gov-civil-vilareal.ptWie schnell expandiert das Universum? Die Antwort hängt davon ab, wie Sie es messen, und das ist ein Problem
>Das Universum dehnt sich aus.
Wow, ich liebe es immer noch, das aufschreiben zu können. Es ist eine so wundervolle, kompakte, einfache Aussage, die jedoch so tiefgreifende Auswirkungen hat, dass es Jahrzehnte dauern kann, bis wir sie alle verstehen. Und das wissen wir schon seit einem Jahrhundert.
Große Probleme in kleinen China-Medien mit gesundem Menschenverstand
Aber es ist wahr. Wir haben viele unabhängige Beweise dafür. Dies bedeutet, dass das Universum in der Vergangenheit kleiner war, und wenn Sie die Uhr etwa 13,8 Milliarden Jahre zurücklaufen lassen, stellen Sie fest, dass alles im Kosmos an einem einzigen, unglaublich heißen und dichten Punkt zusammengepresst wurde. Lassen Sie die Uhr noch einmal vorwärts laufen und Sie erhalten die ersten Momente des Universums: den Urknall.
Eine enorm wichtige Frage, die sich natürlich stellt, ist: Wie? schnell dehnt sich das Universum aus? Es stellt sich heraus, dass sich weiter entfernte Objekte schneller von uns entfernen, daher verwenden wir eine ungerade Einheit, um die Ausdehnung zu beschreiben: eine Geschwindigkeit pro Entfernung. Die Entfernung verdoppelt und die Geschwindigkeit, mit der sich ein Objekt zurückzieht, verdoppelt sich ebenfalls.
Diese Zahl in der Astronomie hat einen Namen: die Hubble-Konstante. Edwin Hubble hat zu Beginn des 20. Jahrhunderts versucht, es zu berechnen, und seitdem konnten wir es viel verfeinern. Sie beträgt etwa 70 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec (ein Megaparsec oder Mpc ist eine Million Parsec oder 3,26 Millionen Lichtjahre; zum Vergleich ist die Andromeda-Galaxie knapp 1 Mpc von uns entfernt). In einem sich frei ausdehnenden Universum entfernt sich also ein Objekt, das 1 Mpc entfernt ist, mit 70 km/s von Ihnen weg. Ein Objekt, das 10 Mpc entfernt ist, wird mit 700 km/s davonlaufen und so weiter.
Verrückt oder? Aber hier geht es weiter Ja wirklich seltsam. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Hubble-Konstante zu messen. Eine Möglichkeit besteht darin, dies lokal zu tun, indem man sich nahe Galaxien ansieht und sowohl ihre Entfernungen als auch ihre Geschwindigkeiten misst. Wir haben viele Möglichkeiten, beides zu messen (auf die ich gleich näher eingehen werde). Wenn Sie dies tun, erhalten Sie eine Hubble-Konstante von 73 km/s/Mpc.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die frühzeitig Universum, bei sehr weit entfernten Dingen. Etwa 375.000 Jahre nach der Entstehung des Universums es hatte sich genug ausgedehnt, um transparent zu werden . Es war immer noch heiß, und heute sehen wir, dass die übrig gebliebene Hitze den gesamten Himmel durchdringt. Als sich das Universum weiter ausdehnte, kühlte sich diese Wärme ab (man kann sich auch vorstellen, dass das Licht dieses Feuerballs rotverschoben wenn sich das Universum von uns weg ausdehnt). Wir sehen es jetzt als kontinuierliches Leuchten von Mikrowellen überall, wo wir hinschauen.
Wenn wir dieses Leuchten sehr sorgfältig untersuchen, können wir viel über die damaligen Bedingungen des Universums lernen. Auf diese Weise können wir auch die Hubble-Konstante berechnen, und die Zahl, die Sie dabei erhalten, beträgt etwa 67 km/sec/Mpc.
Äh. Warten. Diese beiden Zahlen sind unterschiedlich. Das ist peinlich.
