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Das Universum dehnt sich mit zunehmender Geschwindigkeit aus, weshalb ich mich frage, ob die Expansionsgeschwindigkeit zwischen zwei Punkten an einem bestimmten Punkt die Lichtgeschwindigkeit überschreiten wird. In diesem Fall könnte es für zwei gravitativ gebundene Sternhaufen des Universums schließlich unmöglich werden, Licht auszutauschen. Ich erinnere mich, gelesen zu haben, dass zukünftige Zivilisationen, die nach einem bestimmten Zeitpunkt geboren wurden, nicht in der Lage wären, die fernen Galaxien zu beobachten, die wir jetzt können, und keine Möglichkeit hätten, außer ihrer eigenen Galaxie zu wissen, dass sie existiert.
Meine Frage: Ist dies möglich, und wenn ja, könnte es bereits geschehen sein; das gesamte beobachtbare Universum einer von mehreren Clustern ist, die sich seitdem voneinander entfernt haben? Oder kann dies durch andere bekannte Fakten über die Geschichte des Universums ausgeschlossen werden?
(Meine Antwort hier ist nicht richtig, wie im ersten Kommentar zu diesem Beitrag gezeigt, bitte beachten Sie ihn.)
Ja, es ist durchaus möglich – und es ist bereits geschehen. Das Universum ist 13,8 Milliarden Jahre alt, hat aber einen Durchmesser von 90 bis 100 Milliarden Lichtjahren. Das bedeutet, dass wir definitiv nicht alles sehen können, nicht aufgrund unserer eigenen Beobachtungsbeschränkungen, sondern weil das Licht aus diesen Teilen des Universums uns einfach noch nicht erreicht hat - und es vielleicht nie erreichen wird.
Was die Zukunft betrifft, ja, wenn die kosmologische Expansion die Gravitation im Nahbereich überwältigt (dh die Milchstraße und Andromeda, und die Welt "nah" ist hier relativ), dann werden schließlich viele Galaxien und Haufen aus dem Blickfeld verschwinden, weil das Licht nicht in der Lage ist mit dem Ausbau "mithalten".
Expansion des Universums und Sichtbarkeit entfernter Galaxien - Astronomie
Warum haben Galaxien die Farben, die sie sind, wenn wir sie durch Teleskope sehen, sind sie blau, weiß, rot, manchmal lila oder eine Mischung aus Farben. Wären das ihre wahren Farben?
Hier sind ein paar Farben, die Sie in Galaxienbildern sehen könnten, und was sie normalerweise verursacht werden:
Blau: eine Region mit vielen jungen Stars. Sterne mit hoher Masse leben schnell und sterben jung. Sie verbrauchen viel Brennstoff, um hohe Temperaturen aufrechtzuerhalten. Dies führt dazu, dass sie heiße Strahlung aussenden, die bläulich ist (google "Schwarzkörperstrahlung", um herauszufinden, warum).
Rot: eine Region alter Sterne. Die massereichen Sterne sind angeschwollen und abgekühlt, und die massearmen Sterne waren anfangs nie heiß, sodass sie beide kühle Strahlung aussenden, die rötlich ist.
rote/rosa Flecken: eine sogenannte HII ("H-two") Region. Dies ist eine Wolke aus ionisiertem Wasserstoff (eine Wolke aus freien Protonen und Elektronen). Wenn ein Proton ein Elektron einfängt, kann es Licht verschiedener Wellenlängen abgeben, wenn das Elektron durch Energieniveaus hüpft. Ein bestimmter Hop, der ziemlich häufig vorkommt, strahlt rotes Licht aus, wodurch die HII-Region rötlich erscheint. HII-Regionen werden in erster Linie durch ultraviolette Strahlung heißer Sterne ionisiert, sie weisen also auf Sternentstehungsregionen hin.
Dies sind nur einige Merkmale, die zufällig in den sichtbaren Wellenlängenbereich fallen, wenn man Strahlung im Radio-, Infrarot-, Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlen-Wellenlängenbereich betrachtet, die viele weitere galaktische Eigenschaften offenbaren können.
Es gibt einige Veränderungen der Farbe, bevor es gesammelt wird. Staub kann das Bild röter machen, als es ohne Staub wäre. Dies geschieht, weil hochfrequentes (blaues) Licht leichter vom Staub gestreut wird als niederfrequentes (rotes) Licht. Die Farbe einiger Galaxien wird durch die Entfernung beeinflusst eine extrem weit entfernte Galaxie hat aufgrund der Expansion des Universums eine hohe Rezessionsgeschwindigkeit, wodurch ihr Licht in Richtung Rot verschoben wird (google "relativistische Dopplerverschiebung"). Die meisten Galaxien, die weit genug entfernt sind, damit dies einen merklichen Einfluss auf die Farbe eines Bildes hat, sind sehr schwach. Die Ausnahmen werden als "Quasare" bezeichnet und produzieren so viel Strahlung, dass sie trotz ihrer extremen Entfernung gesehen werden können. In Quasaren ist die Verschiebung so groß, dass das Licht, das wir sehen, nicht einmal im sichtbaren Bereich lag, als es emittiert wurde.
Übrigens, wenn Sie ein astronomisches Bild betrachten, müssen Sie überprüfen, ob die Farben sichtbare Farben darstellen. Oft nehmen Astronomen Bilder in Wellenlängen auf, die für das Auge nicht sichtbar sind, und verwenden dann Farben, um verschiedene Wellenlängenbänder darzustellen.
Diese Seite wurde zuletzt am 28.06.2015 aktualisiert.
