter des Universums multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit , also 13,8 Milliarden Lichtjahre. Dies ist die Strecke, die ein Photon, das kurz nach dem Urknall emittiert wurde, beispielsweise eines aus der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung , zurückgelegt hat, um Beobachter auf der Erde zu erreichen. Da die Raumzeit gekrümmt ist und sich der Raum ausdehnt , entspricht diese Entfernung zu keinem Zeitpunkt der tatsächlichen Entfernung. [ 39 ]

Materie und Masse

Anzahl der Galaxien und Sterne

Das beobachtbare Universum enthält schätzungsweise bis zu 2 Billionen Galaxien [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] und insgesamt bis zu 10<sup> 24</sup> Sterne [ 43 ] [ 44 ] – mehr Sterne (und möglicherweise erdähnliche Planeten) als alle Sandkörner an den Stränden der Erde zusammen. [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] Andere Schätzungen gehen von Hunderten von Milliarden statt Billionen aus. [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] Wenn das Modell der kosmischen Inflation zutrifft und sich das Universum um mehr als 60 e-Faltungen ausgedehnt hat, könnte es über 10<sup> 100</sup> Sterne enthalten. [ 51 ]

Stoffgehalt – Anzahl der Atome

Angenommen, die Masse gewöhnlicher Materie beträgt etwaAusgehend von 1,45 × 10⁵³  kg (wie oben erläutert) und unter der Annahme, dass alle Atome Wasserstoffatome sind (die etwa 74 % aller Atome in der Milchstraße nach Masse ausmachen), ergibt sich die geschätzte Gesamtzahl der Atome im beobachtbaren Universum durch Division der Masse gewöhnlicher Materie durch die Masse eines Wasserstoffatoms. Das Ergebnis sind ungefähr 10⁸⁰ Wasserstoffatome , auch bekannt als Eddington-Zahl . [ 52 ]

Masse gewöhnlicher Materie

Die Masse des beobachtbaren Universums wird häufig mit 10⁵³  kg angegeben. [ 53 ] Hierbei bezieht sich die Masse auf gewöhnliche (baryonische) Materie und umfasst das interstellare Medium (ISM) und das intergalaktische Medium (IGM). Dunkle Materie und dunkle Energie sind jedoch nicht enthalten . Dieser angegebene Wert für die Masse der gewöhnlichen Materie im Universum lässt sich anhand der kritischen Dichte abschätzen. Die Berechnungen beziehen sich ausschließlich auf das beobachtbare Universum, da das Volumen des gesamten Universums unbekannt und möglicherweise unendlich ist.

Schätzungen basierend auf der kritischen Dichte

Die kritische Dichte ist die Energiedichte, bei der das Universum flach ist. [ 54 ] Existiert keine Dunkle Energie, so ist sie auch die Dichte , bei der die Expansion des Universums zwischen fortgesetzter Expansion und Kollaps schwankt. [ 55 ] Aus den Friedmann-Gleichungen ergibt sich der Wert für die kritische Dichte zu: [ 56 ]

wobei G die Gravitationskonstante und H = H₀ der aktuelle Wert der Hubble-Konstante ist . Der Wert für H₀ , gemessen vom Planck-Teleskop der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), beträgt H₀ = 67,15 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec. Daraus ergibt sich eine kritische Dichte von0,85 × 10⁻²⁶  kg/m³ , das entspricht etwa 5 Wasserstoffatomen pro Kubikmeter. Diese Dichte umfasst vier wesentliche Energie-/Massearten: gewöhnliche Materie (4,8 %), Neutrinos (0,1 %), kalte dunkle Materie (26,8 %) und dunkle Energie (68,3 %). [ 57 ]

Obwohl Neutrinos zu den Standardmodellteilchen gehören , werden sie separat aufgeführt, da sie ultrarelativistisch sind und sich daher eher wie Strahlung als wie Materie verhalten . Die Dichte gewöhnlicher Materie, gemessen von Planck, beträgt 4,8 % der gesamten kritischen Dichte.4,08 × 10⁻²⁸  kg/m³ . Um diese Dichte in Masse umzurechnen, müssen wir sie mit dem Volumen multiplizieren, einem Wert, der auf dem Radius des „beobachtbaren Universums“ basiert. Da sich das Universum seit 13,8 Milliarden Jahren ausdehnt, beträgt die mitbewegte Entfernung (Radius) nun etwa 46,6 Milliarden Lichtjahre. Somit ist das Volumen (4/3⁠ πr 3 ) gleich3,58 × 10 80  m 3 und die Masse gewöhnlicher Materie entspricht der Dichte (4,08 × 10 −28  kg/m 3 ) mal Volumen (3,58 × 10 80  m 3 ) oder1,46 × 10 53  kg .

Großskalige Struktur

Computersimulation eines Weltraumbereichs mit einem Durchmesser von mehr als 50 Millionen Lichtjahren, die eine mögliche großräumige Verteilung von Lichtquellen im Universum zeigt – die genauen relativen Beiträge von Galaxien und Quasaren sind unklar.