Ist es wirklich. Und es wird schlimmer. Alle lokalen Methoden erhalten die höhere Zahl und alle entfernten Methoden des frühen Universums erhalten die kleinere Zahl. Es ist, als ob das Universum nicht mit sich selbst einverstanden wäre.
Es ist, als würde man eine Brücke über eine Schlucht bauen, die an beiden Enden beginnt, nur um die beiden nicht in der Mitte zu treffen. Es erinnert mich ein wenig an M. C. Eschers Zeichnung „Belvedere“. Es macht keinen Sinn.
M. C. Eschers ikonisches „Belvedere“, ein paradoxes Gebäude, in dem die Perspektive irrsinnig verzerrt ist. Kredit: M. C. Escher
Als diese Zahlen zum ersten Mal ermittelt wurden, lagen sie gar nicht so weit weg, da die Messunsicherheit hoch war. Eine Zeit lang kannten wir die Hubble-Konstante nicht bis auf den Faktor zwei. Aber als die Messungen besser wurden, begannen wir zu sehen, wie sie sich abspalten.
So macht es Spaß: Ein neues Projekt hat versucht, die lokale Nummer festzunageln. Es wurde von seinem alten Freund und Studienkollegen Adam Riess angeführt (der maßgeblich daran beteiligt war, herauszufinden, dass die Universal-Erweiterung schneller wird – mehr dazu das in einer Sekunde auch – und hat verdient einige anständige Auszeichnungen deswegen). Sie verwendeten das Hubble-Weltraumteleskop, um eine ganz bestimmte Art von Stern zu untersuchen, die als Cepheiden-Variable bezeichnet wird. Diese Sterne dehnen sich mit der Zeit aus und ziehen sich zusammen und werden dabei heller und dunkler. Vor einem Jahrhundert wurde entdeckt, dass die Zeit, die es braucht, bis sie heller und dunkler werden, an die Gesamtenergiemenge gebunden ist, die sie abgeben.
Das ist enorm: Das heißt, wenn Sie ihre Periode messen können, können Sie ihre Leuchtkraft herausfinden. Und wenn Sie dann nur messen, wie hell sie erscheinen, du kannst ihre entfernung finden ! Das ist entscheidend, denn wir sehen Cepheiden in anderen Galaxien, was bedeutet, dass sie uns eine Methode geben, die Entfernungen zu diesen Galaxien zu bestimmen. Tatsächlich war es Hubbles Team, das dies in den 1920er Jahren benutzte, um die Entfernungen zu einigen nahegelegenen Galaxien zu bestimmen.
Riess' Team hat geschaut bei 7 Cepheiden in unserer eigenen Milchstraße und maß nicht nur, wie hell sie waren, sondern auch ihre Parallaxe, ihre scheinbare Positionsänderung, wenn sich die Erde um die Sonne bewegt (für Details darf ich vorschlagen, sie zu beobachten 'Crashkurs Astronomie: Entfernungen' ?). Indem sie diese Verschiebung über mehrere Jahre hinweg messen, können sie sehr genaue Entfernungen für diese Sterne.
Ein weiterer Vorteil ist, dass wir Hubble verwenden, um diese Cepheiden in anderen Galaxien zu beobachten, so dass alle Beobachtungen auf eine gleichmäßige Grundlage gestellt werden; Es ist schwieriger, alles konsistent zu machen, wenn Sie verschiedene Observatorien verwenden.
Eine der Cepheiden-Variablen, S Vulpeculae, wurde mit Hubble beobachtet. Es wurde eine Entfernung von 10.124 Lichtjahren von der Erde festgestellt. Andere markierte Sterne wurden verwendet, um die Entfernungsmessungen zu kalibrieren. Kredit: Riess et al.
So konnte diese neue Arbeit die Entfernungsmessungen zu diesen Milchstraßen-Cepheiden verschärfen, die etwa 5.500 bis 12.000 Lichtjahre entfernt liegen. Unter Verwendung dieser besseren Messungen, um dann die Entfernung zu extragalaktischen Cepheiden zu booten, stellt Riess' Team fest, dass der lokale Wert der Hubble-Konstante 73,48 ± 1,66 km/s/Mpc beträgt, eine Änderung von etwa 4% gegenüber dem alten Wert.