Über den Autor
Sara Slater
Sara ist eine ehemalige Cornell-Studentin und heute Doktorandin der Physik an der Harvard University, wo sie an Kosmologie und Teilchenphysik arbeitet.
Zeitverzögerungen von Gravitationslinsen
Eine Galaxie, die sich in der Sichtlinie zwischen einem Beobachterteleskop und einem entfernten Quasar befindet, ist ein Beispiel für ein starkes Gravitationslinsensystem. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass die dazwischenliegende Galaxie als Linse wirkt, indem sie das Licht des entfernten Quasars beugt. Befindet sich die Galaxie genau in der Sichtlinie, verwandelt sich das Bild des Quasars von seinem eigentlichen Punktbild in einen kleinen Ring. In dem viel häufigeren Fall, in dem die Galaxie leicht außerhalb der Sichtlinie liegt, wird das Punktbild des Quasars in zwei oder mehr Punktbilder gespiegelt.
Fast alle Quasare erfahren große, häufige Schwankungen ihrer Lichtleistung. Solche Variationen ermöglichen es Astronomen zu bestimmen, wie schnell sich das Universum in der Epoche ausdehnt, die der Lichtreisezeit zum Quasar entspricht. So funktioniert die Technik:
Eine Variation der Lichtleistung des Quasars zeigt sich auch im Linsenbild des Quasars. In der Regel befinden sich jedoch verschiedene Teile der Linse in unterschiedlichen Abständen relativ zum Beobachter, sodass das Licht das Teleskop des Beobachters zu unterschiedlichen Zeiten erreicht. Wenn Astronomen die Lichtgeschwindigkeit kennen, können sie die Lichtankunftszeiten in Entfernungsdifferenzen in Kilometern umrechnen und dann mithilfe von Theoremen der ebenen Geometrie die Entfernung zur Linse in Kilometern bestimmen, indem sie die Winkel messen, die die verschiedenen Komponenten der Linse trennen. Die Messung der Rotverschiebung der Spektrallinien im Linsenbild sagt Astronomen, wie schnell sich die Linse von uns entfernt. Die Expansionsrate des Universums für die Lichtlaufzeitepoche der Linsengalaxie ist die Geschwindigkeit der Galaxie geteilt durch ihre Entfernung. (Eine detailliertere Beschreibung der Technik mit Diagrammen der relevanten Geometrie finden Sie hier.)
Auf diese Weise können Astronomen Gravitationslinsen über eine Vielzahl von kosmischen Entfernungen verwenden, um zu bestimmen, wie schnell sich das Universum in verschiedenen Entfernungen relativ zur Erde ausdehnt.
In der Ausgabe vom 1. März 2010 der Astrophysikalisches Journalveröffentlichte ein Team von acht Astronomen die bisher genaueste Messung der kosmischen Expansionsrate (auch bekannt als Hubble-Konstante), die auf Zeitverzögerungen einer Gravitationslinse basiert. 1 Basierend auf ihren neuesten Messungen des Gravitationslinsensystems B1608+656 (die Entfernung der vier Linsengalaxien reicht von 3 bis 8 Milliarden Lichtjahren) stellte das Team fest, dass sich das Universum mit einer Geschwindigkeit von 70,6 ± 3,1 Kilometer pro Sekunde ausdehnt pro Megaparsec (ein Megaparsec = 3,26 Millionen Lichtjahre). Diese Messung stellt eine Genauigkeitssteigerung dar, die den bisherigen Versuchen fast dreimal überlegen ist.
Das gleiche Astrophysikalisches Journal veröffentlichten Arbeiten von vier anderen Astronomen, die Ergebnisse beschreiben, die sie aus ihren Messungen am Gravitationslinsensystem Q0957+561 (die Entfernung der Linsengalaxie = 3,7 Milliarden Lichtjahre) erzielt haben. 2 Sie berechneten die kosmische Expansionsrate zu 79,3 ± 7,6 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec. Frühere Bestimmungen, eine basierend auf sechzehn veröffentlichten Zeitverzögerungsquasaren 3 und eine zweite basierend auf vier verschiedenen Gravitationslinsensystemen 4, fanden heraus, dass sich das Universum mit einer Geschwindigkeit von 72 ± 8 bzw. 74 ± 8 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec ausdehnt.
Alle diese Messungen sind innerhalb ihrer angegebenen Fehler konsistent. Die neueste und beste Messung (70,6 ± 3,1 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec) ist fast dreimal genauer als der traditionelle Goldstandard zur indirekten Bestimmung der kosmischen Expansionsrate, nämlich der Endwert des Hubble Space Telescope (HST) Key Project von 72 ± 8 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec. 5 Der Wert des HST Key Project stimmt jedoch immer noch vollständig mit den besten Messungen von Gravitationslinsen überein.
Der beste Wert für die kosmische Expansionsrate, der von einer Gravitationslinse bestimmt wird, stimmt auch mit den neuesten überarbeiteten indirekten Berechnungen überein. Ein Forschungsteam unter der Leitung des Astronomen Adam Riess hat das HST-Schlüsselprojekt gründlich verbessert und aktualisiert. Das Update ergab eine kosmische Expansionsrate von 74,2 ± 3,6 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec. 6 Unterdessen ergaben kombinierte Ergebnisse aus der Fünfjahresdatenbank Wilkinson Microwave Anisotropy Probe über die Temperaturschwankungen der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, die Verteilung von Galaxien im Sloan Digital Sky Survey und die Messungen von Typ-Ia-Supernovae eine Expansionsrate von 70,5 ± 1,3 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec (siehe hier.) 7
Es ist bemerkenswert, wie gut die genauesten Bestimmungen der kosmischen Expansionsrate übereinstimmen. Dies ist für Befürworter des Urknallmodells besonders beruhigend, sollte aber bei seinen Andersdenkenden Alarm schlagen. Nächste Woche wird der vierte und letzte Teil dieser Serie die philosophischen Implikationen der Ergebnisse beleuchten, die durch die drei neuen direkten Entfernungsmesstechniken erzielt wurden.
