Die vielleicht größte Entdeckung über das Universum, die wir Ende des letzten Jahrhunderts gemacht haben, als wir eine der seltsamsten kosmischen Wahrheiten entdeckten: Ferne Galaxien fliegen nicht nur mit der Zeit von uns weg, sondern fliegen auch immer schneller weg. Die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums im Rahmen des Supernova Cosmology Project mit Hilfe des High-z Supernova Search Teams brachte Wissenschaftlern den Nobelpreis für Physik ein. Dies ist zwar eines der seltsamsten und ungewöhnlichsten Phänomene im Universum.
Tatsache ist, dass das Universum nicht immer beschleunigte und von uns wegflog. Seit Milliarden von Jahren hat sich die Expansion verlangsamt, und für jemanden, der vor zehn Milliarden Jahren lebte, scheint es, als würde sie schrumpfen. Was ist passiert?
In den 1920er Jahren wurden vier Beweise vorgelegt - drei Observable und eine theoretische -, dass sich das Universum ausdehnte. Hier sind sie:
1. Entdeckte, dass die Spiralnebel am Nachthimmel echte Galaxien oder "Inseluniversen" waren, die Milliarden von Sternen enthielten und sich weit hinter der Milchstraße befanden.
2. Die Messung der Rot- und Blauverschiebungen dieser Galaxien durch Vesto Slifer zeigte, wie schnell sich diese Galaxien entweder von uns entfernen (Rotverschiebung) oder sich uns nähern (Blauverschiebung), und die überwiegende Mehrheit folgte dem ersten Szenario.
3. Entfernungsmessungen zu jeder dieser Galaxien wurden von Edwin Hubble und seinem Assistenten Milton Humason durchgeführt. In Kombination mit den Beobachtungen von Slipher zeigten sie eine klare Beziehung: Je weiter die Galaxie entfernt war, desto schneller schien sie sich von uns zu entfernen.
4. Schließlich ein kraftvoller theoretischer Sprung dank Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie: Die Erkenntnis, dass das Universum, das mit Galaxien von ungefähr derselben Dichte in alle Richtungen gefüllt ist, instabil sein muss, es sei denn, es dehnt sich aus oder zieht sich zusammen.
Dies führte zu einem Bild des Universums von 1929: Es war heißer, dichter und dehnte sich in der Vergangenheit schneller aus und wurde dann kälter, weniger dicht und dehnte sich mit der Zeit langsamer aus.
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Dies ist aus Sicht des Urknalls ziemlich logisch. Stellen Sie sich den Urknall als Startpistole eines großen Weltraumrennens vor, eines Rennens zwischen der anfänglichen Expansion auf der einen Seite, die anfangs sehr schnell war, und der Schwerkraft auf der anderen Seite, die alles zusammenhält. Es ist leicht vorstellbar, dass drei verschiedene Optionen zu einer unterschiedlichen Geschwindigkeit des Universums führen:
1. Große Kompression. Vielleicht war die anfängliche Expansionsrate ziemlich hoch, aber die Schwerkraft war stärker. Die Expansion sollte langsamer werden und aufhören. Das Universum muss seine maximale Größe erreichen und anfangen zu schrumpfen. Und schließlich muss es wieder zusammenbrechen und vor dem Urknall in den Staat zurückkehren.
2. Tolles Einfrieren. Dies ist das entgegengesetzte Szenario zum vorherigen: In diesem Fall beginnt die Expansion schnell und die Schwerkraft verlangsamt sie, aber nicht genug. Die Expansion dauert ewig, die Schwerkraft verlangsamt sie die ganze Zeit, kann sie aber nicht aufhalten. Dieses Szenario ist als Hitzetod des Universums bekannt: The Great Freeze.
3. Kritisches Universum. Es besteht auch die Möglichkeit, dass Sie sich in der Mitte befinden, wenn sich Expansionsrate und Schwerkraft ausgleichen und sich die Expansionsrate mit der Zeit verlangsamt. Ein Teilchen weniger, ein Teilchen mehr im Universum - und Sie erhalten das erste oder zweite Szenario. Aber dieses Teilchen existiert nicht. Das Szenario "kritisches Universum" würde zu einem möglichst langsamen Hitzetod führen.
