Eine der wichtigsten Errungenschaften des 20. Jahrhunderts war die genaue Definition, wie groß, riesig und massiv unser Universum ist. Mit ungefähr zwei Billionen Galaxien in einem Radius von 46 Milliarden Lichtjahren können wir mit unserem beobachtbaren Universum die gesamte Geschichte unseres Kosmos bis zum Urknall und vielleicht sogar etwas früher rekonstruieren. Aber was ist mit der Zukunft? Wie wird das Universum sein? Wird es?
Jemand sagt, dass sich die Expansion des Universums verlangsamt. Der Nobelpreis wurde für die "Entdeckung" verliehen, dass die Expansion des Universums zunimmt. Aber wer hat recht? Könnte das Universum eines Tages im Prozess der sogenannten Urkompression (umgekehrt zum Urknall) zusammenbrechen?
Zukünftiges Verhalten lässt sich am besten anhand des Verhaltens der Vergangenheit vorhersagen. Aber so wie Menschen uns manchmal überraschen können, kann es auch das Universum.
Die Expansionsrate des Universums zu einem bestimmten Zeitpunkt hängt nur von zwei Faktoren ab: der Gesamtenergiedichte, die in der Raumzeit existiert, und dem Ausmaß der vorhandenen Raumkrümmung. Wenn wir die Gesetze der Schwerkraft verstehen und wissen, wie sich verschiedene Arten von Energie im Laufe der Zeit entwickeln, können wir alles rekonstruieren, was zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit passiert ist. Wir können auch verschiedene entfernte Objekte in verschiedenen Entfernungen betrachten und messen, wie sich das Licht aufgrund der Raumausdehnung ausdehnt. Jede Galaxie, Supernova, molekulare Gaswolke und dergleichen - alles, was Licht absorbiert oder emittiert - wird die kosmische Geschichte erzählen, wie die Ausdehnung des Raums es von dem Moment an, als das Licht geboren wurde, bis zu dem Moment, als wir es beobachteten, ausdehnte.
Aus einer Vielzahl unabhängiger Beobachtungen konnten wir schließen, woraus das Universum selbst besteht. Wir haben drei große unabhängige Beobachtungsketten erstellt:
- Im kosmischen Mikrowellenhintergrund gibt es Temperaturschwankungen, die Informationen über die Krümmung des Universums, normale Materie, dunkle Materie, Neutrinos und die Gesamtdichte codieren.
- Korrelationen zwischen Galaxien auf den größten Skalen - bekannt als baryonische akustische Schwingungen - liefern sehr strenge Messungen der Gesamtdichte der Materie, des Verhältnisses von normaler Materie zu dunkler Materie und wie sich die Expansionsrate im Laufe der Zeit verändert hat.
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„Und die entferntesten, leuchtenden Standardkerzen im Universum, Typ Ia Supernovae, erzählen uns von der Expansionsrate und der dunklen Energie, wie sie sich im Laufe der Zeit verändert haben.
Zusammengenommen zeichnen diese Beweisketten ein zusammenhängendes Bild des Universums. Sie erzählen uns, was im modernen Universum ist und geben uns eine Kosmologie, in der:
- 4,9% der Energie des Universums wird durch normale Materie (Protonen, Neutronen und Elektronen) dargestellt;
- 0,1% der Energie des Universums liegt in Form massereicher Neutrinos vor (die in jüngster Zeit als Materie und in früher Zeit als Strahlung fungierten);
- 0,01% der Energie des Universums liegt in Form von Strahlung (wie Photonen) vor;
- 27% der Energie des Universums existiert in Form von dunkler Materie;
- 68% der Energie ist dem Raum selbst inhärent: dunkle Energie.
All dies gibt uns ein flaches Universum (mit einer Krümmung von 0%), ein Universum ohne topologische Defekte (magnetische Monopole, kosmische Ketten, Domänenwände oder kosmische Texturen), ein Universum mit einer bekannten Expansionsgeschichte.
Die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie sind in diesem Sinne sehr deterministisch: Wenn wir wissen, woraus das Universum heute besteht und welche Gravitationsgesetze es gibt, wissen wir genau, wie wichtig jede Komponente in jedem einzelnen Intervall in der Vergangenheit war. Am Anfang dominierten Strahlung und Neutrinos. Für Milliarden von Jahren waren die wichtigsten Komponenten dunkle Materie und normale Materie. In den letzten mehreren Milliarden Jahren - und dies wird sich mit der Zeit noch verschlimmern - ist dunkle Energie der dominierende Faktor bei der Expansion des Universums geworden. Dies beschleunigt das Universum und von diesem Moment an hören viele Menschen auf zu verstehen, was passiert.