Hubbles aufregendes Universum: Messung der Expansionsrate des Universums
Vor dem Start des Hubble-Teleskops herrschte eine große Unsicherheit über die Expansionsrate des Universums. Dieser Wert wird benötigt, um das Alter des Universums zu berechnen, seine Entwicklung über Milliarden von Jahren abzuschätzen und die Kräfte zu verstehen, die es antreiben. Zunächst waren Astronomen erfreut, die Expansionsschätzung auf 10 Prozent Genauigkeit einzuschränken. Jetzt, mit viel Ausdauer und genauen Beobachtungen, nähern sie sich einer Genauigkeit von einem Prozent.
1929 lieferte Edwin Hubble die ersten Beobachtungen für ein endliches Alter des Universums. Mit dem damals größten Teleskop entdeckte er: Je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, desto schneller scheint sie sich in den Weltraum zu entfernen. Das bedeutet, dass sich das Universum gleichmäßig in alle Richtungen ausdehnt. Hubble stellte fest, dass Licht von weit entfernten Galaxien auf längere Wellenlängen gestreckt oder gerötet zu sein schien, ein Phänomen, das als Rotverschiebung bezeichnet wird.
Durch die genaue Bestimmung der Expansionsrate, die Hubble-Konstante genannt wird, kann die kosmische Uhr zurückgespult und das Alter des Universums berechnet werden. Edwin Hubbles Schätzungen der Expansion implizierten jedoch, dass das Universum jünger war als das Alter der Erde und der Sonne. Hubble kam daher zu dem Schluss, dass das Rotverschiebungsphänomen eine unbekannte Eigenschaft des Raums und kein Maß für die wahre Raumgeschwindigkeit ist. Astronomen erkannten später, dass die Rotverschiebung eine Folge der Ausdehnung des Weltraums selbst war, wie in Einsteins spezieller Relativitätstheorie vorhergesagt.
Allerdings ist die Altersschätzung nur so zuverlässig wie die Genauigkeit der Distanzmessungen. Ein genauer Wert für die Hubble-Konstante ist ein kritischer Ankerpunkt für die Kalibrierung anderer grundlegender kosmologischer Parameter für das Universum.
Als das Hubble-Weltraumteleskop gestartet wurde, war die ungewiss über die Expansionsrate des Universums um den Faktor zwei abgefallen. Dies bedeutete, dass das Universum 9,7 Milliarden Jahre jung oder 19,5 Milliarden Jahre alt sein könnte. Der jüngere Wert stellte ein großes Problem dar. Er würde bedeuten, dass das Universum jünger war als die ältesten bekannten Sterne.
Frühe Hubble-Beobachtungen suchten in immer weiter entfernten Galaxien nach kosmischen Meilensteinen, den variablen Sternen der Cepheiden. Hier ist die 56 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie M100 zu sehen. Diese Daten verfeinerten Schätzungen für die Expansionsrate des Universums.
1994 begannen Astronomen, die Hubble-Konstante zu verfeinern, indem sie genaue Entfernungsmessungen zum 56 Millionen Lichtjahre entfernten Virgo-Galaxienhaufen durchführten. Dies ermöglichte es Astronomen, mit der Verfeinerung von Entfernungsmessungen zu beginnen, die zur Berechnung eines genaueren Wertes für die Hubble-Konstante erforderlich sind. Sie machten Beobachtungen einer Klasse von Sternen namens Cepheid Variables. Diese Sterne durchlaufen rhythmische Pulsationen, bei denen ihre Helligkeit leicht ansteigt und abfällt. Die Periode dieser Schwingung ist direkt mit der intrinsischen Helligkeit der Cepheiden verbunden. Sobald die wahre Helligkeit des Sterns bekannt ist, können Astronomen eine genaue Entfernung zu ihm berechnen.
In den späten 1990er Jahren wurde der verfeinerte Wert der Hubble-Konstante auf einen Fehler von nur etwa 10 Prozent reduziert. Ein weiteres Team von Astronomen optimiert und stärkt dies weiterhin, indem es mehr Cepheiden kalibriert, die immer weiter entfernt sind als das Lokaluniversum. Diese Daten wurden mit noch weiter entfernten Meilepost-Messungen von explodierenden Sternen, Supernovae, kreuzkorreliert, um eine kosmische „Entfernungsleiter” aufzubauen. Die Messung der Hubble-Konstante verbesserte sich von 10 Prozent Unsicherheit zu Beginn der 2000er Jahre auf weniger als 2 Prozent bis 2019.
Eine Vielzahl anderer Beobachtungsstrategien wurde angewendet, um andere Meilensteinmarkierungen wie den Roten Riesenstern zu untersuchen. Eine neuartige Technik verwendet Hubble, um zu untersuchen, wo die Schwerkraft einer Vordergrundgalaxie wie eine riesige Vergrößerungslinse wirkt und das Licht von Hintergrundobjekten wie Quasaren verstärkt und verzerrt. Als nächstes leiten Astronomen zuverlässig die Entfernungen von der Galaxie zum Quasar und von der Erde zur Galaxie und zum Hintergrundquasar ab. Durch den Vergleich dieser Entfernungswerte maßen die Forscher die Expansionsrate des Universums, die völlig unabhängig von den Techniken der &ldquoEntfernungsleiter&rdquo ist.
