Das beobachtbare Universum ist in der Kosmologie der sichtbare Teil unseres Universums. Es handelt sich also um eine Kugel, deren Grenze am kosmologischen Horizont liegt und deren Mittelpunkt die Erde bildet. Es handelt sich also um eine relative Vorstellung, und andere Beobachter, die sich anderswo im Universum befinden, haben nicht dieselbe beobachtbare Kugel (aber ihr Radius ist gleich).
Aufgrund der Tatsache, dass unser Universum ein endliches Alter von 13,8 Milliarden Jahren hat, hat das Licht von Himmelsobjekten, die sich jenseits des Horizonts befinden, keine Zeit gehabt, uns zu erreichen und diese Objekte sind daher immer noch unsichtbar; dennoch wird das beobachtbare Universum von Natur aus mit der Zeit größer: Der Radius des sichtbaren Universums ist somit jede Sekunde eine Lichtsekunde größer oder jedes Jahr entsprechend ein Lichtjahr größer, und unter Berücksichtigung der Ausdehnung des Universums noch mehr .
Die am weitesten entfernten Objekte im beobachtbaren Universum sind auch diejenigen, die in ihrem ursprünglichsten Zustand, dem Urknall am nächsten, beobachtet werden können , weil sie diejenigen sind, deren Licht am längsten braucht, um den Beobachter zu erreichen. . Sie werden auch mit einer Rotverschiebung wahrgenommen, die umso größer ist, je weiter sie entfernt sind.
Das beobachtbare Universum ist definiert als alles, was beobachtbar und messbar ist, und die Lichtgeschwindigkeit ist die Grenzgeschwindigkeit , alles, was sich außerhalb des kosmologischen Horizonts befindet, kann nicht beobachtet werden, noch kann es das Beobachtbare beeinflussen. Das so nach Edward A. Milne (1896-1950) benannte kosmologische Prinzip besagt, dass das beobachtbare Universum im großen Maßstab homogen und isotrop ist . Da das Universum in allen Richtungen global identisch ist, legen Lichtstrahlen, die aus allen Richtungen kommen, a priori die gleiche Entfernung zur gleichen Zeit zurück. Das beobachtbare Universum zu einem bestimmten Zeitpunkt ist daher eine Kugel, deren Mittelpunkt der Beobachter ist und deren Radius die von einem Lichtsignal während der Existenz des Universums zu diesem Zeitpunkt zurückgelegte Entfernung ist .
In der Praxis wurde das beobachtbare Universum lange Zeit auf das mit bloßem Auge sichtbare Universum reduziert . Sie wird nun durch die Fläche der letzten Diffusion begrenzt, die in erster Näherung als die Region des Weltraums definiert werden kann, aus der etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall die heute beobachtete elektromagnetische Strahlung emittiert wurde . hui, der kosmologische diffuse Hintergrund . Seine Anisotropie wurde von COBE , WMAP und dann Planck kartiert . Der kosmologische Hintergrund von Neutrinos , der bereits 1953 von Ralph Alpher , James Follin und Robert Herman vorhergesagt wurde , wurde nicht entdeckt. Was den kosmologischen Hintergrund von Gravitationswellen anbelangt , so wurde seine Entdeckung durch die BICEP2- Kollaboration am . angekündigt17. März 2014, ist umstritten. Andererseits sind einige Regionen des beobachtbaren Universums nicht sichtbar. Dies sind die Regionen jenseits des Horizonts von astrophysikalischen schwarze Löcher wie stellare Schwarze Löcher , die sich aus dem Gravitationskollaps von massiven Sternen oder supermassereiche Schwarze Löcher , die sich im Zentrum von Galaxien .
Was wir vom Universum beobachten und messen können, ist ein Bild des Universums, nicht das reale Universum, wie es zum Zeitpunkt seiner Beobachtung existiert. Dieses Bild unterscheidet sich erheblich vom realen, da sich Licht mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet und darüber hinaus in einem expandierenden Universum , das von bestimmten Effekten begleitet wird:
Als Kugel mit endlichem Radius nimmt das beobachtbare Universum ein endliches Volumen in Zeit und Raum ein. Seine Endlichkeit resultiert aus der Tatsache, dass das Universum ein endliches Alter hat und Licht mit endlicher Geschwindigkeit durch ein Vakuum wandert . Dieses Volumen repräsentiert nur einen Bruchteil des Universums als Ganzes, das potenziell unendlich ist, wenn seine Krümmung null oder negativ ist. Messungen des kosmischen diffusen Hintergrunds zeigen, dass die räumliche Krümmung des Universums sehr gering oder null ist und legen nahe, dass das beobachtbare Universum höchstens 2% des Universums ausmacht.