Es gibt zwei Dinge, die wir messen können, wenn es um die Expansion des Universums geht: die Expansionsrate und die Geschwindigkeit, mit der einzelne Galaxien aus unserer Sicht in die richtige Perspektive rücken. Sie sind verwandt, aber sie bleiben unterschiedlich. Die Expansionsrate spricht einerseits davon, wie sich das Raumgefüge selbst im Laufe der Zeit ausdehnt. Es wird immer als Geschwindigkeit pro Entfernungseinheit definiert, normalerweise angegeben in Kilometern pro Sekunde (Geschwindigkeit) pro Megaparsec (Entfernung), wobei eine Megaparsec etwa 3,26 Millionen Lichtjahre beträgt.
Wenn es keine dunkle Energie gäbe, würde die Expansionsrate mit der Zeit abnehmen und sich Null nähern, da die Dichte von Materie und Strahlung mit der Ausdehnung des Volumens auf Null fallen würde. Bei dunkler Energie bleibt diese Expansionsrate jedoch von der dunklen Energiedichte abhängig. Wenn beispielsweise die Dunkle Energie eine kosmologische Konstante wäre, würde sich die Expansionsrate auf einen konstanten Wert abflachen. In diesem Fall würden sich einzelne Galaxien, die sich von uns entfernen, beschleunigen.
Stellen Sie sich eine Expansionsgeschwindigkeit einer bestimmten Größenordnung vor: 50 km / s / Mpc. Befindet sich die Galaxie in einer Entfernung von 20 Mpc von uns, scheint sie sich mit einer Geschwindigkeit von 1000 km / s von uns zurückzuziehen. Aber geben Sie ihm Zeit, und wenn sich das Gefüge des Weltraums ausdehnt, wird diese Galaxie irgendwann weiter von uns entfernt sein. Mit der Zeit wird es doppelt so weit sein: 40 Mpc, und die Entfernungsgeschwindigkeit wird 2000 km / s betragen. Es wird länger dauern und 10 Mal weiter sein: 200 Mpc und eine Entfernungsgeschwindigkeit von 10.000 km / s. Mit der Zeit wird es sich in einer Entfernung von 6000 Mpc von uns entfernen und sich mit einer Geschwindigkeit von 300.000 km / s entfernen, was schneller als die Lichtgeschwindigkeit ist. Je weiter die Zeit vergeht, desto schneller wird sich die Galaxie von uns entfernen. Deshalb "beschleunigt" sich das Universum: Die Expansionsrate nimmt ab, aber die Geschwindigkeit der Trennung einzelner Galaxien von uns wächst nur.
All dies steht im Einklang mit unseren besten Messungen: Dunkle Energie ist eine konstante Energiedichte, die dem Raum selbst innewohnt. Während sich der Raum ausdehnt, bleibt die Dichte der dunklen Energie konstant und das Universum wird in einem "großen Einfrieren" enden, wenn alles, was nicht durch die Schwerkraft miteinander verbunden ist (wie unsere lokale Gruppe, Galaxie, Sonnensystem), divergiert und divergiert. Wenn dunkle Energie wirklich eine kosmologische Konstante ist, wird diese Expansion auf unbestimmte Zeit fortgesetzt, bis das Universum kalt und leer wird.
Aber wenn dunkle Energie dynamisch ist - was theoretisch möglich ist, aber ohne beobachtbare Beweise -, könnte dies in einem Big Squeeze oder Big Rip enden. In der Großen Kompression wird dunkle Energie die Expansion des Universums schwächen und allmählich umkehren, so dass es beginnt, sich zusammenzuziehen. Es kann sogar ein zyklisches Universum geben, in dem "Komprimierung" einen neuen Urknall hervorruft. Wenn die dunkle Energie stärker wird, erwartet uns ein anderes Schicksal, wenn die verbundenen Strukturen durch die allmählich zunehmende Expansionsrate auseinandergerissen werden. Heute deutet jedoch alles darauf hin, dass der Große Frost auf uns wartet, wenn sich das Universum für immer ausdehnen wird.
Die wichtigsten wissenschaftlichen Ziele für zukünftige Observatorien wie Euklid der ESA oder WFIRST der NASA sind die Messung, ob dunkle Energie eine kosmologische Konstante ist. Und während die führende Theorie für eine konstante Dunkle Energie spricht, ist es wichtig zu verstehen, dass es Möglichkeiten geben kann, die durch Messungen und Beobachtungen nicht ausgeschlossen werden. Grob gesagt kann das Universum immer noch zusammenbrechen, und das ist möglich. Weitere Daten benötigt.
ILYA KHEL