Es gibt jedoch eine beunruhigende Meinungsverschiedenheit zwischen den kollektiven Programmen, die zu Werten für die Hubble-Konstante im nahen Universum im Vergleich zu denen des frühen Universums gelangen. Die gegenwärtige Expansionsrate des Universums kann aus dem kosmologischen Modell unter Verwendung von Messungen des frühen Universums, wie es im kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) kodiert ist, vorhergesagt werden. Das CMB ist eine Momentaufnahme des Kosmos, wie er nur 360.000 Jahre nach dem Urknall aussah (wie vom Planck-Weltraumobservatorium erstellt). Der Wert der Planck-Daten steht im Widerspruch zu direkteren Messungen des nahegelegenen Universums, die mit Hubble und anderen Observatorien durchgeführt wurden.
Nach kosmologischen Standardmodellen sollten die Werte aus dem frühen und lokalen Universum gleich sein. Da dies nicht der Fall ist, stellt es für Theoretiker eine große Herausforderung dar, da es impliziert, dass es ein unvollständiges Verständnis der physikalischen Grundlagen des Universums gibt. Dies kann eine Überarbeitung aktueller Theorien der Astrophysik erfordern.
Ein Jahrhundert nach der Entdeckung des expandierenden Universums hat das Hubble-Weltraumteleskop es Astronomen ermöglicht, in den Bereich der Präzisionsastronomie einzusteigen und die Expansionsrate durch mehrere komplementäre Beobachtungsstrategien auf außergewöhnliche Präzision zu bringen. Zukünftige Beobachtungen des Hubble-Teleskops könnten dazu beitragen, die Diskrepanz zwischen zwei unabhängigen Ansätzen auszugleichen, die die Expansion des frühen Universums gegenüber der Expansion des späten Universums messen. Dies kann eine ganz neue Grenze in unserem Verständnis des sich entwickelnden Universums eröffnen.
Kosmologie überdenken: Die Expansion des Universums ist möglicherweise nicht einheitlich
Astronomen gehen seit Jahrzehnten davon aus, dass sich das Universum in alle Richtungen gleich schnell ausdehnt. Eine neue Studie, die auf Daten von XMM-Newton der ESA, Chandra der NASA und den von Deutschland geleiteten Röntgenobservatorien ROSAT basiert, legt nahe, dass diese zentrale Prämisse der Kosmologie falsch sein könnte.
Konstantinos Migkas, Doktorand in Astronomie und Astrophysik an der Universität Bonn, und sein Betreuer Thomas Reiprich wollten ursprünglich eine neue Methode verifizieren, die es Astronomen ermöglichen würde, die sogenannte Isotropie-Hypothese zu testen. Nach dieser Annahme hat das Universum trotz einiger lokaler Unterschiede im großen Maßstab in jeder Richtung die gleichen Eigenschaften.
Als Folge der etablierten fundamentalen Physik weithin akzeptiert, wurde die Hypothese durch Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) gestützt. Als direktes Überbleibsel des Urknalls spiegelt das CMB den Zustand des Universums wider, wie es in seinen Kinderschuhen war, mit einem Alter von nur 380.000 Jahren. Die gleichmäßige Verteilung der CMB am Himmel deutet darauf hin, dass sich das Universum in diesen frühen Tagen schnell und gleich schnell in alle Richtungen ausgedehnt haben muss.
Im heutigen Universum trifft dies jedoch möglicherweise nicht mehr zu.
„Gemeinsam mit Kollegen der Universität Bonn und der Harvard University haben wir das Verhalten von über 800 Galaxienhaufen im heutigen Universum untersucht“, sagt Konstantinos. „Wenn die Isotropie-Hypothese richtig wäre, wären die Eigenschaften der Cluster am Himmel einheitlich. Aber wir haben tatsächlich signifikante Unterschiede gesehen.“
Die Astronomen verwendeten Röntgentemperaturmessungen des extrem heißen Gases, das die Haufen durchdringt, und verglichen die Daten mit der Helligkeit der Haufen am Himmel. Cluster gleicher Temperatur und in ähnlicher Entfernung sollten ähnlich hell erscheinen. Aber das haben die Astronomen nicht beobachtet.
„Wir haben gesehen, dass Cluster mit den gleichen Eigenschaften und ähnlichen Temperaturen in einer Himmelsrichtung weniger hell zu sein schienen, als wir es erwarten würden, und in einer anderen Richtung heller als erwartet“, sagt Thomas. „Der Unterschied war ziemlich groß, etwa 30 Prozent. Diese Unterschiede sind nicht zufällig, sondern haben ein klares Muster, je nachdem, in welche Richtung wir am Himmel beobachtet haben.“
Bevor Konstantinos und Kollegen das weithin akzeptierte kosmologische Modell, das die Grundlage für die Schätzung der Clusterabstände bildet, in Frage stellten, untersuchten sie zunächst andere mögliche Erklärungen. Vielleicht könnten unentdeckte Gas- oder Staubwolken die Sicht verdecken und Cluster in einem bestimmten Bereich dunkler erscheinen lassen. Die Daten unterstützen dieses Szenario jedoch nicht.
In einigen Regionen des Weltraums könnte die Verteilung von Clustern durch Massenströme beeinflusst werden, großräumige Bewegungen von Materie, die durch die Anziehungskraft extrem massiver Strukturen wie großer Clustergruppen verursacht werden. Auch diese Hypothese erscheint jedoch unwahrscheinlich. Konstantinos fügt hinzu, dass die Ergebnisse das Team überrascht haben.