Aber noch wichtiger ist, dass sie die Unsicherheit in diesem Wert, was bedeutet, dass dieser Wert unserer Meinung nach genauer ist. Das wiederum bedeutet, dass der niedrigere Wert, der mit frühen Universumsmessungen gefunden wurde, wirklich ist unterschiedlich. Es ist nicht nur so, dass unsere Messungen wackelig sind; Das Universum sagt uns wirklich, dass die Dinge damals anders waren. Die Wahrscheinlichkeit, dass dies auf Zufall oder etwas nicht Reales zurückzuführen ist, liegt bei etwa 1 zu 4.600. Diese Wette nehme ich an. Das ist echt.
Piraten der Karibik Elternratgeber
Was bedeutet das alles? Kurz gesagt, das Universum scheint sich jetzt schneller auszudehnen als in der Vergangenheit. Deutlich sein, das wussten wir schon : Astronomen entdeckten bereits 1998, dass sich die Universal-Expansion beschleunigte (Riess war in einem von zwei unabhängigen Teams, die dies fanden). Aber diese neuen Ergebnisse scheinen darauf hinzuweisen, dass die Beschleunigung noch höher ist, als wir dachten.
Dies ist das Hubble Ultra Deep Field, und fast alles, was Sie darin sehen, ist eine ferne Galaxie, Milliarden von Lichtjahren entfernt. Kredit: NASA, ESA, H. Teplitz und M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) und Z. Levay (STScI)
Also was bedeutet das bedeuten? Das ist eine gute Frage, auf die es zu viele mögliche Antworten gibt. Es ist möglich, dass die dunkle Energie, das seltsame Wesen hinter der Beschleunigung, stärker ist als erwartet. Vielleicht wächst es mit der Zeit; Das ist eine Idee, die seit einiger Zeit herumgewirbelt wird. Die Sache ist, wir wissen einfach nicht, was zum Teufel dunkle Energie ist ist , woraus es besteht oder wie es sich verhält. Diese neuen Beobachtungen könnten helfen.
Aber es kann noch etwas anderes sein. Dunkle Materie spielt auch eine Rolle: Eine Form von Materie, von der wir glauben, dass sie nicht gut mit normaler Materie und Licht zusammenspielt, so dass es unmöglich ist, direkt zu sehen. Es übertrifft die normale Materie im Universum um den Faktor 5, und wir wissen, dass es da draußen ist. Aber wenn es sich auf eine ungewöhnliche Weise verhält, wie etwa eine kleine Interaktion mit normaler Materie, könnte dies die Entwicklung des Universums selbst im Laufe der Zeit verändern.
Hier ist das Ding: Wir wissen es nicht . Das ist alles ziemlich neu und bringt unsere Ausrüstung und unsere Theorien an ihre Grenzen. Deshalb wird das immer noch festgenagelt. Denken Sie daran, dass wir erst seit etwa hundert Jahren wissen, dass es andere Galaxien gibt und dass sich die Expansion in den letzten 20 Jahren beschleunigt. Wir fangen gerade erst damit an, dies herauszufinden.
Aber mein Lieblingsteil an all dem ist, dass wir Wille finde es heraus. Das ist, was Menschen tun; das ist, was die Wissenschaft tut. Das Universum ist ein ziemlich verblüffender Ort, und unser Gehirn ist nicht wirklich entwickelt, um sich damit wohl zu fühlen. Aber das ist tatsächlich der Grund, warum wir Wissenschaft haben, die uns hilft zu verstehen. Kombinieren Sie das mit Mathematik, Technik und unserer unaufhaltsamen, unersättlichen Neugier, und sogar der Kosmos selbst wird uns seine Geheimnisse preisgeben.
Das Universum dehnt sich jeden Tag schneller aus, aber auch unsere Fähigkeit, es zu groken. Wir werden aufholen.