Die großräumige Struktur des Universums ist in der Kosmologie die Bezeichnung für die Verteilung der Materie im gesamten beobachtbaren Universum. Himmelsdurchmusterungen und Kartierungen der verschiedenen Wellenlängenbereiche elektromagnetischer Strahlung (insbesondere der 21-cm-Emission ) haben zahlreiche Informationen über die Zusammensetzung und Beschaffenheit der Struktur des Universums geliefert . Die Struktur scheint einem hierarchischen Modell zu folgen, das bis zur Größe von Superclustern und Filamenten eine gewisse Ordnung aufweist. Darüber hinaus (im Bereich zwischen 30 und 200 Megaparsec) [ 58 ] scheint keine kontinuierliche Struktur mehr vorzuliegen – ein Phänomen, das als „ Ende der Größe“ bezeichnet wird . [ 59 ] Die Form der großräumigen Struktur lässt sich durch das Materieleistungsspektrum zusammenfassen .

Die entferntesten Objekte

Das entfernteste identifizierte astronomische Objekt ist eine Galaxie der Spektralklasse MoM - z14 [ 60 ] mit einer Rotverschiebung von 14,44. Im Jahr 2009 wurde bei einem Gammablitz , GRB 090423 , eine Rotverschiebung von 8,2 festgestellt . Dies deutet darauf hin, dass der kollabierende Stern, der ihn verursachte, explodierte, als das Universum erst 630 Millionen Jahre alt war [ 61 ] . Der Ausbruch ereignete sich vor etwa 13 Milliarden Jahren [ 62 ] , weshalb in den Medien häufig eine Entfernung von etwa 13 Milliarden Lichtjahren angegeben wurde, manchmal auch der präzisere Wert von 13,035 Milliarden Lichtjahren [ 61 ] .

Dies wäre die „Lichtwegstrecke“ (siehe Entfernungsmaße (Kosmologie) ) und nicht die „ Eigenentfernung “, die sowohl im Hubble-Gesetz als auch zur Definition der Größe des beobachtbaren Universums verwendet wird. Der Kosmologe Ned Wright spricht sich gegen die Verwendung dieses Maßes aus. [ 63 ] Die Eigenentfernung für eine Rotverschiebung von 8,2 läge bei etwa 9,2 Gpc [ 64 ] oder etwa 30 Milliarden Lichtjahren.

Horizonte

Die Grenzen der Beobachtbarkeit im Universum werden durch kosmologische Horizonte bestimmt, die – basierend auf verschiedenen physikalischen Randbedingungen – den Umfang der Informationen begrenzen, die über verschiedene Ereignisse im Universum gewonnen werden können. Der bekannteste Horizont ist der Teilchenhorizont , der aufgrund des endlichen Alters des Universums die genaue Entfernung begrenzt, die beobachtet werden kann . Weitere Horizonte sind mit der möglichen zukünftigen Ausdehnung von Beobachtungen verbunden, die aufgrund der Expansion des Raums größer als der Teilchenhorizont ist , sowie mit einem „optischen Horizont“ an der Oberfläche der letzten Streuung und assoziierten Horizonten an der Oberfläche der letzten Streuung für Neutrinos und Gravitationswellen .

Künstlerische Darstellung des beobachtbaren Universums im logarithmischen Maßstab mit dem Sonnensystem im Zentrum, den inneren und äußeren Planeten, dem Kuipergürtel , der Oortschen Wolke , Alpha Centauri , dem Perseusarm , der Milchstraße , der Andromedagalaxie , nahen Galaxien , dem kosmischen Netz , der kosmischen Mikrowellenstrahlung und dem unsichtbaren Plasma des Urknalls am Rand. Die Himmelskörper sind vergrößert dargestellt, um ihre Formen besser sichtbar zu machen.
DTFE-Rekonstruktion der inneren Bereiche der 2dF-Galaxienrotverschiebungsdurchmusterung

Siehe auch

Anmerkungen

  1. ^ Die spezielle Relativitätstheorie verhindert, dass sich nahe beieinander liegende Objekte im selben lokalen Bereich relativ zueinander schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Für weit voneinander entfernte Objekte gibt es jedoch keine solche Einschränkung, wenn sich der Raum zwischen ihnen ausdehnt; siehe dazu die Anwendung der Eigendistanz .
  2. Die mitbewegte Entfernung der zukünftigen Sichtbarkeitsgrenze wird auf Seite 8 von Gott et al.s „ A Map of the Universe“ mit dem 4,5-Fachen des Hubble-Radius berechnet , der mit 4,220 Milliarden Parsec (13,76 Milliarden Lichtjahre) angegeben ist. Der aktuelle mitbewegte Radius des beobachtbaren Universums wird auf Seite 7 mit dem 3,38-Fachen des Hubble-Radius berechnet. Die Anzahl der Galaxien in einer Kugel mit einem gegebenen mitbewegten Radius ist proportional zur dritten Potenz des Radius. Wie auf Seite 8 gezeigt, beträgt das Verhältnis zwischen der Anzahl der in der zukünftigen Sichtbarkeitsgrenze beobachtbaren Galaxien und der Anzahl der heute beobachtbaren Galaxien (4,50/3,38) ³ = 2,36.
  3. Dies bedeutet nicht „unbegrenzt“ im mathematischen Sinne; ein endliches Universum hätte eine obere Grenze für den Abstand zwischen zwei Punkten. Es bedeutet vielmehr, dass es keine Grenze gibt, jenseits derer nichts existiert. Siehe geodätische Mannigfaltigkeit .

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