„Wenn das Universum wirklich anisotrop ist, wenn auch nur in den letzten paar Milliarden Jahren, würde das einen großen Paradigmenwechsel bedeuten, weil die Richtung jedes Objekts berücksichtigt werden müsste, wenn wir seine Eigenschaften analysieren“, sagt er. „Heute schätzen wir beispielsweise die Entfernung sehr weit entfernter Objekte im Universum, indem wir eine Reihe kosmologischer Parameter und Gleichungen anwenden. Wir glauben, dass diese Parameter überall gleich sind. Aber wenn unsere Schlussfolgerungen richtig sind, wäre dies nicht der Fall und wir müssten alle unsere vorherigen Schlussfolgerungen überdenken.“
„Das ist ein äußerst faszinierendes Ergebnis“, kommentiert Norbert Schartel, XMM-Newton-Projektwissenschaftler bei der ESA. „Frühere Studien haben darauf hingewiesen, dass sich das gegenwärtige Universum möglicherweise nicht gleichmäßig in alle Richtungen ausdehnt, aber dieses Ergebnis – das erste Mal, dass ein solcher Test mit Galaxienhaufen in Röntgenstrahlen durchgeführt wurde – hat eine viel größere Bedeutung und zeigt auch eine große“ Potenzial für zukünftige Untersuchungen.“
Die Wissenschaftler spekulieren, dass dieser möglicherweise ungleichmäßige Effekt auf die kosmische Expansion durch dunkle Energie verursacht werden könnte, die mysteriöse Komponente des Kosmos, die den Großteil – etwa 69 % – seiner Gesamtenergie ausmacht. Über dunkle Energie ist heute sehr wenig bekannt, außer dass sie die Expansion des Universums in den letzten paar Milliarden Jahren anscheinend beschleunigt hat.
Das kommende ESA-Teleskop Euclid, das Milliarden von Galaxien abbilden und die Ausdehnung des Kosmos, seine Beschleunigung und die Natur der dunklen Energie untersuchen soll, könnte in Zukunft helfen, dieses Rätsel zu lösen.
„Die Ergebnisse sind wirklich interessant, aber die in die Studie eingeschlossene Stichprobe ist immer noch relativ klein, um solch tiefgreifende Schlussfolgerungen zu ziehen“, sagt René Laureijs, Euclid-Projektwissenschaftler bei der ESA. „Das ist das Beste, was man mit den verfügbaren Daten machen könnte, aber wenn wir das weithin akzeptierte kosmologische Modell wirklich überdenken würden, würden wir mehr Daten brauchen.“
Und Euklid könnte genau das tun. Die Raumsonde, die 2022 starten soll, könnte nicht nur Beweise dafür finden, dass dunkle Energie das Universum wirklich ungleichmäßig in verschiedene Richtungen ausdehnt, sondern es wird den Wissenschaftlern auch ermöglichen, mehr Daten über die Eigenschaften einer großen Anzahl von Galaxienhaufen zu sammeln, was möglicherweise die aktuellen Erkenntnisse unterstützen oder widerlegen.
Weitere Daten werden demnächst auch vom Röntgengerät eROSITA stammen, das vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik gebaut wurde. Das Instrument an Bord des kürzlich gestarteten deutsch-russischen Satelliten Spektr-RG wird die erste All-Sky-Durchmusterung in Röntgenstrahlen mittlerer Energie durchführen und sich auf die Entdeckung von Zehntausenden bisher unbekannten Galaxienhaufen und aktiven galaktischen Zentren konzentrieren.
„Untersuchung der kosmischen Isotropie mit einer neuen Röntgen-Galaxienhaufen-Probe durch das LX−Tskalierungsrelation’ von K. Migkas et al. (2020) ist erschienen in Astronomie und Astrophysik (DOI: 10.1051/0004-6361/19936602).
Versteckt im Staub
Obwohl Astronomen die Sternentstehung seit Jahrzehnten untersuchen, bleiben viele Fragen offen. Ein Teil des Problems ist, dass die meisten Sterne in Wolken aus Molekülen und Staub entstehen. Der Staub absorbiert das ultraviolette und den größten Teil des optischen Lichts, das von der Bildung von Sternen emittiert wird, was es für Hubbles ultraviolette und optische Instrumente schwierig macht, den Prozess zu untersuchen.
Je länger oder röter die Wellenlänge des Lichts ist, desto weniger wird absorbiert. Deshalb erscheinen Sonnenuntergänge, bei denen das Licht durch lange Strecken staubiger Luft gehen muss, rot.
Das nahe Infrarot hat es jedoch noch leichter, Staub zu durchdringen als das rote optische Licht. NICMOS kann mit der überragenden Bildqualität von Hubble in Sternentstehungsregionen schauen, um die Details zu bestimmen, wo die Sternentstehung stattfindet. Ein gutes Beispiel ist das ikonische Hubble-Bild des Adlernebels, auch bekannt als die Säulen der Schöpfung.
Das optische Bild zeigt majestätische Säulen, die die Sternentstehung über einem großen Raumvolumen zu zeigen scheinen. Das NICMOS-Bild zeigt jedoch ein anderes Bild. Im NICMOS-Bild sind die meisten Säulen transparent ohne Sternentstehung. Sterne bilden sich nur an der Spitze der Säulen. Die optischen Säulen sind nur leerer Staub, der das Licht einer Gruppe naher Sterne reflektiert.