Für Milliarden von Jahren schien es, dass die kritische Option gewinnen würde. Sie sehen, wenn Sie im Universum leben und verschiedene Galaxien betrachten, können Sie nicht nur die aktuelle Expansionsrate messen, sondern durch Betrachten der entferntesten Galaxien auch die Expansionsrate zu Beginn der Geschichte des Universums.
Dieses Bild zeigt Galaxien, die für uns bereits unerreichbar sind.
Milliarden von Jahren - genauer gesagt etwa sieben Milliarden - schienen wir in einem kritischen Universum zu leben. Die Expansion begann in der Ära der Strahlung (Photonen und Neutrinos), und dann kühlte sich alles so weit ab, dass die Ära der Materie (sowohl gewöhnliche als auch dunkle) beginnen konnte. Während sich das Universum weiter ausdehnte, nahm die Dichte der Materie ab und ab, während das Volumen der Materie zunahm und die Masse gleich blieb.
Aber irgendwann fiel die Dichte der Materie auf einen so niedrigen Wert, dass ein weiterer, subtilerer Beitrag zur Energiedichte des Universums entstand: die Dunkle Energie. In etwa sieben Milliarden Jahren erreichte der Wert der Dunklen Materie mehrere Prozent der Gesamtenergiedichte, und als das Universum 7,8 Milliarden Jahre alt war, hatte die Dichte der Dunklen Energie einen wichtigen Wert erreicht: 33% der Gesamtenergiedichte im Universum. Dies ist wichtig, da diese Menge an dunkler Energie benötigt wird, damit die Expansionsrate zu steigen beginnt.
Seitdem, vor ungefähr 6 Milliarden Jahren, begann die Dichte der Materie abzunehmen, während die dunkle Energie konstant blieb. Derzeit macht dunkle Materie etwa 68% der Gesamtenergie des Universums aus, und die Materie ist auf insgesamt 32% gesunken (27% dunkle Materie und 5% gewöhnliche Materie). Im Laufe der Zeit wird die Dichte der Materie in Zukunft weiter sinken, während die Dichte der dunklen Energie konstant bleibt und die dunkle Energie immer häufiger wird.
Energiedichte im Universum zu verschiedenen Zeiten in seiner Vergangenheit
Für einzelne Galaxien bedeutet dies, dass die Galaxie, die sich zur Zeit des Urknalls schneller von uns entfernte als andere, in den ersten 7,8 Milliarden Jahren einen offensichtlichen Geschwindigkeitsabfall (aus unserer Sicht) aufweisen wird. Dann hört die Verzögerungsrate auf zu fallen und bleibt für einige Zeit unverändert. Dann wird es anfangen zu wachsen und die Galaxie wird sich noch schneller als zuvor von uns entfernen, da sich der Raum zwischen uns und fernen Galaxien mit einer enormen Geschwindigkeit ausdehnt. Irgendwann - und das ist beängstigend, weil es für 97% der Galaxien in unserem sichtbaren Universum gilt - bewegt sich jede Galaxie außerhalb unserer lokalen Gruppe mit einer Geschwindigkeit weg, die schneller als die Lichtgeschwindigkeit ist, und wird daher aufgrund physikalischer Einschränkungen außer Reichweite.
Gelb umrandet ist die aktuelle Größe des sichtbaren Universums: 46 Milliarden Lichtjahre; Die Größe, die wir erreichen können, ist in Pink: 14,5 Milliarden Lichtjahre
Soweit wir das beurteilen können, hatte das Universum immer die Menge an dunkler Energie, die es jetzt im Kosmos selbst hat. Aber es dauerte 7,8 Milliarden Jahre oder die gesamte Geschichte des Universums eineinhalb Milliarden Jahre, bis sich unser Sonnensystem bildete, bis die Dichte der Materie auf ein solches Niveau abfiel, dass dunkle Energie die Expansion des Universums übernahm. Seitdem sind alle Galaxien außerhalb unserer lokalen Gruppe von uns zurückgetreten und werden weiter zurücktreten, bis die letzte verschwindet. Das Universum hat sich in den letzten sechs Milliarden Jahren erweitert, und wenn wir früher erschienen wären, wären wir möglicherweise nicht über diese drei Optionen hinausgegangen, die unsere Intuition bietet. Bestenfalls konnten wir nur erraten, was genau das Universum ist. Und das wäre unsere größte Belohnung.