Der Radius des beobachtbaren Universums nimmt aufgrund der kombinierten Tatsache der Expansion des Universums und der Lichtgeschwindigkeit kontinuierlich zu . Aber auch die Entfernungen zu Objekten nehmen durch die Ausdehnung zu. Die Zunahmerate des Radius des kosmologischen Horizonts ist
Mit der Entfernung vom kosmologischen Horizont (oder Teilchenhorizont , daher ) zum Zeitpunkt des Blicks in die Vergangenheit definiert durch die Rotverschiebung , die gleichzeitige Hubble-Konstante und die Lichtgeschwindigkeit . Die Formel ist eine Funktion und nicht eine der Schwierigkeiten, die Zeit zu kennen, um in die Vergangenheit als Funktion von zu blicken .
Da es sich um die Geschwindigkeit der Rezession von Objekten handelt, die sich am kosmologischen Horizont befinden, leiten wir aus dieser Formel ab, dass jede Sekunde, die vergeht, uns eine neue Raumtiefe von 300.000 Kilometern jenseits der Objekte entdecken lässt, die sich schneller von den Objekten entfernen, und neue Objekte sind daher ständig in das beobachtbare Universum eintreten, um es nie wieder zu verlassen. Heute entfernen sich die am weitesten entfernten Objekte mit einer Geschwindigkeit von und dem Radius des beobachtbaren Universums von , und am Ende der Zeit werden sich die am weitesten entfernten Objekte mit einer ins Unendlichen strebenden Geschwindigkeit entfernen, aber der Strahl des beobachtbaren Universums wird immer schneller als sie .
Schicksal des Universums |
Red Shift |
Zeit, in die Vergangenheit zu blicken |
Materialdichte |
Energiedichte |
Radius des beobachtbaren Universums |
Radius Steigerungsrate |
---|---|---|---|---|---|---|
Ursprung des Universums |
0 | 1 | 0 | 0 | ||
Zeit jetzt |
0 | 0,278 | 0,722 | |||
Ende der Zeit |
-1 | 0 | 1 |
Es wäre wissenschaftlich inkonsequent, den nicht beobachtbaren Teil des Universums unter dem Vorwand zu ignorieren, dass wir ihn nicht sehen können. Es ist die ganze Stärke theoretischer Modelle , das Universum als Ganzes zu erfassen, während wir nur einen Teil davon sehen können. Tatsächlich hat einerseits die Position des Beobachters im Universum keine besondere Auswirkung auf die Beobachtung. Das so zu Ehren von Nicolas Copernicus (1473-1543) bezeichnete kopernikanische Prinzip , wonach die Erde im Sonnensystem keine privilegierte Stellung einnimmt , wurde bereits 1609 von Johannes Kepler bestätigt und auf die Sonne ausgedehnt ( 1571-1630), dann ab 1697 verallgemeinert von Isaac Newton (1643-1727). Das Ergebnis ist das so nach Alexander Vilenkin benannte Mittelmäßigkeitsprinzip , nach dem es im beobachtbaren Universum keinen privilegierten Beobachtungspunkt gibt. Auf der anderen Seite stellt das kosmologische Prinzip , das so nach Edward A. Milne (1896-1950) benannt ist, der feststellt, dass das beobachtbare Universum im großen Maßstab homogen und isotrop ist , sicher, dass die unbeobachteten Teile des Universums gleichzeitig kosmisch , wahrscheinlich ähnlich dem beobachteten Universum.
Die fernen Objekte des beobachtbaren Universums erscheinen nicht so, wie sie sind, zur gleichen kosmischen Zeit wie im Moment der Beobachtung, sondern so, wie sie waren, im Moment der Emission ihres Lichts. Je weiter die Objekte entfernt sind, desto mehr werden sie in einer jungen kosmischen Zeit beobachtet, und das am weitesten entfernte astronomische Objekt, das heute auftaucht, ist der Quasar ULAS J1120 + 0641 , der 700 Millionen Jahre später erscheint, der Urknall. Als es jedoch die heute beobachteten Eigenschaften aufwies, war es nicht das von uns heute am weitesten entfernte beobachtbare Objekt, weit davon entfernt.
Die Einschätzung des Alters der beobachteten Objekte im Zusammenhang mit dem Urknall ist keine leichte Sache und stellt die Suche nach der Zeit des Blicks in die Vergangenheit dar . Diese Zeit wird nicht direkt beobachtet und muss aus der direkt gemessenen Verschiebung in Richtung Rot bezüglich der Verschiebung der Spektrallinien des elektromagnetischen Spektrums des beobachteten Objekts abgeleitet werden. Die Umrechnung dieser Verschiebung in die kosmologische Zeit hängt vom verwendeten kosmologischen Modell sowie vom Wert seiner oft wenig bekannten Parameter ab .