Der Adlernebel im sichtbaren Licht. NASA, ESA und das Hubble Heritage Team (STScI/AURA) 
In diesem Bild des Hubble-Weltraumteleskops sind die Säulen der Schöpfung des Adlernebels zu sehen. Hier sind die Säulen im Infrarotlicht zu sehen, das durch undurchsichtigen Staub und Gas durchdringt und einen unbekannteren – aber ebenso erstaunlichen – Blick auf die Säulen freigibt. NASA, ESA/Hubble und das Hubble Heritage Team
Ferne Natur: Astronomie-Übungen
Nach Edwin Hubbles Arbeit mit veränderlichen Cepheid-Sternen, um die Entfernung zu den „Spiralnebeln“ zu messen, begab er sich auf die Suche, um die Geschwindigkeit zu verstehen, mit der sich diese Galaxien in Bezug auf uns selbst bewegten. In diesem Experiment werden wir die Schritte ähnlich der Arbeit von Hubble verfolgen. Diese Schritte führten Hubble schließlich zu der Beobachtung, dass je weiter eine Galaxie entfernt war, desto größer ihre Rezessionsgeschwindigkeit. Seine Erkenntnisse führten ihn zum konstanten
H0, genannt Hubble-Konstante, die sich direkt auf die Expansionsrate des Universums bezieht.
Benötigte Ausrüstung/Materialien
Stellarium, Taschenrechner, Millimeterpapier.
Thema Einführung
Hubble untersuchte die Spektren vieler Galaxien und suchte nach Rot- oder Blauverschiebungen in den Spektren, die auf eine relative Bewegung hinweisen würden. Zu seiner Überraschung schienen sich nicht nur alle Galaxien zu bewegen, sondern sie bewegten sich alle von uns weg, unabhängig von der Richtung der Galaxie. Er maß die
Spektralverschiebungen für viele Galaxien und stellte fest, dass sie alle eine Rotverschiebung aufwiesen. Er benutzte Gleichung 1, um die Rotverschiebungs-(z)-Werte für jede Galaxie zu quantifizieren. Abbildung 1 stellt die ursprünglichen Ergebnisse von Hubble zu H dar0 =68 (km/s)/Mpc.
Wobei: z = die Rotverschiebung, lobs =
die beobachtete Wellenlänge, l0 = die unverschobene Wellenlänge.
Beobachten Sie, wie sich das Universum in Echtzeit ausdehnt
Im Spiel Warten auf Godot, Samuel Beckett schreibt: &bdquoWas machen wir hier, das ist hier die Frage. Und darin sind wir gesegnet, dass wir die Antwort zufällig kennen. Ja, in der immensen Verwirrung ist nur eines klar. Wir warten darauf, dass Godot kommt.&rdquo
Was Beckett mit &ldquoGodot&rdquo meint, ist umstritten. Während meiner Karriere als Astronom habe ich auf viele &ldquoGodots&rdquo gewartet, einschließlich Beobachtungstests für meine theoretischen Vorhersagen. Die schwer fassbare davon besteht darin, die Entwicklung des Universums in Echtzeit zu beobachten.
Wir betrachten oft den kosmischen Mikrowellenhintergrund, Reliktstrahlung aus dem frühen Universum, als ob sie vor drei Jahrzehnten noch genauso aussah, als der COBE-Satellit sie zum ersten Mal kartierte, wie sie vor kurzem aussah, als sie vom Planck-Satelliten beobachtet wurde. Dies ist eine gültige Vereinfachung, solange die Genauigkeit unserer Messungen nicht ausreicht, um den Unterschied zu bemerken. Aber die Realität ist, dass sich der Kosmos ständig ändert, und so variieren auch die Eigenschaften der kosmischen Photosphäre und der ursprünglichen Quelle des Mikrowellenhintergrunds. Solche kosmischen Veränderungen vollziehen sich sehr langsam über einen Zeitraum, der hundert Millionen Mal länger ist als ein Menschenleben. Können wir die damit verbundenen winzigen Variationen über die Jahrzehnte, in denen wir den Himmel beobachten, feststellen?
Das Universum gleicht einer kugelförmigen archäologischen Ausgrabung, die sich auf uns konzentriert. Je tiefer wir in den Weltraum blicken, desto älter ist die Schicht, die wir freilegen. Aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit sehen wir alte Bilder von entfernten Quellen, die wie vor einer Lichtreisezeit aussahen. Wenn wir mehr Zeit verstreichen lassen, sehen wir die gleiche Quelle in einem späteren Alter. Aber wenn Licht auf uns zukommt, wird seine Wellenlänge durch die kosmische Ausdehnung gestreckt. Sichtbares Licht wird ins Rot verschoben und erfährt die sogenannte Rotverschiebung. Wie Edwin Hubble vor etwa einem Jahrhundert feststellte, entfernen sich weiter entfernte Quellen schneller von uns, und so liefert die Rotverschiebung ein Maß für die Rezessionsgeschwindigkeit kosmologischer Quellen, die von uns entfernt sind.
Normalerweise betrachten wir die Rotverschiebungen entfernter Galaxien und anderer Objekte als Momentaufnahme der Expansion des Universums zu einem bestimmten Zeitpunkt. Tatsächlich handelt es sich jedoch um Einzelbilder eines sehr langsamen Films, und wir könnten uns diese Filmrolle im Prinzip ansehen, indem wir lange genug warten. Können wir tatsächlich eine Änderung der kosmischen Rezessionsgeschwindigkeit bestimmter Quellen in Echtzeit erkennen? Allan Sandage argumentierte 1962, dass es sehr schwierig wäre, solche Veränderungen durch Beobachtungen entfernter Galaxien über die Jahrzehnte einer Astronomenkarriere hinweg zu messen.
1998 schrieb ich einen Artikel, der einen neuen Ansatz zur Messung der Entwicklung der Expansionsrate von Objekten in kosmologischen Entfernungen vorschlug. Die Sichtlinie zu entfernten Quasaren durchquert zahlreiche Wasserstoffwolken. Jede dieser Wolken prägt dem beobachteten Spektrum des Quasarlichts ein Absorptionsmerkmal auf. Es gibt viel mehr dieser Absorptionsmerkmale mit gemessenen Rotverschiebungen als die Anzahl der Galaxien entlang jeder Sichtlinie. Dies bietet ein viel besseres statistisches Beispiel für die Messung der winzigen Rotverschiebungsdrift in jeder kosmischen Epoche.
Durch die Beobachtung der leichten Drifts in den vielen Rotverschiebungen, die durch den reichen Wald an Absorptionsmerkmalen über einen Zeitraum von Jahrzehnten gekennzeichnet sind, könnte man möglicherweise die Entwicklung der Expansionsrate des Universums in Echtzeit erkennen. Die Geschwindigkeitsverschiebung liegt knapp unter unserer besten Empfindlichkeit bei der Erkennung von Planeten durch die winzigen Reflexbewegungen ihrer Wirtssterne. Ein Rückgang der Rezessionsgeschwindigkeiten absorbierender Systeme über jahrzehntelange Beobachtungen würde eine kosmische Verlangsamung bedeuten, während ein zeitliches Wachstum eine kosmische Beschleunigung implizieren würde.
Während der ersten Hälfte der Geschichte des Universums verlangsamte sich die kosmische Expansionsrate aufgrund der Anziehungskraft von Strahlung und Materie. Aber während der zweiten Hälfte wurden Strahlung und Materie so stark verdünnt, dass das Vakuum „dunkle Energie&rdquo dominierte und die kosmische Expansion durch die abstoßende Kraft des Vakuums beschleunigt wurde.
Durch die Überwachung der kosmischen Expansion in Echtzeit können wir die frühe Verzögerung bei hohen Rotverschiebungen und die späte Beschleunigung bei niedrigen Rotverschiebungen beobachten. Der Übergang zwischen den beiden Phasen würde das kosmische Massenbudget in Bezug auf die relativen Proportionen der Dunklen Materie bestimmen, die früh dominiert, und die dunkle Energie, die später dominiert. Alles in allem kann uns die Rotverschiebungsdrift, die mit dem oben erwähnten Sandage-Loeb-Effekt verbunden ist, einen direkten Blick darauf geben, wie sich das Universum ausdehnt, als ob wir es in einem Kino sehen würden. Möglich wäre diese Ansicht mit geplanten hochauflösenden Spektrographen auf der nächsten Generation extrem großer bodengebundener Teleskope.
Die von Wasserstoffatomen auf dem Beobachtungspfad zu Quasaren geprägte Absorption beruht auf zwei Tatsachen: dass Wasserstoff das am häufigsten vorkommende Element im Universum ist und dass er durch Absorption eines ultravioletten aus seinem Grundzustand in das erste darüber liegende Energieniveau angeregt werden kann Photon bei einer Wellenlänge von 12,16 Millionstel Zentimeter, nach dem sogenannten Lyman-Alpha-Übergang. Das Absorptionsmerkmal einer entfernten Wasserstoffwolke erscheint bei einer Wellenlänge, die seit der Absorption durch die kosmische Expansion gestreckt wurde. Daher erzeugen mehrere Wolken entlang der Sichtlinie einen Wald von Absorptionsmerkmalen bei verschiedenen Wellenlängen, der im Quasarspektrum wie ein verwitterter Lattenzaun aussieht, bis hin zur Lyman-Alpha-Wellenlänge bei der Rotverschiebung der Quelle. Übergänge vom Grundniveau des Wasserstoffs zu höheren Energieniveaus, die als Lyman-Beta, Gamma, Delta usw. bezeichnet werden, sind weniger auffällig.
Zufälligerweise wurden mehrere der oben genannten Fakten über Wasserstoff an der Harvard University entdeckt. Die Lyman-Reihe ist nach Theodore Lyman IV benannt, der vor einem Jahrhundert das Jefferson Physical Laboratory leitete und diese Wasserstoffübergänge experimentell entdeckte. Anschließend entdeckte Cecilia Payne-Gaposchkin bei den Recherchen für ihren Ph.D. These, dass die Sonne hauptsächlich aus Wasserstoff besteht, war sie Vorsitzende des Harvard Astronomy Department. Später entdeckte Edward Purcell, ein Harvard-Physikprofessor und Nobelpreisträger, das prominente Wasserstoffgas, das die Milchstraße durchdringt, indem er seinen 21-Zentimeter-Übergang entdeckte. Diese Vorstellung wurde von George Field, dem ersten Direktor des Zentrums für Astrophysik auf dem Harvard-Campus, auf das intergalaktische Medium ausgeweitet.
Wir haben das Glück, den Weg dieser bahnbrechenden Studien zu erben und den Lyman-Alpha-Wasserstoffwald zu nutzen, um uns in Echtzeit über die Entwicklung des Universums zu informieren. Die Erkennung von Rotverschiebungsdriften, die mit bereits im Bau befindlichen Teleskopen wie dem Square Kilometre Array und dem Extremely Large Telescope innerhalb von ein oder zwei Jahrzehnten möglich sein könnten, unterstreicht die grundlegendste Facette unseres Lebens: dass sich alles um uns herum ändert, einschließlich der universe at large, and that we should endlessly adapt to new circumstances including cosmic loneliness as a result of accelerated expansion. The perpetual change on the cosmic scale is the slowest &ldquoGodot&rdquo that astronomers have a good reason to be waiting for.
This is an opinion and analysis article.
ABOUT THE AUTHOR(S)
Avi Loeb is former chair (2011-2020) of the astronomy department at Harvard University, founding director of Harvard's Black Hole Initiative and director of the Institute for Theory and Computation at the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. He also chairs the Board on Physics and Astronomy of the National Academies and the advisory board for the Breakthrough Starshot project, and is a member of President's Council of Advisors on Science and Technology. Loeb is the bestselling author of Extraterrestrial: The First Sign of Intelligent Life Beyond Earth (Houghton Mifflin Harcourt).
“Baffling” –Enormous Radio Galaxies from the Early Universe Would Take Several Million Years to Cross at Speed of Light
“When we look far into the distant universe, we are observing objects way in the past – when they were young. We expected to find that these distant giants would appear as a comparatively small pair of vague lobes. To our surprise, we found that these giants still appear enormous even though they are so far away,” said astrophysicist Michael D. Smith of the Center for Astrophysics and Planetary Science at University of Kent, about the biggest objects in the universe, so-called giant radio galaxies, some 22 times the size of the Milky Way, that stretch across a large part of the Universe.
The biggest objects in the universe
In 2019, astrophysicists at the University of Kent simulated the development of the biggest objects in the universe to help explain how galaxies and other cosmic bodies were formed. By looking at the distant universe, it is possible to observe it in a past state, when it was still at a formative stage. Conventional wisdom says that large objects appear smaller as they get farther from us, but this fundamental law of classical physics is reversed when we observe the distant universe. At that time, galaxies were growing and supermassive black holes were violently expelling enormous amounts of gas and energy. This matter accumulated into pairs of reservoirs, which formed these enormous objects, some twenty-two times the size of the Milky Way, that even moving at the speed of light, it would take several million years to cross.
Smith, and student Justin Donohoe collaborated on the research . They expected to find that as they simulated objects farther into the distant universe, they would appear smaller, but in fact they found the opposite.
Radio galaxies have long been known to be powered by twin jets which coming directly from the nucleus and going to the lobes, inflating their lobes and creating giant cavities. The team performed simulations using the Forge supercomputer, generating three-dimensional hydrodynamics that recreated the effects of these jets. They then compared the resulting images to observations of the distant galaxies. Differences were assessed using a new classification index, the Limb Brightening Index (LB Index), which measures changes to the orientation and size of the objects.
‘We already know that once you are far enough away, the Universe acts like a magnifying glass and objects start to increase in size in the sky,” said Smith. “Because of the distance, the objects we observed are extremely faint, which means we can only see the brightest parts of them, the hot spots. These hot spots occur at the outer edges of the radio galaxy and so they appear to be larger than ever, confounding our initial expectations.’
The Daily Galaxy, Avi Shporer, Research Scientist, MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research via University of Kent . Avi was formerly a NASA Sagan Fellow at the Jet Propulsion Laboratory (JPL).
Image credit: Chandra Observatory image at the top of the page shows the nearby radio galaxy Centaurus A. X-ray: NASA/CXC/SAO Optical: NASA/STScI Radio: NSF/NRAO/AUI/VLA
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Hubble Telescope Spots Most Distant Galaxies
The revamped Hubble Space Telescope has spied what might bethe oldest, most distant galaxies yet seen, astronomers announced today.
The faintest and reddest objects in the new Hubble imagesare galaxies that formed 600 million years after the theoretical Big Bang,which occurred about 13.7 billion years ago. So these objects are located about13.1 billion light-years from Earth.
Observations of early galaxies can help astronomers learnwhat conditions were like in the universe's early years.
Two teams of astronomers from the United Kingdom took imagesof galaxies in the early universe with Hubble's brand new Wide Field Camera 3(WFC3), which can take highly sensitive measurements in the infrared.
Infrared light is light invisible to the human eye, withwavelengths about twice as long as (and so redder than) visible light.
"The expansion of the universe causes the light fromvery distant galaxies to appear redder, so having a new camera on Hubble whichis very sensitive in the infrared means we can identify galaxies at muchgreater distances than was previously possible," said team member StephenWilkins, a postdoctoral researcher in astrophysics at Oxford University.
The new images from the Hubble Space Telescope (HST), taken inAugust over four days, include the region of sky known as the Hubble Ultra DeepField.
"Hubble has now revisited the Ultra Deep Field which wefirst studied five years ago, taking infrared images which are more sensitivethan anything obtained before. We can now look even further back in time,identifying galaxies when the Universe was only 5 percent of its current age ?within 1 billion years of the Big Bang," said team member Daniel Stark, apostdoctoral researcher at the Institute of Astronomy in Cambridge.
Another recent survey, conducted with the Subaru Telescopein Hawaii, found 22 of theearliest galaxies to form in the universe, with one confirmed to have anage that puts it just 787 million years after the Big Bang.
So far, the mostdistant object yet observed is a gamma-ray burst ? the most violentexplosions in the universe ? located more than 13 billion light-years fromEarth.
Astronomers can look forward to seeing such distant, earlygalaxies in even more detail in a few years, the team members noted. Hubblereceived its final overhaul last May, when astronauts made repairs andinstalled the new Wide Field Camera 3 and other new tools.
"These new observations from HST are likely to be themost sensitive images Hubble will ever take, but the very distant galaxies wehave now discovered will be studied in detail by Hubble's successor, the JamesWebb Space Telescope, which will be launched in 2014," said Jim Dunlop ofthe University of Edinburgh.
The teams presented their findings in a series of papers inthe journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