Astronomische Objekte, die bei großen Rotverschiebungen beobachtet werden, sind zum gleichen kosmischen Zeitpunkt wie die Beobachtung umso weiter entfernt, je größer ihre Rotverschiebung ist. Es ist die Entfernung zum Lichtempfang, die angesichts der Ausdehnung des Universums größer ist als die Lichtgeschwindigkeit multipliziert mit dem Alter des Objekts. Wir können nicht wissen, wie diese Objekte zu dieser Zeit und in dieser Entfernung aussehen.
Auf der anderen Seite sehen wir diese Objekte so, wie sie zum Zeitpunkt der Emission ihres Lichts waren, wobei sie sich in einer Entfernung näher zum Beobachter befanden, es ist die Entfernung zur Emission . Die Entfernung zur Emission nimmt bei kleinen Verschiebungen mit der Rotverschiebung zu, durchläuft einen Maximalwert und nimmt dann bei großen Verschiebungen ab. In einem nach einer FLRW-Metrik modellierten Universum beträgt die limitierende Rotverschiebung, nach der die Entfernung zur Emission abnimmt, z = 5/4 = 1,25, was einer Entfernung von ungefähr 5 Milliarden Jahren entspricht. Mit anderen Worten, wir können keine Objekte beobachten, die mehr als 5 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt waren, als sie so waren, wie sie heute aussehen. Da der kosmische diffuse Hintergrund eine sehr hohe Rotverschiebung aufweist, war der Teil des Weltraums, der diese Photonen erzeugte, zum Zeitpunkt der Emission besonders nahe bei uns: etwa 40 Millionen Lichtjahre.
Das Alter des Universums wird im Juni 2014 auf ungefähr 13,8 Milliarden Jahre geschätzt [13,798 (± 0,037) x 10 9 Jahre]. Das von einem Stern emittierte Licht kann nicht mehr als 13,8 Milliarden Jahre zurückgelegt haben. Folglich wird das Licht, das von den am weitesten entfernten Objekten, die wir entdecken können, an der Grenze des beobachtbaren Teils unseres Universums kommt, 13,8 Milliarden Jahre gebraucht haben, um uns zu erreichen. Während dieser Zeit wird das Licht 13,8 Milliarden Lichtjahre zurückgelegt haben und daher legt diese Zahl praktischerweise die komobile Entfernung des beobachtbaren Teils unseres Universums fest.
Es ist eine andere Frage, wie weit die Objekte, von denen wir Licht empfangen, derzeit geometrisch entfernt sind, 13,8 Milliarden Jahre nachdem sie es emittiert haben. Um diese Entfernung zu bestimmen, ist es notwendig, ein Modell des Universums anzunehmen und die Geschwindigkeit der Expansion des Raumes zu kennen, um die Entfernung abzuleiten, aus der sich das betrachtete Objekt von der Emission von Photonen entfernt hat . Nach dem Standardmodell der Kosmologie liegt die aktuelle Entfernung vom kosmologischen Horizont in der Größenordnung von 46,5 Milliarden Lichtjahren. Der Durchmesser des beobachtbaren Universums wird auf etwa 93 Milliarden Lichtjahre oder 8,8 × 10 23 km (8,8 × 10 26 m ) oder 880.000 Milliarden Milliarden Kilometer geschätzt.
Daher können wir Objekte, die sich am kosmologischen Horizont befinden, in seiner aktuellen Entfernung nicht beobachten. Wir können theoretisch nur Objekte bis zur Entfernung vom kosmischen diffusen Hintergrund beobachten , 380.000 Jahre nach dem Urknall , als sich das Universum ausreichend abgekühlt hatte , um Elektronen zu ermöglichen , sich mit Atomkernen zu verbinden , wodurch der Compton - Effekt der Umgebungsphotonen gestoppt wurde , also so dass die Photonen lange genug überleben, um die Erde zu erreichen . Es wäre jedoch (theoretisch) möglich, Informationen aus der Zeit davor zu extrahieren, dank der Detektion von Gravitationswellen oder „fossilen“ Neutrinos . Diese wurden noch nicht entdeckt, und wir versuchen, die Gravitationswellen des Urknalls hervorzuheben, insbesondere durch das BICEP- Experiment , das jedoch keine schlüssigen Ergebnisse geliefert hat.
Hier sind drei Möglichkeiten, um das Äquivalent der Energie im beobachtbaren Teil unseres Universums in der Größenordnung der Materiemenge abzuschätzen. Sie führen zu einer Gesamtzahl von Atomen in der Größenordnung von 10 80 in runden Zahlen.
Bis heute (März 2016) wäre die am weitesten entfernte jemals beobachtete Galaxie GN-z11 im Sternbild Ursa Major , 13,4 Milliarden Lichtjahre entfernt, wahrscheinlich nur 400 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden.
Die anderen bisher am weitesten entfernten Galaxien wären: