Gibt es neben der Rotverschiebung noch andere Beweise für das expandierende Universum?

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Die Theorie des expandierenden Universums ist so weit verbreitet, dass die Rotverschiebung manchmal als Maß für die Entfernung zu weit entfernten Galaxien verwendet wird.

Aber ist es trotzdem möglich, dass die Rotverschiebung durch einige unbekannte Phänomene verursacht wird und nicht durch sich voneinander weg bewegende Galaxien?

Gibt es einen anderen Beweis (außer der Rotverschiebung), dass sich das Universum tatsächlich ausdehnt und sich weit entfernte Galaxien von uns entfernen?

Ja, es gibt direkte Beweise für eine Expansion ohne Rotverschiebung.

Die Temperatur der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMBR) in der Vergangenheit wurde direkt gemessen und ist wesentlich höher als heute. Sein Temperaturabfall im Laufe der Zeit ist ein direkter Beweis für die Ausdehnung. Hier sind die Details:

Laut diesem Papier war der CMBR in der Vergangenheit messbar heißer (hier weniger technische Zusammenfassung). Die Forscher beobachteten Absorptionslinien in einer Gaswolke in einer entfernten Galaxie und fanden heraus, dass das beobachtete Linienmuster nur erklärt werden konnte, wenn die CMBR-Temperatur zum Zeitpunkt der Absorption zwischen 6 K und 14 K lag (jetzt sind es 3 K). Diese Temperatur stimmt mit der erwarteten Temperatur für die Rotverschiebung dieser Galaxie (9 K) überein. Beachten Sie, dass die Temperatur anhand des spezifischen beobachteten Linienmusters gemessen wurde und nicht anhand der Rotverschiebung der Linien; diese Messung würde auch ohne Rotverschiebung die gleiche Temperatur ergeben. Da eine höhere Temperatur eine höhere Dichte impliziert, ist diese Abkühlung des CMBR im Laufe der Zeit ein direkter Beweis für die Expansion des Universums.

Zusätzliche Kommentare

Welche Beziehung besteht zwischen Rotverschiebung und Absorptionslinien?
Inspiriert von einem Gespräch mit uhoh in den Kommentaren:
In meiner Antwort beziehe ich mich auf ein "Muster" von "Absorptionslinien". Für diejenigen, die sich mit dem Thema nicht auskennen, erlauben Sie mir, es zu erklären.
Wenn ein Licht durch eine Gaswolke scheint, werden bestimmte Lichtfrequenzen absorbiert. Wenn dieses Licht dann durch ein Prisma scheint, erscheinen die blockierten Frequenzen als schwarze Linien im Spektrum (siehe Abbildung unten). Die genau erscheinenden Linien und ihre Positionen im Spektrum (das "Muster" der "Absorptionslinien") hängen von den im Gas vorhandenen Elementen und der Umgebung des Gases ab. Der Effekt ist am deutlichsten bei einem Licht zu sehen, das Photonen bei allen Frequenzen emittiert; diese Art von Licht wird als Schwarzkörperstrahlung bezeichnet. Obwohl ein Schwarzkörperstrahler Licht bei allen Frequenzen emittiert, emittiert er das meiste Licht bei einer bestimmten Wellenlänge; die Lage dieses Peaks wird als Temperatur des schwarzen Körpers bezeichnet. Der in der Frage diskutierte CMBR ist ein Beispiel für Schwarzkörperstrahlung.

^{Quelle: Dopplerverschiebung, Edward L. Wright
(Ausgezeichnete Seite übrigens, die FAQ ist einen Blick wert, um weitere Informationen zu Rotverschiebungen und Kosmologie im Allgemeinen zu erhalten)}
Wenn Licht durch den (ausdehnenden) Raum wandert, hat es eine Wellenlänge und die Wellenlängen der Absorptionslinien dehnt sich mit einer festen Rate für alle Frequenzen aus. Angenommen, ein Spektrum zeigt zum Zeitpunkt der Emission/Absorption Linien bei Wellenlängen von 1, 3 und 5 nm¹. Nachdem die Photonen eine bestimmte Zeit lang gereist sind, scheinen sich alle Wellenlängen des Spektrums verdoppelt zu haben². Die Linie, die früher bei 1 nm lag, wird jetzt bei 2 nm gesehen, die früher bei 3 nm wird jetzt bei 6 nm gesehen und die ursprünglich bei 5 nm wird jetzt bei 10 nm gesehen. Obwohl sich ihre absoluten Frequenzen mit der Zeit ändern, bleibt das Verhältnis der Wellenlängen (und Frequenzen) der Linien zueinander konstant.

Der genaue Betrag, um den das Spektrum eines bestimmten Objekts verschoben wird, korreliert direkt mit seiner Entfernung. Wie im obigen Diagramm zu sehen ist, zeigen nahe Objekte (wie die Sonne) keine Rotverschiebung. Wenn man sich immer weiter entfernte Objekte ansieht, sieht man zunehmende Rotverschiebungen³.
In der Diskussion in der obigen Antwort ist es das Muster der relativen Positionen in den Linien, die von der CMBR-Temperatur zum Zeitpunkt der Absorption beeinflusst werden, und nicht der Grad, zu dem die Linien verschoben wurden.

^{¹ Technisch ausgedrückt ist dieser Punkt bei $z=0$ wo $z$ zeigt das Ausmaß der Verschiebung an, positiv für Rotverschiebungen (Wegbewegen) und negativ für Blauverschiebungen (Annähern). Eine eingehendere Diskussion dieses Themas (einschließlich der genauen Definition von $z$) finden Sie hier.}
^{² Der Punkt der Wellenlängenverdopplung (Frequenzhalbierung) liegt bei $z=1$}
^{³ Es sollte beachtet werden, dass sich Rotverschiebungen nicht auf genau bekannte Entfernungen beziehen, da es eine gewisse Unsicherheit hinsichtlich der Geschwindigkeit gibt, mit der sich das Universum ausdehnt. Daher beziehen sich Astronomen und Kosmologen selten auf die Entfernungen zu entfernten Objekten in absoluten Zahlen, beispielsweise in Lichtjahren oder Parsec, sondern ziehen es vor, die beobachtete Rotverschiebung (die $z$ oben erwähnt).}

Der Mechanismus hinter der Rotverschiebung besteht nicht darin, dass sich die Photonen selbst ändern, sondern dass sich der Raum, durch den sich die elektromagnetischen Wellen bewegen, ausdehnt. (Photonen sind sowohl Teilchen als auch Wellen; nein, es ist nicht gerade intuitiv.) Diese ständige Ausdehnung des Raums dehnt die Wellenlänge des Lichts aus, was sowohl den Effekt der Rotverschiebung als auch die Zunahme der Rotverschiebung eines bestimmten Photons im Laufe der Zeit verursacht.

Douglas Hofstadter, CC A-SA 3.0
Wie verhält sich die Rotverschiebung zum CMBR?
In den Kommentaren fragte Alchimista: "Ist CMBR nicht sowieso die Quintessenz der Rotverschiebung?"
(Ich gehe davon aus, dass Sie die allgemeine und nicht kosmologische Bedeutung von "Quintessenz" verwenden.)
Ja, die aktuelle CMBR-Temperatur (3 K) wird allgemein als das Ergebnis relativ hochenergetischer Photonen (3000 K) angesehen, die etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall emittiert wurden und deren Wellenlängen durch die Expansion des Universums in Richtung . im Laufe der Zeit gestreckt wurden das rote (dh kühlere oder energieärmere) Ende des Spektrums. Diese Erweiterung wurde von Hubble abgeleitet et al. aus der Beobachtung, dass kleinere und dunklere Galaxien (von der Erde aus gesehen) eine größere Verschiebung in ihren Spektren aufweisen. Je weiter die scheinbare Entfernung ist, desto größer ist die beobachtete Verschiebung. Mit dieser scheinbaren entfernungskorrelierten Rotverschiebung können wir schließen dass das Universum in der Vergangenheit kleiner und damit bei einer höheren Temperatur für den CMBR dichter war. Basierend auf beobachteten Rotverschiebungen entfernter Galaxien können wir dann die CMBR-Temperatur in jeder Entfernung ableiten, aber nicht direkt messen.

Was die Autoren des obigen Papiers taten, war eine Direkte Messung der Temperatur des CMBR zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit. Die gemessene Temperatur ist höher als heute, was auf ein dichteres und damit kleineres Universum schließen lässt. Die Forscher fanden außerdem heraus, dass die direkt gemessene Temperatur gut mit der aus der beobachteten Rotverschiebung der untersuchten Galaxie abgeleiteten Temperatur übereinstimmt.

Kurz gesagt, die Folgerungskette ist vertauscht:
- Zur Begründung auf der Grundlage der Rotverschiebung:
  Zunehmende Rotverschiebungen mit scheinbarer Entfernung (direkt gemessen) ⇒ Ausdehnung ⇒ Dichteres Universum in der Vergangenheit ⇒ Höhere CMBR-Temperatur in der Vergangenheit.
- Für eine direkte Messung der vergangenen Temperatur (wie bei diesem Papier):
  Höhere CMBR-Temperatur in der Vergangenheit (direkt gemessen) ⇒ Dichteres Universum in der Vergangenheit ⇒ Expansion ⇒ Beobachtete Rotverschiebung.
Diese beiden Inferenzketten, die auf unterschiedlichen Beweissätzen basieren, ergänzen und stützen sich gegenseitig.
Zu beachten ist, dass der CMBR nicht erstellt durch Expansion (zumindest nicht direkt), sondern es ist die Expansion, die seine aktuelle Temperatur und Gleichmäßigkeit erklärt. Nach der Urknalltheorie war das frühe Universum sehr dicht; so dicht und heiß, dass alle Materie ein Plasma aus subatomaren Teilchen war, undurchsichtig für Photonen. Ungefähr 380.000 Jahre nach dem Urknall hatte sich das Universum (durch Expansion) so weit abgekühlt, dass sich Protonen und Elektronen zu neutralem Wasserstoffgas (das transparent ist) verbinden konnten. Der CMBR ist das Licht, das zu dieser Zeit freigesetzt wurde und seitdem kühlt.

Aber ist es trotzdem möglich, dass die Rotverschiebung durch einige unbekannte Phänomene verursacht wird und nicht durch sich voneinander weg bewegende Galaxien?

In der Geschichte wurden einige alternative Theorien vorgeschlagen, wie die müde Licht-Hypothese, das Steady-State-Universum usw. Aber die Beobachtung schloss diese und andere Theorien aus.

Siehe auch Alternative Kosmologie

Ja:

Verteilung von 1a-Supernova-Daten
WMAP-Messungen des CMB
Sloan galaktische Himmelsdurchmusterung (Katalog der Galaxien)

Wichtig ist, dass diese Ergebnisse nicht nur das Gleiche sagen, sondern sie korrespondieren auch miteinander.

Es gibt keine anderen halbwegs direkten Methoden, aber es gibt definitiv indirekte Methoden. Erstens sind in der Antwort von @Alex Hajnal die höheren CMB-Temperaturen, die weiter draußen gemessen werden, eine sehr schöne indirekte Maßnahme.

Ein weiterer indirekter Beweis, den noch niemand bemerkt hat, ist, dass das Universum immer jünger aussieht, wenn wir weiter und weiter hinausschauen, und immer weniger wie das, was wir in unserer Nachbarschaft sehen. Sie sind ziemlich gezwungen, dies wissenschaftlich zu erklären, indem Sie sagen, dass das Universum vor ungefähr 10 Milliarden Jahren einen Anfang hatte und dass sich Sterne und Galaxien erst dann zu bilden begannen. (Dies ist kein spezieller Beweis für einen Urknall, aber es eliminiert die meisten Alternativen dazu. Das Steady-State-Modell zum Beispiel ist verfälscht.) Es ist sehr, sehr schwer zu erklären, was wir sehen, außer dass es auf ein sich ausdehnendes Universum zurückzuführen ist aus einem heißen dichten Zustand ca. 10¹⁰ vor Jahren.

Weitere indirekte Beweise stammen aus der Allgemeinen Relativitätstheorie, einer Theorie von Raum, Zeit und Schwerkraft, die sehr gut verifiziert -- es wird jetzt seit einem Jahrhundert getestet und von unzähligen anderen Theorien in Frage gestellt, und nur GR hat alle experimentellen Tests bestanden. GR sagt robust voraus, dass ein statisches Universum unmöglich ist und dass es sich entweder ausdehnen oder zusammenziehen muss. Dies ist ein indirekter Beweis aus meist lokalen Experimenten.

Noch mehr indirekte Beweise stammen aus Nukleosyntheseberechnungen, die zeigen, dass die H/He/Li-Verhältnisse, die wir in den ältesten und am wenigsten entwickelten Sternen beobachten, genau das sind, was wir aufgrund der Anwendung der gemessenen Eigenschaften von Kernen auf einen Big-Ban-Feuerball vorhersagen.

Es gibt so viele andere Wissenschaften als die Rotverschiebungen, die darauf hindeuten, dass sich das Universum aus einem anfänglich sehr heißen, dichten Zustand ausdehnt, dass wir selbst ohne die Beobachtung von Rotverschiebungen schließlich zu dieser Schlussfolgerung gezwungen wären.

Zusätzlich zu den Indizien, die die anderen Antworten liefern, ist eine starke Bestätigung für die Entfernung von Galaxien durch die Tatsache gegeben, dass physikalische Prozesse - wie die Abnahmezeit für die Helligkeit von Supernovae - zunehmen, je weiter sie entfernt sind ist. Für eine Quelle mit einer Rotverschiebung von $z$, der Betrag davon Zeitdilatation wird beobachtet, dass $(1+z)$, genau in Übereinstimmung mit dem, was von der allgemeinen Relativitätstheorie in einem expandierenden Universum erwartet wird.

Das heißt, eine Supernova beobachtet mit einer Rotverschiebung von $1$ braucht doppelt so lange wie eine lokale Supernova, um zu sinken.

Beachten Sie jedoch, dass dies keine Bestätigung des expandierenden Universums ist, sondern nur der Galaxien, die sich voneinander entfernen. Wenn das Universum statisch wäre, sich die Galaxien aber bewegten durch Raum, würden Sie die Prozesse beobachten, die um den gleichen Faktor erweitert werden, wie von vorhergesagt Besondere Relativität. Es gibt jedoch auch andere Hinweise darauf, dass sich die Galaxien nicht durch einen statischen Raum bewegen, sondern mehr oder weniger still in einem sich ausdehnenden Raum liegen.

OK, diese Antwort beinhaltet Rotverschiebungen, aber hören Sie mich an.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie können mehrere Mechanismen Rotverschiebungen erzeugen: Ausdehnung des Raums, Objekte, die sich relativ zu einem Beobachter (d. h. uns) bewegen, und Licht, das sich außerhalb der Schwerkraft bewegt. Die letztgenannte Option ist nicht Gegenstand dieser Frage und die erstere wird auf Antrag des Fragestellers von der Berücksichtigung ausgeschlossen. Damit bleibt nur die zweite Option (relative Bewegung, auch bekannt als relativistischer Doppler-Effekt) in Betracht; diese Verschiebung kann (und wurde) hier auf der Erde getestet und es wurde gezeigt, dass sie existiert.

Eine Rotverschiebung wird bei allen scheinbar entfernten Objekten beobachtet (dunkle, geringe Metallizität usw.). Aus der Rotverschiebung der Spektren eines bestimmten Objekts können wir feststellen, wie schnell es sich von uns entfernt. Zum Beispiel ein Objekt mit einer gemessenen Rotverschiebung von $z=0.5$ bewegt sich mit etwa halber Lichtgeschwindigkeit von uns weg. So weit, ist es gut. Das Problem entsteht, wenn wir Objekte mit $z>1$. Viele solcher Objekte wurden gefunden; aktueller Rekordhalter ist GN-z11 mit einer Rotverschiebung von $z=11.09$. Anders ausgedrückt, wenn nur relativistische Verschiebungen im Spiel wären, würde sich dieses Objekt mit über 11-facher Lichtgeschwindigkeit von uns entfernen.

Da kein massereiches Objekt Lichtgeschwindigkeit erreichen kann, ist klar, dass die beobachteten Rotverschiebungen nicht durch relativistische Bewegungen verursacht werden können. Da außer den drei oben aufgeführten Mechanismen keine Mechanismen bekannt sind, die zu Rotverschiebungen führen können in den Spektren (vergleiche Extinktion), die einzige Erklärung, die diesen Beobachtungen entspricht, ist die Ausdehnung des Weltraums. Kurz gesagt, die Tatsache, dass superluminale Rotverschiebungen beobachtet werden überhaupt ist ein Beweis dafür, dass sich der Weltraum ausdehnt.

Gibt es neben der Rotverschiebung noch andere Beweise für das expandierende Universum? - Astronomie

Am Ende dieses Abschnitts können Sie:

Beschreiben Sie die Entdeckung, dass Galaxien mit der Entwicklung des Universums immer weiter auseinander geraten
Erklären Sie, wie man das Hubble-Gesetz verwendet, um Entfernungen zu entfernten Galaxien zu bestimmen
Beschreiben Sie Modelle für die Natur eines expandierenden Universums
Erklären Sie die Variation der Hubble-Konstanten

Wir kommen nun zu einer der wichtigsten Entdeckungen, die jemals in der Astronomie gemacht wurden – der Tatsache, dass sich das Universum ausdehnt. Bevor wir beschreiben, wie die Entdeckung gemacht wurde, sollten wir darauf hinweisen, dass die ersten Schritte zur Erforschung von Galaxien zu einer Zeit kamen, als auch die Techniken der Spektroskopie große Fortschritte machten. Astronomen konnten mit großen Teleskopen das Spektrum eines schwachen Sterns oder einer lichtschwachen Galaxie auf Fotoplatten aufzeichnen und ihre Teleskope so ausrichten, dass sie viele Stunden lang auf dasselbe Objekt gerichtet blieben und mehr Licht sammelten. Die resultierenden Galaxienspektren enthielten eine Fülle von Informationen über die Zusammensetzung der Galaxie und die Geschwindigkeiten dieser großen Sternensysteme.

Rotverschiebung

Laborexperimente hier auf der Erde haben ergeben, dass jedes Element des Periodensystems Photonen nur bei bestimmten Wellenlängen (bestimmt durch den Anregungszustand der Atome) emittiert.

Rotverschiebung und Hubbles Gesetz
Bei sehr weit entfernten Objekten (über 1 Milliarde Lichtjahre hinaus) funktioniert keine der oben genannten Methoden. Wissenschaftler müssen von der direkten Beobachtung zur Verwendung von Beobachtungen in Verbindung mit einer Theorie übergehen.

Rotverschiebung
Was ist Rotverschiebung?
Astronomen können etwas über die Bewegung kosmischer Objekte erfahren, indem sie sich ansehen, wie sich ihre Farbe im Laufe der Zeit ändert oder wie sie sich von dem unterscheidet, was wir erwartet haben.

kann verwendet werden, um die Entfernung eines Objekts von der Erde abzuschätzen.

ist die Verschiebung des Spektrums eines astronomischen Objekts zu längeren (roten) Wellenlängen.

und vergleiche es mit deinem Wert.

Im Jahr 1842 wies Christian Doppler darauf hin, dass eine beobachtete Wellenlänge durch die Bewegung zwischen der emittierenden Quelle und dem Beobachter beeinflusst wird.

Schätzungen sind nur beim CDS über anonymes FTP an cdsarc.u-strasbg.fr (130.79.128.5) oder via . verfügbar
Aktuelle Nutzungskennzahlen Über Artikelkennzahlen Zurück zum Artikel .

1976 behauptete W. Tifft, dass Galaxien im Coma-Haufen Geschwindigkeiten hatten, die ganzzahlige Vielfache von 72 km s-1 waren. Bei der Untersuchung der HI-Emission von Galaxien wurde das Quant später auf 36 km s-1 revidiert. Diese Behauptungen wurden mit Skepsis aufgenommen.

Das Konzept der photometrischen

s. Die nachfolgende Liste der Veröffentlichungen ist jedoch nicht erschöpfend, sie deckt jedoch die Entwicklung der Technik bis etwa 1996 ab. - S.D.J. Gwyn
1. Direkte Verschiebungsmessung .

s überall im Universum.

zeigt, wie sich ein Objekt im Weltraum (Stern/Planet/Galaxie) im Vergleich zu uns bewegt. Damit können Astronomen eine Entfernung für die am weitesten entfernten (und damit ältesten) Objekte in unserem Universum messen.
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Die kosmologische Rotverschiebung

Seit ihrer Entdeckung vor fast 65 Jahren hat sich die kosmologische Rotverschiebung als einer der überzeugendsten ‘Beweise’ erwiesen, dass sich unser Universum ausdehnt. Die Schritte, die zu seiner Entdeckung führten, sind bekannt. Kurz nachdem Christian Doppler 1842 entdeckt hatte, dass Bewegung Frequenzverschiebungen erzeugt, begannen Astronomen ein aggressives spektroskopisches Programm, um die Geschwindigkeiten von Sternen und Planeten anhand ihrer Dopplerverschiebungen zu messen. Dies setzte sich in den ersten Jahrzehnten des 20. wie Dopplerverschiebungen. Solange Geschwindigkeiten von nur wenigen hundert Kilometern pro Sekunde gemessen wurden, stellte niemand in Frage, dass die Frequenzverschiebungen für die Spiralnebel ebenso wie für Sterne und Planeten auf Relativbewegungen hindeuten.
Aber in den 1920er und 30er Jahren wurden Spiralnebel mit Dopplerverschiebungen von über 34.000 Kilometern pro Sekunde entdeckt. In einem Brief von Hubble an den niederländischen Kosmologen Willem De Sitter aus dem Jahr 1931 äußerte er seine Bedenken hinsichtlich dieser Geschwindigkeiten mit den Worten: „Wir verwenden den Begriff „scheinbare Geschwindigkeiten“, um die empirische Eigenschaft der Korrelation hervorzuheben. Die Interpretation sollte unserer Meinung nach Ihnen und den wenigen anderen überlassen werden, die befugt sind, die Angelegenheit mit Autorität zu diskutieren.” Trotz dieser warnenden Anmerkung war die Tatsache, dass die für die fernen Galaxien gemessenen Rotverschiebungen AUSSEHEN, wie Dopplerverschiebungen. Die Begriffe ‘Rezessionsgeschwindigkeit’ und ‘Expansionsgeschwindigkeit’ wurden schnell von Astronomen am Teleskop und von Popularisierern verwendet, um die physikalische Grundlage für die Rotverschiebung zu beschreiben.

Als Astronomen das Universum in größere Tiefen erforschten, schienen Galaxien und Quasare mit immer schnellerer Geschwindigkeit davonzueilen. Es scheint eine ganz natürliche Folge des Ausbrechens der Materie aus dem Urknall zu sein. Wie ein funkelndes Feuerwerk an einem warmen Sommerabend stellen wir uns vor, wie wir auf einer dieser galaktischen „Aschenbrocken“ stehen und beobachten, wie die anderen an uns vorbei in die dunkle Leere des unendlichen Weltraums rauschen. Bei näherer Betrachtung ist dieses intuitiv zwingende und verführerische Vorstellungsbild jedoch sowohl unzureichend als auch irreführend.

Die Geheimnisse der Relativität Relativ

Die Urknall-Kosmologie basiert auf Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie.Es ist eine Theorie, die sowohl Newtons Mechanik als auch Einsteins spezielle Relativitätstheorie transzendiert und uns in Konzepte einführt, die in den älteren Theorien nicht existieren. Diese Begriffe sind auch mit unserem gesunden Menschenverstand, der durch die organische Evolution dahingehend geschärft wurde, die Welt nur durch eine schmale Brille zu sehen, nicht leicht verständlich.

Die Spezielle Relativitätstheorie basiert beispielsweise auf dem schwer zu fassenden Postulat, dass die Lichtgeschwindigkeit absolut konstant ist, wenn sie in Referenzsystemen gemessen wird, die sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen. Daraus entsteht das Konzept der ‘spacetime’, das dann zur Arena für alle Phänomene wird, die Zeitdilatation, Längenkontraktion und das Zwillingsparadoxon beinhalten. Jenseits der speziellen Relativitätstheorie liegt die unvergleichlich fremdere Landschaft der Allgemeinen Relativitätstheorie. Gravitationsfelder werden nun zu geometrischen Krümmungen der Raumzeit. Dies hat kein Analogon in der speziellen Relativitätstheorie, da es auf einer perfekt flachen Raumzeit basiert, die von jedem Einfluss von Materie oder Energie darauf fern bleibt.

So wie die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit zum Zwillingsparadoxon führte, führt die Krümmung der Raumzeit zu einer eigenen Menageri eigenartiger Phänomene. Eine davon ist die Verlangsamung von Uhren in Gegenwart eines starken Gravitationsfeldes. Damit verbunden ist die „Gravitations-Rotverschiebung", die auftritt, wenn die Frequenz des von der Oberfläche eines Körpers gesendeten Lichts während der Reise zum Beobachter zu niedrigeren Frequenzen verschoben wird. Diese Rotverschiebung hat nichts mit der berühmten Dopplerverschiebung zu tun, da sich der Beobachter relativ zum Körper, der das Lichtsignal aussendet, nicht bewegt!

Ein zweites von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagtes Phänomen, das auch in der Speziellen Relativitätstheorie kein Analogon hat, ist die kosmologische Rotverschiebung. Einfach gesagt, die kosmologische Rotverschiebung tritt auf, weil die Krümmung der Raumzeit in der Vergangenheit kleiner war, als das Universum jünger war als heute. Lichtwellen werden auf dem Weg zwischen ihrer Aussendung vor langer Zeit und der Zeit, in der sie heute von uns entdeckt werden, gestreckt.

Die Dopplerverschiebung und Kosmologie

Es ist verlockend, kosmologische Rotverschiebungen als Dopplerverschiebungen zu bezeichnen. Diese Wahl der Interpretation hat in den Jahren seit Hubbles Arbeit zu einem unglücklichen Missverständnis der Urknall-Kosmologie geführt und eine ihrer mysteriösesten Schönheiten verschleiert. Wie Kosmologen wie Steven Weinberg und Jaylant Narlikar und John Wheeler mit einem Hauch von Frustration bemerkten, “Die Frequenz des Lichts wird auch durch das Gravitationsfeld des Universums beeinflusst, und es ist weder nützlich noch streng richtig, die Frequenzverschiebungen zu interpretieren des Lichts…in Bezug auf den speziellen relativistischen Dopplereffekt.”.

Indem wir kosmologische Rotverschiebungen als Dopplerverschiebungen bezeichnen, bestehen wir darauf, dass unsere Newtonsche Intuition über Bewegung immer noch ohne wesentliche Änderung auf die kosmologische Arena zutrifft. Ein Ergebnis dieser Überlegung ist, dass Quasare, die jetzt bei Rotverschiebungen von Z = 4,0 entdeckt werden, als Geschwindigkeiten von mehr als V = Z x c oder der 4-fachen Lichtgeschwindigkeit interpretiert werden müssten. Das ist natürlich ziemlich absurd, denn wir alle wissen, dass sich kein physikalisches Objekt schneller als Lichtgeschwindigkeit bewegen kann.

Um solche scheinbar unsinnigen Geschwindigkeiten zu vermeiden, verwenden viele Popularisierer die spezielle relativistische Doppler-Formel, um zu zeigen, dass sich Quasare wirklich nicht schneller als das Licht bewegen. Das Argument ist, dass für große Geschwindigkeiten die spezielle Relativitätstheorie die Newtonsche Physik als den richtigen Rahmen für die Interpretation der Welt ersetzt. Durch die Verwendung einer speziellen relativistischen Geschwindigkeitsadditionsformel hat der gerade diskutierte Quasar eine Geschwindigkeit von 92 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Obwohl wir jetzt das Gefühl haben, dass die Vernunft zu unserer Beschreibung des Universums zurückgekehrt ist, haben wir tatsächlich nur eine unvollständige Erklärung durch eine andere ersetzt. Die Berechnung der Geschwindigkeit des Quasars setzt nun voraus, dass die spezielle Relativitätstheorie (eine Theorie der flachen Raumzeit) sogar auf kosmologischen Skalen anwendbar ist, wo die allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt, dass die Krümmung der Raumzeit wichtig wird. Dies entspricht einem Landvermesser, der eine Karte des Staates Kalifornien erstellt und die Erdkrümmung nicht berücksichtigt!

Die Übernahme der speziell relativistischen Doppler-Formel durch viele Pädagogen hat zu einer eigentümlichen "hybriden" Kosmologie geführt, die versucht, die Urknall-Kosmologie mit der allgemeinen Relativitätstheorie zu beschreiben, die jedoch immer noch fest in der Rubrik der speziellen Relativitätstheorie verankert ist. Zum Beispiel wird unter dem Eintrag ‘redshift’ in der Cambridge Encyclopedia of Astronomy ausdrücklich anerkannt, dass die Rotverschiebung keine Dopplerverschiebung ist, aber weniger als zwei Absätze später wird die spezielle relativistische Dopplerformel eingeführt, um zu zeigen, wie sich Quasare bewegen langsamer als die Lichtgeschwindigkeit! Es ist auch üblich, dass die Popularisierer der Kosmologie beschreiben, wie sich der ‘Raum selbst ausdehnt’, die Expansion des Universums jedoch weiterhin als Bewegung zu beschreiben, die durch die Beschränkungen der speziellen Relativitätstheorie bestimmt wird. Was ist hier los?

Allgemeine Relativitätstheorie zur Rettung

Durch die Annahme der allgemeinen Relativitätstheorie als geeigneter Leitfaden werden solche Widersprüche beseitigt. Die Allgemeine Relativitätstheorie führt uns zu mehreren aussagekräftigen Schlussfolgerungen über unseren Kosmos: 1) Die spezielle Relativitätstheorie ist für die Beschreibung des größeren Universums nicht anwendbar 2) die Konzepte von Entfernung und Bewegung sind nicht absolut definiert und 3) die bereits existierende Raumzeit ist undefiniert. Jede dieser Schlussfolgerungen ist so kontraintuitiv wie das Zwillingsparadox oder wie der Teilchen-Wellen-Dualismus der Quantenmechanik. Wie der Nobelphysiker John Wheeler einmal formulierte: „Wenn Sie die Quantenmechanik nicht völlig verwirrt, verstehen Sie sie nicht“ Dasselbe gilt für die allgemeine Relativitätstheorie.

Die erste Schlussfolgerung bedeutet, dass wir nicht einmal den hart gewonnenen Erkenntnissen aus der speziellen Relativitätstheorie vertrauen können, um das ‘große Bild’ des Universums genau darzustellen. Die Allgemeine Relativitätstheorie muss die spezielle Relativitätstheorie in der Kosmologie ersetzen, weil sie Beobachtern, die sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, eine besondere Rolle abspricht und die spezielle Relativitätstheorie auf den Bereich der beschleunigten Beobachter ausdehnt. Es bestreitet auch eine besondere Bedeutung der flachen Raumzeit der speziellen Relativitätstheorie, indem es sie auf einen mikroskopischen Bereich innerhalb einer größeren geometrischen Möglichkeit beschränkt. So wie die Newtonsche Physik der speziellen Relativitätstheorie zur Beschreibung von Hochgeschwindigkeitsbewegungen Platz machte, so weicht auch die spezielle Relativitätstheorie der allgemeinen Relativitätstheorie. Dies bedeutet, dass die spezielle relativistische Doppler-Formel nicht verwendet werden sollte, um die Geschwindigkeit entfernter Quasare zu quantifizieren. Wir haben in dieser Angelegenheit keine Wahl, wenn wir die logische Integrität beider Theorien wahren wollen.

Distanz und Bewegung

Die zweite Schlussfolgerung ist besonders ärgerlich, denn wenn wir nicht definieren können, was wir unter Distanz verstehen, wie können wir dann die ‘Bewegung’ von entfernten Quasaren oder ein Hubble-Gesetz, das als Distanz-Geschwindigkeits-Relation interpretiert wird, sinnvoll diskutieren? In einem kleinen Bereich der Raumzeit können wir Bewegung sicherlich wie immer definieren, da der Raum eine statische, flache Geometrie hat. Wenn sich ein Körper in einem Zeitintervall T von Punkt x zu Punkt y bewegt, sagen wir, dass er sich mit einer Geschwindigkeit von S = (x – y)/T bewegt. Es gibt auch spezifische experimentelle Möglichkeiten, x, y und T zu messen, um den Quotienten S mit Hilfe von Uhren und Linealen zu bilden. Das Entscheidende an diesen Messungen ist, dass sich während des Experiments nichts an der Geometrie des Raumes ändert, was die Ergebnisse des Messvorgangs verändert.

In der kosmologischen Umgebung, von der wir glauben, dass sie durch die Allgemeine Relativitätstheorie genau beschrieben wird, haben wir keinen dieser Luxusgüter! Astronomen können nicht Millionen von Jahren warten, um die Eigenbewegungen von Quasaren zu messen. Sie können nicht, wie die Beamten der Highway Patrol, Radarstrahlen von entfernten Galaxien abprallen lassen, um ihre relativen Entfernungen oder Geschwindigkeiten zu bestimmen. Im Gegensatz zu allen anderen bisher beobachteten Bewegungsformen kann die kosmologische ‘Bewegung’ nicht direkt beobachtet werden. Es lässt sich nur aus Beobachtungen der kosmologischen Rotverschiebung SCHLIESSEN, welche allgemeine Relativitätstheorie uns dann sagt, dass sich das Universum ausdehnt.

In der Urknall-Kosmologie befinden sich Galaxien an festen Positionen im Weltraum. Sie können in Übereinstimmung mit der speziellen Relativitätstheorie und den lokalen Gravitationsfeldern kleine Tänze über diese Positionen aufführen, aber die wahre ‘Bewegung’ liegt in der buchstäblichen Ausdehnung des Raums zwischen ihnen! Dies ist keine Bewegungsform, die je ein Mensch erlebt hat. Es ist daher nicht verwunderlich, dass unsere Intuition bei ihren Implikationen schwankt und andere, weniger radikale Interpretationen dafür sucht, einschließlich der speziellen Relativitätstheorie. Aber selbst die exotische Sprache und die Rätsel der speziellen Relativitätstheorie können uns nicht helfen. Stattdessen sind wir gezwungen, die Mathematik der Allgemeinen Relativitätstheorie selbst nach den Orientierungspunkten zu befragen, die sie liefern kann. Dabei stehen wir jedoch vor einem Rätsel, das so tiefgreifend ist wie das des Zwillingsparadoxons und ebenso schwer zu erklären ist.

Zwei Galaxien, die sich ständig an den Positionen (x1, y1, z1) und (x2, y2, z2) befinden, befinden sich gleichzeitig eine Milliarde Lichtjahre voneinander entfernt. Dann, ein paar Milliarden Jahre später, befinden sie sich an denselben Koordinaten und befinden sich 3 Milliarden Lichtjahre voneinander entfernt. Die Galaxien haben sich nicht ‘bewegt’, dennoch haben ihre Abstände zugenommen. Als das Universum erst ein Jahr alt war, nahmen die Abstände zwischen diesen Galaxien sogar mit 300-facher Lichtgeschwindigkeit zu! Der Weltraum kann sich in der Allgemeinen Relativitätstheorie schneller als die Lichtgeschwindigkeit ausdehnen, da der Raum weder Materie noch Energie darstellt. Die Verschiebungen, die sich aus seiner Dilatation ergeben, erzeugen eine ganz neue Art von Bewegung, für die selbst unsere speziell relativistisch geschulten Intuitionen zutiefst stumm bleiben. Wie dieser Herr aus Main einmal sagte: “Sie können von hier aus nicht [zur allgemeinen Relativitätstheorie] gelangen [besondere Relativitätstheorie]”. Soweit die Allgemeine Relativitätstheorie getestet und für richtig befunden wurde, haben wir keine andere Wahl, als ihre Konsequenzen für bare Münze zu nehmen.

Raum, Zeit und Materie

Die letzte Schlussfolgerung aus der allgemeinen relativistischen Kosmologie ist, dass es im Gegensatz zur speziellen Relativitätstheorie physikalisch nicht sinnvoll ist, von einer Raumzeit unabhängig von Materie und Energie zu sprechen. In der Urknall-Kosmologie entstanden sowohl Raum als auch Zeit zusammen mit Materie und Energie bei ‘Zeit Null’. Wenn unser Universum mehr als eine kritische Dichte von Materie und Energie enthält, ist seine Raumzeit für immer endlich und begrenzt, in einer Form analog zu einer Kugel. Jenseits dieser Grenze existieren Raum und Zeit einfach nicht. Tatsächlich erlaubt die Allgemeine Relativitätstheorie, die Energieerhaltung außer Kraft zu setzen, so dass Materie und Energie buchstäblich aus dem Nichts der gekrümmten Raumzeit erzeugt werden können. Die Allgemeine Relativitätstheorie bietet ein Mittel zum "Sprungstart" der Schöpfung!

Die Urknall-Kosmologie ist sowohl ein zutiefst schönes als auch verstörendes Modell für unser Universum, seine Form und sein Schicksal. Es enthält viele Überraschungen, die noch nicht vollständig ausgearbeitet werden müssen. Aber ein Merkmal des sich entwickelnden Universums scheint absolut klar zu sein, der Urknall war kein großes Feuerwerk, sondern ein Ereignis ganz anderer Art. Es ähnelte eher einem expandierenden Seifenblasenfilm, auf dem galaktische Staubpartikel für die Fahrt mitgenommen werden. Dieser Film repräsentiert die Gesamtheit des gesamten Raums und der gesamten Materie in unserem Universum und dehnt sich in eine mysteriöse ursprüngliche Leere aus, die selbst frei von Raum, Dimension, Zeit oder Materie ist.

Für die Zukunft ist zu hoffen, dass für das letzte Überbleibsel des älteren Denkens endlich die Totenglocke geläutet hat. Nachdem die Doppler-Interpretation der kosmologischen Rotverschiebung endlich überdacht und verworfen wurde, werden wir endlich in der Lage sein, die wesentliche Schönheit und das Geheimnis der kosmischen Expansion so zu erfassen, wie sie ursprünglich von ihren Entdeckern vorgestellt wurde.

Frage zum expandierenden Universum

So wie ich es verstehe, bedeutet die Expansion des Universums, dass alles von allem wegrast. Wir sehen jedoch viele Beispiele für kollidierende Galaxien. Was ist die Erklärung dafür?

Wenn dies schon einmal besprochen wurde, können Sie einfach einen Link posten.

#2 GregLee1

Nicht alles rennt von allem weg – vielmehr nehmen die Distanzen zwischen den Dingen zu. Zwei Dinge können sich immer noch annähern und kollidieren, nur müssen sie dafür mit zunehmendem Abstand immer mehr Boden zurücklegen.

#3 Herr T

Meine Frage ist: Dehnen sich alle Räume aus?

Ist der Raum zwischen mir und dem Boden oder Erde und dem Mond

Wenn sich der gesamte Raum ausdehnt und gravitativ gebundene Massen immer noch von dieser Expansion betroffen sind, fügt dies dann nicht den Bewegungsgleichungen / Gravitation einen (unendlich kleinen) Term hinzu?

oder dehnt sich der Weltraum nur in Bereichen aus, in denen die Schwerkraft extrem schwach ist?

#4 llanitedave

Diese Frage kann nur beantwortet werden, wenn es möglich wird, "Raum" quantitativ zu messen. Ich glaube nicht, dass es machbar ist, aber wenn es geht, würde ich es gerne sehen.

Andernfalls können Sie eine andere Frage stellen: Erweitert der Raum oder werden mehr "Raumquanten" geschaffen? Ich glaube nicht, dass es sich um dieselbe Frage handelt.

#5 maugi88

Das Verständnis, dass sich das Universum ausdehnt, wurde aus Studien über die gravitative Verlangsamung der Expansion des Universums abgeleitet. Ich bin mir nicht sicher und jemand bitte erklären, aber es waren Rotverschiebungsdaten, die zeigten, dass sich das Universum insgesamt beschleunigt und nicht verlangsamt. Ist das richtig?

Dies bedeutet, wie bereits erwähnt, nicht, dass sich Galaxiengruppen und -haufen von ihren einzelnen Mitgliedern entfernen, sondern von anderen Gruppen. Andromeda wird in mehreren Millionen Jahren kollidieren und unsere Galaxie verzehren. (Ich würde gerne sehen, wie das den Himmel füllt)

Meine Frage ist folgende, ähnlich wie bei Tony: Daten, die ein Universum beschreiben, das sich von uns weg ausdehnt, könnten auch bedeuten, dass es sich zu jemand anderem zusammenzieht. Könnte sich das Universum, wie gefragt wurde, hier ausdehnen, aber dort drüben zusammenziehen?

Bearbeitet von maugi88, 18. September 2014 - 16:24 Uhr.

#6 GregLee1

Meine Frage ist: Dehnen sich alle Räume aus?

Mein Verständnis (abgeleitet von Popularisierungen) ist: Ja, der gesamte Raum dehnt sich aus. Es kann Gegenkräfte wie die Schwerkraft geben, die dazu führen, dass sich Objekte trotzdem annähern.

#7 Geltungsbereich

nichts als Murmeln, die sich auf einer rotierenden flachen Scheibe bewegen.

#8 GregLee1

Das Rennen der Roten Königin durch den Spiegel wird manchmal verwendet, um einen solchen Wettbewerb wie den zwischen der Schwerkraft, die dazu neigt, den Abstand zwischen Objekten zu minimieren, und der Ausdehnung des Raums zu veranschaulichen:

"Nun, in unserem Land", sagte Alice, die immer noch ein wenig keuchte, "könnten Sie normalerweise woanders hinkommen - wenn Sie lange Zeit sehr schnell laufen, wie wir es getan haben."

"Eine langsame Art von Land!" sagte die Königin. "Nun, hier, sehen Sie, es erfordert alles, was Sie können, um an derselben Stelle zu bleiben. Wenn Sie woanders hinkommen wollen, müssen Sie mindestens doppelt so schnell laufen!"

Bearbeitet von GregLee1, 18. September 2014 - 17:02 Uhr.

#9 MitchisMitch

Der gesamte Raum dehnt sich also aus, sogar der Raum zwischen Elektronen und Protonen? Würde das bedeuten, dass physische Objekte größer werden? Oder dass sie wie im obigen Beispiel "laufen" müssen, um den gleichen Abstand zu halten?

#10 GregLee1

Ich weiß es nicht, aber ich bezweifle es. Das altmodische Modell des Atoms als so etwas wie ein winziges Sonnensystem scheint zu implizieren, dass sich Räume innerhalb des Atoms ausdehnen würden, aber ich weiß nicht, dass die Quantentheorie eine Vorstellung vom intraatomaren Raum hat, oder wenn ja, was es ist.

#11 maugi88

Raum zwischen Protonen und Elektronen dehnt sich aus? Hä?

#12 stephen63

Wenn Sie sich der Big-Rip-Theorie anschließen, wird die dunkle Energie schließlich die fundamentalen Kräfte überwinden, die die Atome zusammenhalten. Liege ich richtig mit der Aussage, dass die Struktur der Atome bis zu diesem Punkt gleich bleibt?

Bearbeitet von stephen63, 19. September 2014 - 08:12 Uhr.

#13 GJJim

Elementare "Teilchen" sind Quantenfelder mit einer gewissen Energiedichte. Es gibt ein großes ungelöstes Problem (ein Faktor von

10 120 ) in der Physik, wo die berechnete Energiedichte des Vakuums nicht mit der Energiedichte übereinstimmt, die wir aus anderen groß angelegten Messungen ableiten. Solange wir keine rationale Erklärung für diese Diskrepanz gefunden haben, macht es keinen Sinn, über den Effekt der Ausdehnung des „Raums“ in der Quantenwelt zu spekulieren.

#14 WestTx

Nicht *alles* expandiert. Die Bindungskräfte sind stärker als der Kraftausdehnungsraum. Schwerkraft, elektromagnetische Kraft, die schwache Atomkraft und die starke Atomkraft sind jeweils stärker als der kraftausdehnende Raum (dunkle Energie?). Daher sind wir, Atome, Gesteine usw. durch diese stärkeren Kräfte gebunden. Zumindest verstehe ich das so.

#15 Dave Mitsky

Ich glaube, Les hat die Situation richtig erklärt. Siehe http://math.ucr.edu/. g_universe.html und http://www.astro.ucl. ogy_faq.html#SS für zusätzliche Informationen.

#16 GregLee1

Die Bindungskräfte sind stärker als der Kraftausdehnungsraum.

Und das bedeutet, dass sich der Weltraum nicht in dieser Größenordnung ausdehnt? Diese Argumentation hat etwas Seltsames. Hier ist eine Analogie:

Wenn ich zunehme, dehnt sich meine Taille aus, was dazu führt, dass meine Hose zerreißt und dann herunterfällt. Aber ich habe einen sehr starken Gürtel, den ich verwende, um zu verhindern, dass die Hose reißt, und sie bleibt oben. Hat die Stärke meines Gürtels mich also daran gehindert, dick zu werden?

Ein Symptom der Raumausdehnung ist die zunehmende Entfernung zwischen Objekten, aber nur weil in einem speziellen Fall ein äußerer Faktor die Entfernung von Objekten verhindert, folgt daraus nicht, dass sich der Raum nicht ausdehnt.

#17 maugi88

Die Ausdehnung des Universums entspricht nicht der molekularen Ebene. Es würde bedeuten, dass die Moleküle im Stahl schließlich weit genug voneinander entfernt wären, um transparent zu sein.

#18 WestTx

Die Bindungskräfte sind stärker als der Kraftausdehnungsraum.

Und das bedeutet, dass sich der Weltraum nicht in dieser Größenordnung ausdehnt? Diese Argumentation hat etwas Seltsames. Hier ist eine Analogie:

Ich bin mir nicht sicher, ob ich deine Frage verstehe, aber. in Ihrer Analogie scheinen Sie Volumen mit Masse zu verwechseln. Ihr Gürtel wird Ihre Expansion stoppen, weil er stärker ist als der pralle Körper, aber er wird Sie nicht davon abhalten, Masse zu gewinnen.

Ja, der Weltraum dehnt sich aus, aber nicht alles im Weltraum dehnt sich aus.

#19 GregLee1

Im Kontext aktueller Theorien ist es daher nicht zu beantworten, ob "Raum" (bedeutet Raumzeit)

expandiert auf atomarer Ebene, weil aktuelle Theorien nicht ausreichen, um diese Frage zu beantworten.

Die "konventionelle Weisheit" ist, dass dies nicht der Fall ist, die Anwesenheit von Materie reicht aus, um es lokal zu stoppen.

Wie kann das Vorhandensein von Materie dazu führen, dass sich der Weltraum nicht mehr ausdehnt? Die Anwesenheit von Materie kann verhindern, dass sich Objekte voneinander entfernen, aber das ist nicht dasselbe, als würde man den Raum daran hindern, sich auszudehnen, oder? Ich verstehe die "konventionelle Weisheit" nicht.

#20 llanitedave

Die Bindungskräfte sind stärker als der Kraftausdehnungsraum.

Und das bedeutet, dass sich der Weltraum nicht in dieser Größenordnung ausdehnt? Diese Argumentation hat etwas Seltsames. Hier ist eine Analogie:

Auf die Gefahr hin, technisch zu überfrachten, im Kontext bestehender Theorien auf atomarer Ebene - Quantenmechanik

(QM) und das Standardmodell der Teilchenphysik - diese Theorien nennt man hintergrundabhängig. Es

wird einfach *angenommen*, dass der Raumzeithintergrund, in dem Teilchenwechselwirkungen stattfinden, flach und statisch ist,

d.h. nicht expandierend. Theorien, die versuchen, Gravitation auf Quantenebene einzubeziehen, Stringtheorie und

Schleifenquantengravitation (LQG) sind ebenfalls hintergrundabhängig. Sie enthalten die Schwerkraft als Boson

vermittelte (Gravion)-Langstrecken-Wechselwirkung auf einem flachen, statischen Raumzeit-Hintergrund.

Die Quantenmechanik beinhaltet die spezielle Relativitätstheorie (SR), denn der Hintergrund in SR ist die Minkowski

metrisch, die flach und statisch ist.

Die Allgemeine Relativitätstheorie (GR) hingegen ist Hintergrund unabhängig, es IST wirklich eine Theorie des Hintergrunds -

Raumzeit - und beschreibt, wie sich die Raumzeit in Gegenwart von Materie krümmt. Es führt auch zu der Schlussfolgerung

dass eine statische Raumzeit instabil ist, wird sie sich am Ende zusammenziehen oder ausdehnen. Beobachtungen von Galaxien

haben schlüssig gezeigt, dass sich die Raumzeit auf kosmologischen Skalen ausdehnt.

Das Problem ist, wenn Sie versuchen, GR und QM zu kombinieren, erhalten Sie mathematischen Unsinn und alles,

ins Unendliche divergiert, und die im QM verwendeten Renormierungstechniken funktionieren nicht mehr.

Im Kontext aktueller Theorien ist es also nicht zu beantworten, ob "Raum" (bedeutet Raumzeit)

expandiert auf atomarer Ebene, weil aktuelle Theorien nicht ausreichen, um diese Frage zu beantworten.

Die "konventionelle Weisheit" ist, dass dies nicht der Fall ist, die Anwesenheit von Materie reicht aus, um sie lokal zu stoppen.

und die Gesamtausdehnung der Raumzeit findet hauptsächlich in der Leere zwischen Galaxienhaufen statt, was

sind insofern frei von Materie, als sie vom theoretischen "Freiraum" praktisch nicht zu unterscheiden sind.

Das ist die beste Antwort auf die Frage, die ich je gelesen habe. Vielen Dank.

#21 Mxplx2

#22 GregLee1

Im Lehrbuch Prinzipien der physikalischen Kosmologie von P. J. E. Peebles, gilt als die endgültige Absolventenstufe

Lehrbuch zu diesem Thema, heißt es (Hervorhebung hinzugefügt):

Die Expansion des Universums bedeutet, dass der richtige physikalische Abstand zwischen zwei gut getrennten

Galaxien nimmt mit der Zeit zu, dh die Galaxien entfernen sich voneinander. Ein gravitativ gebundenes System

expandiert nicht, und wir werden sehen, dass die gravitative Instabilität dazu neigt, Galaxien in immer mehr

massive Systeme, die brechen Sie sich von der allgemeinen Expansion ab um eine Hierarchie von Clustern zu bilden. Das

Das homogene Expansionsgesetz bezieht sich auf Galaxien, die weit genug voneinander entfernt sind, um die lokalen Unregelmäßigkeiten zu ignorieren.

In den oben genannten FAQ heißt es: "Für technisch Interessierte berechnen Cooperstock et al., dass der Einfluss der kosmologischen Expansion auf die Erdumlaufbahn um die Sonne einem Wachstum von nur einem Teil einer Septillion über das Alter des Sonnensystems entspricht. " (http://www.astro.ucl. ogy_faq.html#SS) Dies scheint im Widerspruch zu der von Ihnen zitierten Aussage zu stehen: "Ein gravitativ gebundenes System dehnt sich nicht aus."

#23 GregLee1

Wenn Freizeit ("Raum" ist eigentlich ein archaischer Begriff aus der Newtonschen Mechanik) kann sich unabhängig von Materie ausdehnen, da

Sie scheinen zu sagen, warum sehen wir dann überhaupt eine Rotverschiebungs-/Entfernungsbeziehung zu Galaxien?

Ich stelle mir die Ausdehnung als eine Kraft vor, die auf Objekte ausgeübt wird, die sie auseinanderdrücken. Der Kraft können andere Kräfte entgegenwirken, wie die Schwerkraft, die Objekte zusammenzieht. Nur weil Objekte in eine Richtung zueinander gezogen werden, heißt das nicht, dass sie nicht auch auseinander geschoben werden. Ob sich Objekte tatsächlich nähern oder auseinanderfliegen, sollte von der relativen Größe der gegenläufigen Kräfte abhängen. Ich verstehe nicht, warum es irgendwelche Auswirkungen auf die Beobachtbarkeit der Rotverschiebung gibt, die weder durch anziehende noch durch abstoßende Kräfte per se bestimmt würde, sondern eher durch die resultierende Geschwindigkeit.

Fazit

Das Universum, in dem wir leben, ist voller Geheimnisse. Die am meisten akzeptierte Theorie seines Ursprungs und seines Endes, die Urknalltheorie, sagt aus, wie sich das Universum von einem punktförmigen Kosmos zu einem Kosmos in unvorstellbarer Weite ausdehnte.

Es dehnt sich immer noch aus, aber genau wie eine parabolische Kurve (wenn auch nicht symmetrisch) wird es als punktgenaues Objekt enden.

Haben wir Ihre Erwartungen übertroffen?
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Rotverschiebung und universelle Erweiterung

Korrigiert mich, wenn ich falsch liege, aber der einzige wirkliche Beweis dafür, dass sich das Universum ausdehnt (und seine Expansion beschleunigt) ist die Beobachtung der sogenannten "Standardkerzen" Supernovae, die immer die gleiche Leuchtkraft haben, und die Beobachtung, dass je weiter sie sind, desto mehr Rotverschoben ist ihr Licht, und da Rotverschiebung anzeigt, dass sich ein Objekt von uns entfernt, gehen wir davon aus, dass sich das gesamte Universum ausdehnt.

Ist es nicht ebenso plausibel, dass es einen elektromagnetischen Einfluss auf einige Eigenschaften des Lichts gibt, der das Licht auf langen Zeitskalen stärker rotverschoben lässt?

Mit anderen Worten, wir gehen davon aus, dass sich das Universum ausdehnt, denn je weiter ein Objekt ist, desto roter ist es, und mit einem solchen theoretischen Konstrukt nehmen wir an, dass Licht unverändert ist, dass die Eigenschaften des Lichts eine Konstante sind Ich beziehe mich hier nicht auf die Lichtgeschwindigkeit), was ich in Frage stelle, ist, dass, wenn Licht Milliarden von Jahren durch den Weltraum wandert, erwartet werden sollte, dass es in seiner Wellenlänge eine gewisse Interferenz erleidet.

Und wenn diese Vorstellung durch das derzeitige Verständnis aufrechterhalten werden kann, würde dies nicht das gesamte kosmologische Lambda-CDM-Modell und damit die Urknalltheorie selbst etwas entkräften?

Gibt es neben der Rotverschiebung noch andere Beweise für das expandierende Universum? - Astronomie

Die Lokale Gruppe von Galaxien (Milchstraße, Andromeda usw.) bewegt sich in Richtung des Lokalen Superhaufens. Entkommen unsere Nachbargalaxien gleichzeitig der Milchstraße? Dehnt sich die Lokale Gruppe als Ganzes gleichzeitig aus, während sich das weitere Universum ausdehnt?

Unsere nächsten galaktischen Nachbarn, nämlich die Lokale Gruppe, bestehen hauptsächlich aus unserer Galaxie, der Andromeda-Galaxie, der Großen und Kleinen Magellanschen Wolke sowie etwa 30 kleinen Galaxien innerhalb

1-2 Mpc von uns. Die beiden größten Galaxien, die Milchstraße und die Andromeda, bewegen sich mit etwa 119 km/s aufeinander zu, anstatt sich mit dem Rest des Universums auszudehnen, da die Anziehungskraft zwischen den beiden stärker ist. Tatsächlich kollabiert die gesamte Lokale Gruppe unter der Anziehungskraft und in etwa 3 Milliarden Jahren werden die Milchstraße und Andromeda kollidieren! Ahhhh!

In größerem Maßstab bewegt sich die Lokale Gruppe mit etwa 600 km/s auf den Lokalen Supercluster zu, aber sie steuert nicht wie erwartet direkt auf das Zentrum des Lokalen Superclusters zu. Tatsächlich sehen wir in vielen Strukturen des Lokaluniversums „eigenartige Bewegungen“ oder Bewegungen in andere Richtungen, als wir aufgrund der Expansion des Universums erwarten würden, von nahegelegenen Galaxien bis hin zu größeren Galaxienhaufen. Durch das Erstellen von Karten dieser eigentümlichen Bewegungen im relativ lokalen Universum (ein Beispiel für diese Arbeit können Sie hier sehen), können Astronomen eine bessere Vorstellung davon bekommen, wie die Masse innerhalb des lokalen Universums verteilt ist, da die Anziehungskraft zwischen diesen Objekten die verhindert, dass sie sich auseinander bewegen, wenn sich das Universum ausdehnt.

Dies ist eine sehr unterhaltsame Seite über die Struktur des Universums, auf der Sie verschiedene Strukturen sehen können, von den nächsten benachbarten Sternen bis zum gesamten Universum.

Diese Seite wurde zuletzt am 28. Januar 2019 aktualisiert

Über den Autor

Lisa Wei

Lisa schloss ihr Studium an der Cornell im Mai 2004 mit einem Bachelor in Astronomie ab. Hier studierte sie Froststreifen auf dem Mars und die Unterstrukturen im Virgo-Cluster. Heute studiert sie Astronomie an der University of Maryland.

Nein, das Universum kann sich nicht unterschiedlich in verschiedene Richtungen ausdehnen

Je weiter wir wegschauen, desto weiter in der Zeit zurück zu einem weniger entwickelten Universum, das wir sehen, aber wir sehen . [+] Dies auf eine Weise, die zeigt, dass das Universum in allen Richtungen in sehr hohem Maße gleich ist.

Wikipedia-Benutzer Pablo Carlos Budassi

Anfang dieses Monats kam eine neue Studie heraus, die etwas Schockierendes behauptete: Vielleicht expandierte das Universum mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in verschiedene Richtungen. Sie betrachteten mehr als 800 Galaxienhaufen, die Röntgenstrahlen aussendeten, maßen ihre Temperatur, Helligkeit und Rotverschiebung und schlossen daraus, wie weit sie entfernt waren und wie schnell sie sich von uns zu entfernen schienen.

Überraschenderweise stellten sie fest, dass eine Richtung mit einer überdurchschnittlichen Expansionsrate vereinbar war, während eine andere, nicht perfekt versetzte Richtung mit einer langsameren als durchschnittlichen Expansionsrate übereinstimmte, wobei diese beiden Richtungen vom Durchschnitt um etwa . abweichen 10 % pro Stück. Leider wird diese Interpretation bereits durch eine viel bessere Beobachtungsreihe ausgeschlossen: aus dem Cosmic Microwave Background (CMB), auch bekannt als das übrig gebliebene Glühen des Urknalls. So wissen wir, dass sich das Universum in verschiedene Richtungen nicht unterschiedlich ausdehnt.

Schaut man immer weiter weg, schaut man auch immer weiter in die Vergangenheit. Am weitesten . [+] Wir können 13,8 Milliarden Jahre zurückblicken: unsere Schätzung für das Alter des Universums. Es ist die Extrapolation in die frühesten Zeiten, die zur Idee des Urknalls führte. Obwohl alles, was wir beobachten, mit dem Big Bang-Framework übereinstimmt, kann es nie bewiesen werden.

Die Geschichte beginnt in den 1920er Jahren. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie hatte gerade die Newtonsche Gravitation als unsere Theorie über das Verhalten von Masse, Energie, Raum und Zeit in unserem Universum gestürzt. Die Allgemeine Relativitätstheorie konnte nicht nur alle Erfolge der Newtonschen Gravitation reproduzieren, sondern auch dort, wo Newton es nicht konnte: die Einzelheiten der Merkurbahn erklären. Als die Sonnenfinsternis von 1919 endgültig bewies, dass Einstein (und nicht Newton) die richtigen Vorhersagen machte, war die wissenschaftliche Revolution abgeschlossen.

Aber die Allgemeine Relativitätstheorie sagt uns nur, welche Gleichungen das Universum regeln, sie sagen uns nicht, welche Bedingungen tatsächlich für das Universum gelten. In den 1920er Jahren erarbeiteten verschiedene Wissenschaftler, wie sich das Universum verhalten würde, wenn es gleichmäßig mit Materie und Energie gefüllt wäre, und leiteten die Gleichungen für das expandierende Universum ab. Als die kritischen Daten eintrafen, stimmten sie mit diesen Vorhersagen überein, dass sich das Universum selbst ausdehnte.

Die ursprünglichen Beobachtungen der Hubble-Expansion des Universums von 1929, gefolgt von . [+] detailliertere, aber auch unsichere Beobachtungen. Hubbles Grafik zeigt deutlich die Rotverschiebungs-Distanz-Beziehung mit überlegenen Daten zu seinen Vorgängern und Konkurrenten, die modernen Äquivalente gehen viel weiter. Beachten Sie, dass auch bei großen Entfernungen immer eigentümliche Geschwindigkeiten vorhanden bleiben, aber dass der allgemeine Trend entscheidend ist.

Robert P. Kirshner (R), Edwin Hubble (L)

Aber was diese Erweiterung bedeutete, war noch offen für Interpretationen. Viele alternative Erklärungen könnten diese eine beobachtbare Tatsache erklären, dass der Urknall diejenige ist, die wir heute am besten kennen, weil er so gut in die gesamte Datensammlung passt, aber dies war keine Selbstverständlichkeit. Der Urknall unterscheidet sich von den anderen möglichen Erklärungen durch die Hypothese, dass das Universum heute groß ist und sich ausdehnt, weil es sich aus einer kleineren und dichteren Vergangenheit entwickelt hat.

Diese Idee führt zu einer Reihe bemerkenswerter Vorhersagen, darunter:

ein Universum, in dem Sterne und Galaxien zum ersten Mal zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit erscheinen und sich zu einem späteren Zeitpunkt aufgrund der Gravitation stärker verklumpen und zusammenballen,
ein Universum, das in der Vergangenheit heißer war, mit Licht kürzerer Wellenlänge, was zu einer Zeit führte, in der das Universum zuerst abkühlte, um neutrale Atome zu bilden,
und eine noch frühere, heißere Zeit, in der sich keine Atomkerne bilden konnten, was zu einer Vorhersage führte, dass sich die ersten Kerne aus der Verschmelzung von Rohprotonen und Neutronen bilden werden.

Ein Universum, in dem Elektronen und Protonen frei sind und mit Photonen kollidieren, die in ein Neutrales übergehen. [+] eine, die für Photonen transparent ist, wenn sich das Universum ausdehnt und abkühlt. Hier ist das ionisierte Plasma (L) zu sehen, bevor das CMB emittiert wird, gefolgt vom Übergang zu einem neutralen Universum (R), das für Photonen transparent ist. Das Licht, sobald es aufhört zu streuen, strömt einfach frei und verschiebt sich, während sich das Universum ausdehnt, und landet schließlich im Mikrowellenbereich des Spektrums.

In den 1960er Jahren hatte ein Team von Astrophysikern in Princeton einen Beobachtungstest für diesen zweiten Punkt entwickelt: um zu messen, wann das Universum zum ersten Mal neutrale Atome bildete. Wenn das Universum wirklich einen heißen, dichten Ursprung hätte, von dem aus es sich ausdehnte und abkühlte, dann hätten die frühen Protonen (und andere Atomkerne) versucht, sich mit den vorhandenen Elektronen zu verbinden, aber die energiereiche Strahlung des jungen Universums wäre gesprengt es auseinander.

Erst wenn sich das Universum so weit ausdehnt, dass nicht mehr genügend hochenergetische Photonen vorhanden sind, um diese Atome zu ionisieren, können sich neutrale Atome stabil bilden: ein Prozess, der Hunderttausende von Jahren dauert. Sobald sich diese neutralen Atome gebildet haben, wandern diese übrig gebliebenen Photonen einfach durch das Universum, zu langwellig, um mit diesen Atomen zu interagieren. Im Laufe der Milliarden von Jahren sollten sie sich bis in den Mikrowellenbereich des Spektrums rot verschieben: einen kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB). Mit der richtigen Ausrüstung – einem Dicke-Radiometer, das von Gruppenleiter Bob Dicke entwickelt wurde – konnten sie es endlich erkennen.

Nach den ursprünglichen Beobachtungen von Penzias und Wilson emittiert die galaktische Ebene einige . [+] astrophysikalische Strahlungsquellen (Mitte), aber oben und unten blieb nur ein nahezu perfekter, gleichmäßiger Strahlungshintergrund. Die Temperatur und das Spektrum dieser Strahlung wurden jetzt gemessen, und die Übereinstimmung mit den Vorhersagen des Urknalls ist außergewöhnlich. Wenn wir mit unseren Augen Mikrowellenlicht sehen könnten, würde der gesamte Nachthimmel wie das abgebildete grüne Oval aussehen, mit einer konstanten Temperatur von überall 2,7255 K.

Leider würden sie nie die Chance bekommen. Sie wurden kurzerhand von der zufälligen Entdeckung der CMB-Strahlung durch Arno Penzias und Bob Wilson geschöpft. Mit der Holmdel-Horn-Antenne fanden sie überall am Himmel ein energiearmes konstantes "Brummen" eines Signals, Tag und Nacht. Es gab einen Überschuss von der Sonne und der galaktischen Ebene, aber das war es auch schon, die Strahlung war überall gleich. Nach ein paar Monaten fügten alle die Teile zusammen, dies war in der Tat der übrig gebliebene Glanz des Urknalls.

Aber dies war auch erst der Anfang dessen, was sich in eine unglaubliche Fülle wissenschaftlicher Informationen verwandeln sollte. Im CMB sind alle möglichen Informationen über das Universum kodiert. Zunächst einmal sagt der Urknall voraus, dass der CMB das Spektrum eines perfekten Schwarzen Körpers besitzen würde, mit einem sehr spezifischen Energiespektrum, das Beobachtungen über viele verschiedene Wellenlängen hinweg bestätigen sollten. Als die entscheidenden Daten eintrafen, wurde diese Vorhersage eindeutig bestätigt.

Die einzigartige Vorhersage des Urknallmodells ist , dass ein Rest von Strahlung übrig bleiben würde . [+] durchdringt das gesamte Universum in alle Richtungen. Die Strahlung würde nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt liegen, überall gleich groß sein und einem perfekten Schwarzkörperspektrum gehorchen. Diese Vorhersagen haben sich spektakulär bestätigt und Alternativen wie die Steady-State-Theorie vernichtet.

NASA / Goddard Space Flight Center / COBE (Haupt) Princeton Group, 1966 (Einschub)

Zweitens erwarten wir aufgrund der Art und Weise, wie das Universum zusammenklumpt und gruppiert, dass einzelne Galaxien aufgrund des nahen Gravitationseinflusses der überdichten und unterdichten Regionen um sie herum in zufällige Richtungen gezogen werden sollten. Diese Bewegungen wurden für andere Galaxien nachgewiesen, die Skalen von einigen hundert bis zu einigen tausend Kilometern pro Sekunde entsprechen.

Aber das CMB gibt uns die Möglichkeit, unsere eigene Bewegung relativ zu diesem einen Bezugssystem zu messen: Wir sollten einen "kosmischen Dipol" sehen, bei dem eine Richtung blauer (oder heißer) und die entgegengesetzte Richtung röter (oder kühler) erscheint. Diese heiß-kalten Richtungen müssen perfekt um 180 Grad zueinander ausgerichtet sein. In den späten 1970er Jahren wurde diese Richtung erkannt, was einer kumulierten Bewegung von derzeit etwa 370 km/s entspricht, und ist seitdem mit spektakulärer Präzision verifiziert.

Das übrig gebliebene Glühen des Urknalls ist in einer (der roten) Richtung 3,36 Millikelvin heißer als . [+] Durchschnitt und 3,36 Millikelvin kühler in (das Blau) das andere als der Durchschnitt. Dies ist auf unsere Gesamtbewegung durch den Raum relativ zum Restrahmen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds zurückzuführen, der etwa 0,1% der Lichtgeschwindigkeit in eine bestimmte Richtung beträgt.

Delabrouille, J. et al. Astron.Astrophys. 553 (2013) A96

Diese Bewegung erzeugt einen enormen Temperaturunterschied im CMB: ungefähr 0,0033 K heißer in Richtung "blau" und ungefähr 0,0033 K kälter in Richtung "rot" als die Durchschnittstemperatur von 2,725 K. Es mag etwas dramatisch erscheinen, a . zu nennen 1-Teil-in-800-Temperaturunterschied enorm, aber es ist, wenn man ihn mit dem Rest der Temperaturschwankungen im CMB vergleicht: denen, die einen kosmischen Ursprung haben.

Das Universum, wie wir seit langem wissen, konnte nicht vollkommen glatt geboren werden. Es erforderte Saatfluktuationen von zwei Sorten:

die überdichten Regionen, die bevorzugt Materie anziehen und zu Sternen, Galaxien und der großräumigen Struktur des Universums heranwachsen,
und die unterdichten Regionen, die ihre Materie bevorzugt an die umliegenden, dichteren Regionen abgeben.

Erst in den 1990er Jahren haben wir diese Schwankungen zum ersten Mal gesehen, und sie betragen ungefähr einen Faktor von

100 schwächer als der kosmische Dipol.

COBE, der erste CMB-Satellit, maß nur Schwankungen bis zu einer Skala von 7º. WMAP konnte messen. [+] Auflösungen von bis zu 0,3° in fünf verschiedenen Frequenzbändern, wobei Planck in insgesamt neun verschiedenen Frequenzbändern bis hinunter zu nur 5 Bogenminuten (0,07°) misst. Alle diese weltraumgestützten Observatorien entdeckten den kosmischen Mikrowellenhintergrund und bestätigten, dass es sich nicht um ein atmosphärisches Phänomen handelte. Der Maßstab dieser Diagramme entspricht Schwankungen von genau einigen Dutzend Mikrokelvin, einer unglaublich kleinen Abweichung von der perfekten Isotropie.

NASA/COBE/DMR NASA/WMAP-Wissenschaftsteam ESA und die Planck-Kollaboration

Dies sind die Temperaturschwankungen, die jeder Art von anisotroper (d. h. unterschiedlicher in verschiedene Richtungen) Ausdehnung Grenzen setzen. Es ist durchaus möglich, dass sich das Universum nicht gleichmäßig in alle Richtungen ausdehnt, aber die Grenzen dafür, wie ungleichmäßig die Ausdehnung sein kann, werden durch die Stärke der Temperaturschwankungen, die wir in verschiedene Richtungen sehen, gesetzt.

Wenn Sie die Daten, die wir von COBE, WMAP und dem Planck-Satelliten haben, in Grenzen übersetzen wollten, wie schnell sich verschiedene Richtungen ausdehnen könnten, entspricht dies Unterschieden von etwa

0,1 km/s/Mpc von der durchschnittlichen Expansionsrate, eine Zahl, die weitaus genauer ist als unsere derzeitige Fähigkeit, die Expansionsrate tatsächlich zu messen.

Aus diesem Grund wurde das Röntgenpapier von Anfang dieses Monats, in dem Unterschiede von

Wenn die Expansion des Universums wirklich anisotrop wäre, würde sie nur Unterschiede in . [+] Bewegung, die entspricht

0,1km/s. Dieses abgeleitete Signal, das eindeutig kein Dipol ist, ist einfach zu groß, um mit einer Interpretation der anisotropen Expansion vereinbar zu sein.

Universität Bonn/K. Migkaset al. arXiv:2004.03305

Dies bedeutet jedoch nicht, dass es keine gute Arbeit war oder dass die Daten und das Ergebnis nicht potenziell interessant sind. Sicher, es ist möglich, dass die Methode grundlegend fehlerhaft ist, was viele in der Community misstrauisch sind. Es ist auch möglich, dass die Daten falsch interpretiert werden. Dies sind die systematischen Fehler und Unsicherheiten, die wissenschaftliche Analysen insbesondere in den frühen Stadien plagen.

Es ist aber auch möglich, dass es einen echten Effekt gibt und wir sehen, dass sich Galaxienhaufen in verschiedene Richtungen unterschiedlich verhalten. Es kann nicht daran liegen, dass sich das Universum in verschiedene Richtungen unterschiedlich ausdehnt, aber es könnte daran liegen, dass es großräumige kosmische Bewegungen gibt, die Galaxien in verschiedenen Richtungen unterschiedlich beeinflussen. Gerade als wir umziehen

370 km/s relativ zum CMB, diese Galaxien und Galaxienhaufen könnten ähnliche Massenströmungen erfahren, die sich tatsächlich in verschiedene Richtungen unterscheiden.

Die Strömungen naher Galaxien und Galaxienhaufen (wie durch die „Strömungslinien“ dargestellt) werden kartiert . [+] mit dem Massenfeld in der Nähe. Die größten Überdichten (in Rot) und Unterdichten (in Schwarz) entstanden durch sehr kleine Gravitationsunterschiede im frühen Universum und könnten die Ursache dafür sein, dass Röntgenhaufen in verschiedenen Richtungen unterschiedliche Eigenschaften haben.

Helene M. Courtois, Daniel Pomarede, R. Brent Tully, Yehuda Hoffman, Denis Courtois, aus „Cosmography of the Local Universe“ (2013)

Bei jedem wissenschaftlichen Unterfangen ist es wichtig, mit den Ergebnissen zu rechnen, die Ihre Beobachtungen und Experimente Ihnen liefern, selbst wenn sie Ihren Erwartungen widersprechen. Aber es ist auch wichtig, Ihre Ergebnisse verantwortungsbewusst zu interpretieren: Sie können die überwältigende Menge an Beweisen und Daten nicht ignorieren – insbesondere wenn diese Daten noch hochwertiger sind als Ihre eigenen –, um Ihre Schlussfolgerungen zu ziehen.

In diesem speziellen Fall gibt es einige vorläufige Hinweise darauf, dass Galaxienhaufen in einigen Richtungen andere Eigenschaften aufweisen als in anderen, und das ist interessant. Ob es sich um die verwendete Methode, die aufgenommenen und analysierten Daten oder die tatsächlichen Bewegungen durch das Universum handelt, wird eine Frage, die in den 2020er Jahren am besten von mehr und besserer Wissenschaft beantwortet wird. Aber das kann definitiv nicht sein, weil sich das Universum in verschiedene Richtungen unterschiedlich ausdehnt. Die Beweise sind bereits seit mehreren Jahrzehnten gut genug, um diese Möglichkeit vollständig auszuschließen.

Inhalt

Die Geschichte des Faches begann mit der Entwicklung der Wellenmechanik im 19. Jahrhundert und der Erforschung von Phänomenen im Zusammenhang mit dem Dopplereffekt. Der Effekt ist nach Christian Doppler benannt, der 1842 die erste bekannte physikalische Erklärung für das Phänomen lieferte. [1] Die Hypothese wurde 1845 von dem niederländischen Wissenschaftler Christophorus Buys Ballot für Schallwellen getestet und bestätigt. [2] Doppler sagte richtig voraus, dass das Phänomen sollte auf alle Wellen zutreffen und insbesondere darauf hingewiesen, dass die unterschiedlichen Farben der Sterne auf ihre Bewegung in Bezug auf die Erde zurückzuführen sind. [3] Bevor dies verifiziert wurde, wurde jedoch festgestellt, dass die Sternfarben hauptsächlich auf die Temperatur eines Sterns zurückzuführen sind, nicht auf die Bewegung. Erst später wurde der Doppler durch verifizierte Rotverschiebungsbeobachtungen bestätigt.

Die erste Doppler-Rotverschiebung wurde 1848 vom französischen Physiker Hippolyte Fizeau beschrieben, der darauf hinwies, dass die Verschiebung der Spektrallinien in Sternen auf den Doppler-Effekt zurückzuführen ist. Der Effekt wird manchmal als "Doppler-Fizeau-Effekt" bezeichnet. 1868 war der britische Astronom William Huggins der erste, der mit dieser Methode die Geschwindigkeit eines Sterns bestimmt, der sich von der Erde entfernt. [4] Im Jahr 1871 wurde die optische Rotverschiebung bestätigt, als das Phänomen in Fraunhofer-Linien unter Verwendung der Sonnenrotation beobachtet wurde, etwa 0.1 Å im Rot. [5] 1887 entdeckten Vogel und Scheiner diener jährlicher Doppler-Effekt, die jährliche Änderung der Dopplerverschiebung von Sternen in der Nähe der Ekliptik aufgrund der Umlaufgeschwindigkeit der Erde. [6] 1901 verifizierte Aristarkh Belopolsky die optische Rotverschiebung im Labor mit einem System rotierender Spiegel. [7]

Das früheste Vorkommen des Begriffs Rotverschiebung im Druck (in dieser Form mit Bindestrich) scheint von dem amerikanischen Astronomen Walter S. Adams aus dem Jahr 1908 zu stammen, in dem er "Zwei Methoden zur Untersuchung dieser Natur der nebulären Rotverschiebung" erwähnt. [8] Das Wort erscheint bis etwa 1934 von Willem de Sitter nicht ohne Bindestrich, was vielleicht darauf hindeutet, dass bis dahin sein deutsches Äquivalent, Rotationsverschiebung, wurde häufiger verwendet. [9]

Beginnend mit Beobachtungen im Jahr 1912 entdeckte Vesto Slipher, dass die meisten Spiralgalaxien, die damals meist als Spiralnebel angesehen wurden, beträchtliche Rotverschiebungen aufwiesen. Slipher berichtet erstmals über seine Messung im Eröffnungsband der Lowell Observatory Bulletin Bull. [10] Drei Jahre später schrieb er eine Rezension in der Zeitschrift Beliebte Astronomie. [11] Darin stellt er fest, dass „die frühe Entdeckung, dass die große Andromeda-Spirale eine ganz außergewöhnliche Geschwindigkeit von –300 km (/s) hatte, die damals verfügbaren Mittel zeigte, die in der Lage waren, nicht nur die Spektren der Spiralen, sondern auch ihre Geschwindigkeiten zu untersuchen Gut." [12] Slipher berichtete über die Geschwindigkeiten für 15 Spiralnebel, die sich über die gesamte Himmelssphäre ausbreiteten, wobei alle bis auf drei beobachtbare "positive" (dh rezessive) Geschwindigkeiten aufwiesen. Anschließend entdeckte Edwin Hubble mit der Formulierung seines gleichnamigen Hubble-Gesetzes einen ungefähren Zusammenhang zwischen den Rotverschiebungen solcher "Nebel" und den Abständen zu ihnen. [13] Diese Beobachtungen bestätigten Alexander Friedmanns Arbeit von 1922, in der er die Friedmann-Lemaître-Gleichungen herleitete. [14] Sie gelten heute als starker Beweis für ein expandierendes Universum und die Urknalltheorie. [fünfzehn]

Das Spektrum des Lichts, das von einer Quelle kommt (siehe Abbildung des idealisierten Spektrums oben rechts) kann gemessen werden. Um die Rotverschiebung zu bestimmen, sucht man im Spektrum nach Merkmalen wie Absorptionslinien, Emissionslinien oder anderen Variationen der Lichtintensität. Wenn diese Merkmale gefunden werden, können sie mit bekannten Merkmalen im Spektrum verschiedener chemischer Verbindungen verglichen werden, die in Experimenten gefunden wurden, in denen sich diese Verbindung auf der Erde befindet. Ein sehr verbreitetes atomares Element im Weltraum ist Wasserstoff. Das Spektrum des ursprünglich merkmallosen Lichts, das durch Wasserstoff scheint, wird ein für Wasserstoff spezifisches Signaturspektrum zeigen, das in regelmäßigen Abständen Merkmale aufweist. Beschränkt auf Absorptionslinien würde es ähnlich wie in der Abbildung (oben rechts) aussehen. Wenn das gleiche Intervallmuster in einem beobachteten Spektrum von einer entfernten Quelle gesehen wird, aber bei verschobenen Wellenlängen auftritt, kann es auch als Wasserstoff identifiziert werden. Wird in beiden Spektren dieselbe Spektrallinie identifiziert – jedoch bei unterschiedlichen Wellenlängen – kann die Rotverschiebung anhand der folgenden Tabelle berechnet werden. Um die Rotverschiebung eines Objekts auf diese Weise zu bestimmen, wird ein Frequenz- oder Wellenlängenbereich benötigt. Um die Rotverschiebung zu berechnen, muss man die Wellenlänge des emittierten Lichts im Ruhesystem der Quelle kennen, also die Wellenlänge, die von einem neben der Quelle befindlichen und mit ihr mitbewegten Beobachter gemessen würde. Da diese Messung in astronomischen Anwendungen nicht direkt durchgeführt werden kann, da dazu eine Reise zum entfernten interessierenden Stern erforderlich wäre, wird stattdessen die hier beschriebene Methode mit Spektrallinien verwendet. Rotverschiebungen können nicht berechnet werden, indem nicht identifizierte Merkmale betrachtet werden, deren Rest-Frame-Frequenz unbekannt ist, oder bei einem Spektrum, das merkmalslos ist oder weißes Rauschen (zufällige Fluktuationen in einem Spektrum) aufweist. [17]

Rotverschiebung (und Blauverschiebung) kann durch den relativen Unterschied zwischen den beobachteten und emittierten Wellenlängen (oder Frequenzen) eines Objekts charakterisiert werden. In der Astronomie ist es üblich, diese Änderung mit einer dimensionslosen Größe namens . zu bezeichnen z . Wenn λ repräsentiert die Wellenlänge und f repräsentiert die Frequenz (Anmerkung, f = c wo c ist die Lichtgeschwindigkeit), dann z wird durch die Gleichungen definiert: [18]

Berechnung der Rotverschiebung, z

Basierend auf Wellenlänge	Basierend auf Frequenz
z = λ o b s v − λ e m i t λ e m i t >-lambda _ >> >>>>	z = f e m i t − f o b s v f o b s v >-f_ >> >>>>
1 + z = λ o b s v λ e m i t >> >>>>	1 + z = f e m i t f o b s v >> >>>>

Nach dem z gemessen wird, ist die Unterscheidung zwischen Rotverschiebung und Blauverschiebung einfach eine Frage, ob z ist positiv oder negativ. Zum Beispiel Blauverschiebungen des Doppler-Effekts ( z < 0 ) sind mit Objekten verbunden, die sich dem Beobachter nähern (sich nähern), wobei sich das Licht zu höheren Energien verschiebt. Umgekehrt verschiebt sich der Dopplereffekt ( z > 0 ) sind mit Objekten verbunden, die sich vom Beobachter entfernen (sich wegbewegen), wobei sich das Licht zu niedrigeren Energien verschiebt. Ebenso sind gravitative Blauverschiebungen mit Licht verbunden, das von einer Quelle emittiert wird, die sich in einem schwächeren Gravitationsfeld befindet, wie von einem stärkeren Gravitationsfeld aus beobachtet, während die gravitative Rotverschiebung die entgegengesetzten Bedingungen impliziert.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie lassen sich mehrere wichtige Spezialfallformeln für die Rotverschiebung in bestimmten speziellen Raumzeitgeometrien ableiten, wie in der folgenden Tabelle zusammengefasst. In allen Fällen ist die Größe der Verschiebung (der Wert von z ) ist unabhängig von der Wellenlänge. [19]

Bei Bewegung vollständig in Radial- oder Sichtrichtung:

Bei Bewegung vollständig in Querrichtung:

Doppler-Effekt Bearbeiten

575 nm Wellenlänge) erscheint die Kugel grünlich (Blauverschiebung zu

565 nm Wellenlänge) nähert sich dem Beobachter, wird orange (Rotverschiebung zu

585 nm Wellenlänge) beim Passieren und kehrt zu gelb zurück, wenn die Bewegung stoppt. Um einen solchen Farbwechsel zu beobachten, müsste sich das Objekt mit etwa 5.200 km/s bewegen, also etwa 75-mal schneller als der Geschwindigkeitsrekord der schnellsten von Menschenhand gebauten Raumsonde.

Bewegt sich eine Lichtquelle von einem Beobachter weg, dann ist die Rotverschiebung ( z > 0 ) tritt auf, wenn sich die Quelle auf den Beobachter zubewegt, dann Blauverschiebung ( z < 0 ) auftritt. Dies gilt für alle elektromagnetischen Wellen und wird durch den Doppler-Effekt erklärt. Folglich wird diese Art der Rotverschiebung als Doppler-Rotverschiebung. Wenn sich die Quelle mit der Geschwindigkeit . vom Beobachter wegbewegt v , die viel kleiner ist als die Lichtgeschwindigkeit ( v ≪ c ), ist die Rotverschiebung gegeben durch

wo c ist die Lichtgeschwindigkeit. Beim klassischen Dopplereffekt wird die Frequenz der Quelle nicht verändert, aber die rezessive Bewegung bewirkt die Illusion einer niedrigeren Frequenz.

Eine vollständigere Behandlung der Doppler-Rotverschiebung erfordert die Berücksichtigung relativistischer Effekte, die mit der Bewegung von Quellen nahe der Lichtgeschwindigkeit verbunden sind. Eine vollständige Herleitung des Effekts findet sich im Artikel zum relativistischen Dopplereffekt. Kurz gesagt, Objekte, die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen, erfahren aufgrund der Zeitdilatation der speziellen Relativitätstheorie Abweichungen von der obigen Formel, die durch die Einführung des Lorentz-Faktors korrigiert werden können γ in die klassische Doppler-Formel wie folgt (für Bewegung nur in der Sichtlinie):

Dieses Phänomen wurde erstmals 1938 in einem Experiment von Herbert E. Ives und G.R. Stilwell, genannt das Ives-Stilwell-Experiment. [21]

Da der Lorentz-Faktor nur von der Größe der Geschwindigkeit abhängt, bewirkt dies, dass die mit der relativistischen Korrektur verbundene Rotverschiebung unabhängig von der Ausrichtung der Quellenbewegung ist. Im Gegensatz dazu hängt der klassische Teil der Formel von der Projektion der Bewegung der Quelle in die Sichtlinie ab, was für unterschiedliche Ausrichtungen unterschiedliche Ergebnisse liefert. Wenn θ ist der Winkel zwischen der Richtung der relativen Bewegung und der Emissionsrichtung im Beobachterrahmen [22] (der Nullwinkel ist direkt vom Beobachter weg), die vollständige Form für den relativistischen Dopplereffekt lautet:

und für Bewegung ausschließlich in der Sichtlinie ( θ = 0° ), reduziert sich diese Gleichung auf:

Für den Sonderfall, dass sich das Licht im rechten Winkel bewegt ( θ = 90° ) zur Richtung der relativen Bewegung im Rahmen des Beobachters, [23] die relativistische Rotverschiebung wird als transversale Rotverschiebung bezeichnet, und eine Rotverschiebung:

gemessen wird, obwohl sich das Objekt nicht vom Beobachter entfernt. Selbst wenn sich die Quelle auf den Beobachter zubewegt, gibt es bei einer Querkomponente zur Bewegung eine gewisse Geschwindigkeit, bei der die Dilatation die erwartete Blauverschiebung gerade aufhebt, und bei höherer Geschwindigkeit wird die sich nähernde Quelle rotverschoben. [24]

Erweiterung des Raumes Bearbeiten

In der frühen Hälfte des 20. Jahrhunderts führten Slipher, Wirtz und andere die ersten Messungen der Rot- und Blauverschiebungen von Galaxien jenseits der Milchstraße durch. Sie interpretierten diese Rotverschiebungen und Blauverschiebungen zunächst als auf zufällige Bewegungen zurückzuführen, aber später entdeckten Lemaître (1927) und Hubble (1929) unter Verwendung früherer Daten eine ungefähr lineare Korrelation zwischen den zunehmenden Rotverschiebungen und Entfernungen zu Galaxien. Lemaître erkannte, dass diese Beobachtungen durch einen Mechanismus erklärt werden könnten, der Rotverschiebungen erzeugt, die in Friedmanns Lösungen zu Einsteins Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie zu sehen sind. Die Korrelation zwischen Rotverschiebungen und Entfernungen wird von allen solchen Modellen benötigt, die eine metrische Raumausdehnung haben. [15] Als Ergebnis wird die Wellenlänge der Photonen, die sich durch den sich ausdehnenden Raum ausbreiten, gestreckt, was die kosmologische Rotverschiebung erzeugt.

Es gibt einen Unterschied zwischen einer Rotverschiebung im kosmologischen Kontext und der, die beobachtet wird, wenn nahe Objekte eine lokale Dopplereffekt-Rotverschiebung aufweisen. Anstatt kosmologische Rotverschiebungen eine Folge der Relativgeschwindigkeiten zu sein, die den Gesetzen der speziellen Relativitätstheorie unterliegen (und damit der Regel unterliegen, dass keine zwei lokal getrennten Objekte Relativgeschwindigkeiten relativ zueinander haben können, die schneller als die Lichtgeschwindigkeit sind), die Photonen nehmen stattdessen aufgrund eines globalen Merkmals der Raumzeit, durch die sie reisen, in Wellenlänge und Rotverschiebung zu. Eine Interpretation dieses Effekts ist die Idee, dass sich der Raum selbst ausdehnt. [25] Aufgrund der mit zunehmenden Entfernungen zunehmenden Ausdehnung kann die Entfernung zwischen zwei entfernten Galaxien um mehr als 3 × 10 8 m/s zunehmen, dies bedeutet jedoch nicht, dass sich die Galaxien schneller als die Lichtgeschwindigkeit an ihrem gegenwärtigen Standort bewegen (was durch die Lorentz-Kovarianz verboten ist).

Mathematische Herleitung Bearbeiten

Die Beobachtungsfolgen dieses Effekts lassen sich mit den Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie ableiten, die ein homogenes und isotropes Universum beschreiben.

Um den Rotverschiebungseffekt abzuleiten, verwenden Sie die geodätische Gleichung für eine Lichtwelle, die

ds ist das Raumzeitintervall
dt ist das Zeitintervall
DR ist das räumliche Intervall
c ist die Lichtgeschwindigkeit speed
ein ist der zeitabhängige kosmische Skalenfaktor
k ist die Krümmung pro Flächeneinheit.

Für einen Beobachter, der den Kamm einer Lichtwelle an einer Position beobachtet r = 0 und Zeit t = t_jetzt , der Scheitel der Lichtwelle wurde zu einem Zeitpunkt emittiert t = t_dann in der Vergangenheit und eine entfernte Position r = R . Integrieren über den Weg in Raum und Zeit, den die Lichtwelle zurücklegt, ergibt:

Im Allgemeinen ist die Wellenlänge des Lichts für die beiden betrachteten Positionen und Zeiten aufgrund der sich ändernden Eigenschaften der Metrik nicht gleich. Als die Welle emittiert wurde, hatte sie eine Wellenlänge λ_dann . Der nächste Kamm der Lichtwelle wurde gleichzeitig emittiert

Der Beobachter sieht den nächsten Kamm der beobachteten Lichtwelle mit einer Wellenlänge λ_jetzt zu einer Zeit ankommen

Da der nachfolgende Kamm wieder von emittiert wird r = R und wird beobachtet bei r = 0 , kann die folgende Gleichung geschrieben werden:

Die rechte Seite der beiden obigen Integralgleichungen ist identisch, was bedeutet, dass

Mit der folgenden Manipulation:

Für sehr kleine Zeitänderungen (über die Dauer eines Zyklus einer Lichtwelle) ist der Skalierungsfaktor im Wesentlichen eine Konstante ( ein = ein_jetzt heute und ein = ein_dann vorher). Dies ergibt

was umgeschrieben werden kann als

Unter Verwendung der oben angegebenen Definition der Rotverschiebung ergibt sich die Gleichung

erhalten wird. In einem expandierenden Universum wie dem, das wir bewohnen, nimmt der Skalierungsfaktor mit der Zeit monoton zu. z positiv ist und entfernte Galaxien rotverschoben erscheinen.

Mit einem Modell der Expansion des Universums kann die Rotverschiebung mit dem Alter eines beobachteten Objekts, dem sogenannten- kosmische Zeit-Rotverschiebungs-Beziehung. Bezeichne ein Dichteverhältnis als Ω₀ :

mit ρ_krit die kritische Dichte, die ein Universum, das schließlich zusammenbricht, von einem Universum abgrenzt, das sich einfach ausdehnt. Diese Dichte beträgt etwa drei Wasserstoffatome pro Kubikmeter Raum. [26] Bei großen Rotverschiebungen 1 + z >₀ −1 , findet man:

wo H₀ die heutige Hubble-Konstante ist und z ist die Rotverschiebung. [27] [28] [29]

Unterscheidung zwischen kosmologischen und lokalen Effekten Bearbeiten

Für kosmologische Rotverschiebungen von z < 0,01 zusätzliche Doppler-Rotverschiebungen und Blauverschiebungen aufgrund der eigentümlichen Bewegungen der Galaxien relativ zueinander verursachen eine breite Streuung gegenüber dem Standard-Hubble-Gesetz. [30] Die resultierende Situation kann durch das Expanding Rubber Sheet Universe veranschaulicht werden, eine gängige kosmologische Analogie, die verwendet wird, um die Expansion des Weltraums zu beschreiben. Wenn zwei Objekte durch Kugellager und die Raumzeit durch eine sich streckende Gummiplatte dargestellt werden, wird der Doppler-Effekt dadurch verursacht, dass die Kugeln über die Platte rollen, um eine eigentümliche Bewegung zu erzeugen. Die kosmologische Rotverschiebung tritt auf, wenn die Kugellager am Blech kleben und das Blech gedehnt wird. [31] [32] [33]

Die Rotverschiebungen von Galaxien beinhalten sowohl eine Komponente, die sich auf die Rezessionsgeschwindigkeit durch die Expansion des Universums bezieht, als auch eine Komponente, die mit eigentümlicher Bewegung (Dopplerverschiebung) zusammenhängt. [34] Die Rotverschiebung aufgrund der Expansion des Universums hängt von der Rezessionsgeschwindigkeit in einer Weise ab, die durch das zur Beschreibung der Expansion des Universums gewählte kosmologische Modell bestimmt wird, was sich stark von der Abhängigkeit der Doppler-Rotverschiebung von der lokalen Geschwindigkeit unterscheidet. [35] Der Kosmologe Edward Robert Harrison beschrieb den Ursprung der kosmologischen Expansion der Rotverschiebung: „Licht verlässt eine Galaxie, die in ihrer lokalen Raumregion stationär ist, und wird schließlich von Beobachtern empfangen, die in ihrer eigenen lokalen Raumregion stationär sind. Zwischen der Galaxie und dem Beobachter wandert Licht durch weite Regionen des sich ausdehnenden Weltraums. Dadurch werden alle Wellenlängen des Lichts durch die Ausdehnung des Weltraums gestreckt. So einfach ist das.“ [36] Steven Weinberg stellte klar: „The Die Zunahme der Wellenlänge von der Emission zur Absorption des Lichts hängt nicht von der Änderungsrate von . ab ein(t) [Hier ein(t) ist der Robertson-Walker-Skalenfaktor] zum Zeitpunkt der Emission oder Absorption, jedoch mit zunehmendem ein(t) im gesamten Zeitraum von der Emission bis zur Absorption." [37]

In der populären Literatur wird oft der Ausdruck "Doppler-Rotverschiebung" anstelle von "kosmologischer Rotverschiebung" verwendet, um die Rotverschiebung von Galaxien zu beschreiben, die von der Expansion der Raumzeit dominiert wird, aber die kosmologische Rotverschiebung wird nicht mit der relativistischen Doppler-Gleichung [38] gefunden, die stattdessen durch spezielle . gekennzeichnet ist Relativität also v > c ist unmöglich, während im Gegensatz dazu v > c ist für kosmologische Rotverschiebungen möglich, weil sich der Raum, der die Objekte (zB ein Quasar von der Erde) trennt, schneller als die Lichtgeschwindigkeit ausdehnen kann. [39] Mathematisch gesehen hängen der Standpunkt, dass „entfernte Galaxien zurücktreten“ und der Standpunkt, dass „der Raum zwischen den Galaxien sich ausdehnt“, durch sich ändernde Koordinatensysteme zusammen. Um dies genau auszudrücken, muss man mit der Mathematik der Friedmann-Robertson-Walker-Metrik arbeiten. [40]

Würde sich das Universum zusammenziehen, anstatt sich auszudehnen, würden wir weit entfernte Galaxien um einen Betrag proportional zu ihrer Entfernung blauverschoben statt rotverschoben sehen. [41]

Gravitationsrotverschiebung Bearbeiten

In der Allgemeinen Relativitätstheorie gibt es Zeitdilatation innerhalb einer Gravitationsquelle. Dies wird als gravitative Rotverschiebung oder Einstein-Verschiebung. [42] Die theoretische Herleitung dieses Effekts folgt aus der Schwarzschild-Lösung der Einstein-Gleichungen, die die folgende Formel für die Rotverschiebung ergibt, die mit einem Photon verbunden ist, das sich im Gravitationsfeld einer ungeladenen, nicht rotierenden, kugelsymmetrischen Masse bewegt:

G ist die Gravitationskonstante,
M ist die Masse des Objekts, das das Gravitationsfeld erzeugt,
r die radiale Koordinate der Quelle ist (die dem klassischen Abstand vom Zentrum des Objekts analog ist, aber eigentlich eine Schwarzchild-Koordinate ist), und
c ist die Lichtgeschwindigkeit.

Dieses gravitative Rotverschiebungsergebnis kann aus den Annahmen der speziellen Relativitätstheorie und des Äquivalenzprinzips abgeleitet werden, die vollständige Allgemeine Relativitätstheorie ist nicht erforderlich. [43]

Der Effekt ist sehr klein, aber auf der Erde mit dem Mößbauer-Effekt messbar und wurde erstmals im Pound-Rebka-Experiment beobachtet. [44] In der Nähe eines Schwarzen Lochs ist es jedoch signifikant, und wenn sich ein Objekt dem Ereignishorizont nähert, wird die Rotverschiebung unendlich. Es ist auch die dominierende Ursache für große Temperaturschwankungen im Winkelbereich der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (siehe Sachs-Wolfe-Effekt). [45]

Die in der Astronomie beobachtete Rotverschiebung kann gemessen werden, weil die Emissions- und Absorptionsspektren für Atome charakteristisch und bekannt sind und aus spektroskopischen Experimenten in Labors auf der Erde kalibriert wurden. Wenn die Rotverschiebung verschiedener Absorptions- und Emissionslinien eines einzigen astronomischen Objekts gemessen wird, z ist bemerkenswert konstant. Obwohl entfernte Objekte leicht verschwommen und Linien verbreitert sein können, ist dies nur durch thermische oder mechanische Bewegung der Quelle zu erklären. Aus diesen und anderen Gründen sind sich die Astronomen einig, dass die von ihnen beobachteten Rotverschiebungen auf eine Kombination der drei etablierten Formen von Doppler-ähnlichen Rotverschiebungen zurückzuführen sind. Alternative Hypothesen und Erklärungen für Rotverschiebung wie müdes Licht werden im Allgemeinen nicht als plausibel angesehen. [46]

Die Spektroskopie als Messung ist wesentlich schwieriger als die einfache Photometrie, die durch bestimmte Filter die Helligkeit astronomischer Objekte misst. [47] Wenn nur photometrische Daten verfügbar sind (zum Beispiel das Hubble Deep Field und das Hubble Ultra Deep Field), verlassen sich Astronomen auf eine Technik zur Messung photometrischer Rotverschiebungen. [48] Aufgrund der breiten Wellenlängenbereiche in photometrischen Filtern und der notwendigen Annahmen über die Art des Spektrums an der Lichtquelle können Fehler bei dieser Art von Messungen bis zu δ betragenz = 0,5 und sind viel weniger zuverlässig als spektroskopische Bestimmungen. [49] Die Photometrie erlaubt jedoch zumindest eine qualitative Charakterisierung einer Rotverschiebung. Wenn beispielsweise ein sonnenähnliches Spektrum eine Rotverschiebung von z = 1 , wäre es im Infraroten am hellsten und nicht in der gelbgrünen Farbe, die mit der Spitze seines Schwarzkörperspektrums verbunden ist, und die Lichtintensität wird im Filter um den Faktor vier reduziert (1 + z) 2. Sowohl die Photonenzählrate als auch die Photonenenergie sind rotverschoben. (Siehe K-Korrektur für weitere Details zu den photometrischen Folgen der Rotverschiebung.) [50]

Lokale Beobachtungen Bearbeiten

In nahe gelegenen Objekten (innerhalb unserer Milchstraße) stehen beobachtete Rotverschiebungen fast immer in Zusammenhang mit den Sichtliniengeschwindigkeiten, die mit den beobachteten Objekten verbunden sind. Beobachtungen solcher Rot- und Blauverschiebungen haben es Astronomen ermöglicht, Geschwindigkeiten zu messen und die Massen der umlaufenden Sterne in spektroskopischen Doppelsternen zu parametrisieren, eine Methode, die erstmals 1868 vom britischen Astronomen William Huggins angewendet wurde. [4] In ähnlicher Weise sind kleine Rotverschiebungen und Blauverschiebungen, die bei spektroskopischen Messungen einzelner Sterne entdeckt wurden, eine Möglichkeit für Astronomen, das Vorhandensein und die Eigenschaften von Planetensystemen um andere Sterne herum zu diagnostizieren und zu messen und sogar sehr detaillierte Differentialmessungen von Rotverschiebungen während planetarischer Transite, um genaue Bahnparameter zu bestimmen. [51] Fein detaillierte Messungen von Rotverschiebungen werden in der Helioseismologie verwendet, um die genauen Bewegungen der Photosphäre der Sonne zu bestimmen. [52] Rotverschiebungen wurden auch verwendet, um erste Messungen der Rotationsraten von Planeten, [53] Geschwindigkeiten interstellarer Wolken, [54] der Rotation von Galaxien [19] und der Dynamik der Akkretion auf Neutronensternen und Schwarzen Löchern durchzuführen die sowohl Doppler- als auch Gravitationsrotverschiebungen aufweisen. [55] Darüber hinaus können die Temperaturen verschiedener emittierender und absorbierender Objekte durch Messung der Doppler-Verbreiterung ermittelt werden – effektiv Rotverschiebungen und Blauverschiebungen über einer einzelnen Emissions- oder Absorptionslinie. [56] Durch die Messung der Verbreiterung und Verschiebung der 21-Zentimeter-Wasserstofflinie in verschiedene Richtungen konnten Astronomen die Rezessionsgeschwindigkeiten von interstellarem Gas messen, was wiederum die Rotationskurve unserer Milchstraße enthüllt. [19] Ähnliche Messungen wurden an anderen Galaxien wie Andromeda durchgeführt. [19] Als diagnostisches Werkzeug gehören Rotverschiebungsmessungen zu den wichtigsten spektroskopischen Messungen in der Astronomie.

Extragalaktische Beobachtungen Bearbeiten

Die am weitesten entfernten Objekte weisen größere Rotverschiebungen auf, die dem Hubble-Fluss des Universums entsprechen. Die größte beobachtete Rotverschiebung, die der größten Entfernung entspricht und zeitlich am weitesten zurückliegt, ist die der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, deren Zahlenwert etwa beträgt z = 1089 ( z = 0 entspricht der Gegenwart) und zeigt den Zustand des Universums vor etwa 13,8 Milliarden Jahren [57] und 379.000 Jahre nach den ersten Momenten des Urknalls. [58]

Die leuchtenden punktförmigen Kerne von Quasaren waren die ersten "Hochrotverschiebungen" ( z > 0.1 ) Objekte, die vor der Verbesserung der Teleskope entdeckt wurden, ermöglichten die Entdeckung anderer hochrotverschobener Galaxien.

Bei Galaxien, die weiter entfernt sind als die Lokale Gruppe und der nahe gelegene Virgo-Haufen, aber innerhalb von tausend Megaparsec oder so, ist die Rotverschiebung ungefähr proportional zur Entfernung der Galaxie. Diese Korrelation wurde zuerst von Edwin Hubble beobachtet und ist als Hubble-Gesetz bekannt geworden. Vesto Slipher war der erste, der um das Jahr 1912 galaktische Rotverschiebungen entdeckte, während Hubble Sliphers Messungen mit Entfernungen korrelierte, die er mit anderen Mitteln maß, um sein Gesetz zu formulieren. In dem allgemein akzeptierten kosmologischen Modell auf der Grundlage der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Rotverschiebung hauptsächlich eine Folge der Ausdehnung des Weltraums: Dies bedeutet, dass sich der Raum in der Zeit, seit das Licht diese Galaxie verlassen hat, umso mehr ausgedehnt hat, je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist. je mehr das Licht gedehnt wurde, desto rotverschobener ist das Licht und desto schneller scheint es sich von uns wegzubewegen. Das Hubblesche Gesetz folgt teilweise aus dem kopernikanischen Prinzip. [59] Da normalerweise nicht bekannt ist, wie leuchtende Objekte sind, ist die Messung der Rotverschiebung einfacher als direktere Entfernungsmessungen, so dass die Rotverschiebung in der Praxis manchmal mit dem Hubble-Gesetz in eine grobe Entfernungsmessung umgewandelt wird.

Gravitationsinteraktionen von Galaxien untereinander und mit Clustern verursachen eine signifikante Streuung im Normalplot des Hubble-Diagramms. Die mit Galaxien verbundenen eigentümlichen Geschwindigkeiten überlagern eine grobe Spur der Masse der virialisierten Objekte im Universum. Dieser Effekt führt zu Phänomenen wie nahegelegenen Galaxien (wie der Andromeda-Galaxie), die Blauverschiebungen aufweisen, wenn wir in Richtung eines gemeinsamen Schwerpunkts fallen, und Rotverschiebungskarten von Haufen, die aufgrund der Streuung eigentümlicher Geschwindigkeiten in einer ungefähr sphärischen Verteilung einen Finger-Gottes-Effekt zeigen. [59] Diese zusätzliche Komponente gibt Kosmologen die Möglichkeit, die Masse von Objekten unabhängig vom Masse-zu-Licht-Verhältnis (das Verhältnis der Masse einer Galaxie in Sonnenmassen zu ihrer Helligkeit in Sonnenleuchtkraft) zu messen, ein wichtiges Werkzeug zur Messung der Dunklen Materie . [60]

Die lineare Beziehung zwischen Entfernung und Rotverschiebung des Hubble-Gesetzes geht davon aus, dass die Expansionsrate des Universums konstant ist. Als das Universum jedoch noch viel jünger war, war die Expansionsrate und damit die Hubble-"Konstante" größer als heute. Für weiter entfernte Galaxien, deren Licht schon viel länger zu uns gereist ist, versagt die Approximation der konstanten Expansionsrate und das Hubble-Gesetz wird zu einer nichtlinearen integralen Beziehung und hängt von der Geschichte der Expansionsrate seit der Emission ab des Lichts der betreffenden Galaxie. Durch Beobachtungen der Rotverschiebungs-Distanz-Beziehung kann dann die Expansionsgeschichte des Universums und damit der Materie- und Energiegehalt bestimmt werden.

Während lange angenommen wurde, dass die Expansionsrate seit dem Urknall kontinuierlich abnimmt, haben neuere Beobachtungen der Rotverschiebungs-Abstands-Beziehung mit Supernovae vom Typ Ia darauf hingewiesen, dass sich die Expansionsrate des Universums in vergleichsweise neuer Zeit beschleunigt hat.

Höchste Rotverschiebungen Bearbeiten

Derzeit sind die Objekte mit den höchsten bekannten Rotverschiebungen Galaxien und die Objekte, die Gammastrahlenausbrüche erzeugen. Die zuverlässigsten Rotverschiebungen stammen aus spektroskopischen Daten, und die am höchsten bestätigte spektroskopische Rotverschiebung einer Galaxie ist die von GN-z11, [61] mit einer Rotverschiebung von z = 11,1 , entsprechend 400 Millionen Jahren nach dem Urknall. Der bisherige Rekord wurde von UDFy-38135539 [62] mit einer Rotverschiebung von gehalten z = 8,6 , entsprechend 600 Millionen Jahren nach dem Urknall. Etwas weniger zuverlässig sind Lyman-Break-Rotverschiebungen, von denen die größte die Linsengalaxie A1689-zD1 bei einer Rotverschiebung ist z = 7,5 [63] [64] und das nächsthöhere Wesen z = 7,0 . [65] Der am weitesten entfernte beobachtete Gammablitz mit einer spektroskopischen Rotverschiebungsmessung war GRB 090423 mit einer Rotverschiebung von z = 8,2 . [66] Der am weitesten entfernte bekannte Quasar, ULAS J1342+0928, ist at z = 7,54 . [67] [68] Die höchste bekannte Rotverschiebungs-Radiogalaxie (TGSS1530) befindet sich in einer Rotverschiebung z = 5,72 [69] und das bekannteste Rotverschiebungs-Molekülmaterial ist der Nachweis der Emission des CO-Moleküls aus dem Quasar SDSS J1148+5251 at z = 6.42 . [70]

Extrem rote Objekte (EROs) sind astronomische Strahlungsquellen, die Energie im roten und nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums ausstrahlen. Dies können Starburst-Galaxien mit einer hohen Rotverschiebung sein, die von einer Rötung durch dazwischenliegenden Staub begleitet wird, oder sie könnten stark rotverschobene elliptische Galaxien mit einer älteren (und daher röteren) Sternpopulation sein. [71] Objekte, die noch röter als EROs sind, werden als . bezeichnet hyper extrem rote objekte (HELDEN). [72]

Der kosmische Mikrowellenhintergrund hat eine Rotverschiebung von z = 1089 , was einem Alter von etwa 379.000 Jahren nach dem Urknall und einer Bewegungsentfernung von mehr als 46 Milliarden Lichtjahren entspricht. [73] Das noch zu beobachtende erste Licht der ältesten Sterne der Population III, nicht lange nachdem sich die ersten Atome gebildet hatten und die CMB fast vollständig nicht mehr absorbiert wurde, könnte Rotverschiebungen im Bereich von 20 < aufweisen z < 100 . [74] Andere von der Physik vorhergesagte, aber derzeit nicht beobachtbare Ereignisse mit hoher Rotverschiebung sind der kosmische Neutrinohintergrund etwa zwei Sekunden nach dem Urknall (und eine Rotverschiebung von mehr als z > 10 10 ) [75] und der kosmische Gravitationswellenhintergrund, der direkt von der Inflation bei einer Rotverschiebung von mehr als emittiert wird z >10 25 . [76]

Im Juni 2015 meldeten Astronomen Beweise für Sterne der Population III in der Kosmos Redshift-7-Galaxie bei z = 6,60 . Solche Sterne haben wahrscheinlich schon im sehr frühen Universum existiert (d. h. bei hoher Rotverschiebung) und haben möglicherweise mit der Produktion chemischer Elemente begonnen, die schwerer als Wasserstoff sind und für die spätere Bildung von Planeten und Leben, wie wir es kennen, benötigt werden. [77] [78]

Redshift-Umfragen Bearbeiten

Mit dem Aufkommen automatisierter Teleskope und Verbesserungen bei Spektroskopen wurden eine Reihe von Kooperationen geschlossen, um das Universum im Rotverschiebungsraum zu kartieren. Durch die Kombination von Rotverschiebung mit Winkelpositionsdaten kartiert eine Rotverschiebungsmessung die 3D-Verteilung der Materie innerhalb eines Himmelsfeldes. Diese Beobachtungen werden verwendet, um Eigenschaften der großräumigen Struktur des Universums zu messen. Die Große Mauer, ein riesiger Superhaufen von Galaxien mit einer Breite von über 500 Millionen Lichtjahren, ist ein dramatisches Beispiel für eine großräumige Struktur, die Rotverschiebungsdurchmusterungen erkennen können. [79]

Die erste Rotverschiebungsuntersuchung war die CfA-Rotverschiebungsuntersuchung, die 1977 begann und die erste Datensammlung 1982 abgeschlossen wurde. [80] In jüngerer Zeit bestimmte die 2dF-Galaxie-Rotverschiebungsuntersuchung die großräumige Struktur eines Abschnitts des Universums und maß Rotverschiebungen für über Die Datensammlung von 220.000 Galaxien wurde 2002 abgeschlossen und der endgültige Datensatz wurde am 30. Juni 2003 veröffentlicht. [81] Der Sloan Digital Sky Survey (SDSS) läuft seit 2013 und zielt darauf ab, die Rotverschiebungen von rund 3 Millionen Objekten zu messen. [82] SDSS hat Rotverschiebungen für Galaxien von bis zu 0,8 aufgezeichnet und war an der Detektion von Quasaren jenseits von involved beteiligt z = 6. Der DEEP2 Redshift Survey nutzt die Keck-Teleskope mit dem neuen Spektrographen "DEIMOS" als Nachfolger des Pilotprogramms DEEP1, DEEP2 soll lichtschwache Galaxien mit Rotverschiebungen ab 0,7 vermessen, und ist daher geplant, ein Hoch-Rotverschiebungs-Komplement bereitzustellen zu SDSS und 2dF. [83]

Die in den Themen Strahlungsübertragung und Physikalische Optik zusammengefassten Wechselwirkungen und Phänomene können zu Wellenlängen- und Frequenzverschiebungen elektromagnetischer Strahlung führen. In solchen Fällen entsprechen die Verschiebungen eher einer physikalischen Energieübertragung auf Materie oder andere Photonen als einer Transformation zwischen Referenzrahmen. Solche Verschiebungen können von physikalischen Phänomenen wie Kohärenzeffekten oder der Streuung elektromagnetischer Strahlung, sei es von geladenen Elementarteilchen, von Partikeln, oder von Schwankungen des Brechungsindex in einem dielektrischen Medium herrühren, wie es beim Radiophänomen von Radiopfeifen auftritt. [19] Während solche Phänomene manchmal als "Rotverschiebungen" und "Blauverschiebungen" bezeichnet werden, werden Licht-Materie-Wechselwirkungen, die zu Energieverschiebungen im Strahlungsfeld führen, in der Astrophysik im Allgemeinen als "Rötungen" und nicht als "Rotverschiebungen" bezeichnet, die als ein Begriff, ist normalerweise für die oben diskutierten Effekte reserviert. [19]

In vielen Fällen führt die Streuung zu einer Rötung der Strahlung, da die Entropie dazu führt, dass viele niederenergetische Photonen über wenige hochenergetische Photonen vorherrschen (wobei die Gesamtenergie erhalten bleibt). [19] Außer möglicherweise unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen erzeugt die Streuung nicht die gleiche relative Wellenlängenänderung über das gesamte Spektrum, d. h. alle berechneten z ist im Allgemeinen eine Funktion der Wellenlänge. Darüber hinaus tritt Streuung von zufälligen Medien im Allgemeinen unter vielen Winkeln auf, und z ist eine Funktion des Streuwinkels. Tritt eine Mehrfachstreuung auf oder weisen die streuenden Partikel eine Relativbewegung auf, so kommt es in der Regel auch zu einer Verzerrung der Spektrallinien. [19]

In der interstellaren Astronomie können sichtbare Spektren aufgrund von Streuprozessen in einem Phänomen, das als interstellare Rötung bezeichnet wird [19], röter erscheinen eine blaue Farbe. Dieses Phänomen unterscheidet sich von RotVerschiebungDies liegt daran, dass die spektroskopischen Linien in geröteten Objekten nicht zu anderen Wellenlängen verschoben werden und das Phänomen zusätzlich verdunkelt und verzerrt wird, da Photonen in und aus der Sichtlinie gestreut werden.

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Artikel Bearbeiten

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Messunsicherheit des berechneten Schwerpunkts aus Pixelbild

Andromeda-Galaxie. Galaxias Fotos

Wie berechnet man für den erdgebundenen Beobachter, wann der Mond am höchsten steht?

Von den zweiten Momenten eines Objekts zu seinen Elliptizitäten und seinem Halblichtradius

Ist es möglich, „still“ im Weltraum zu sein?

Halleys Komet. Reittiere und Drachen

Reflektor (Fernrohr)

Habe ich fast den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs gefunden?

Gibt es neben der Rotverschiebung noch andere Beweise für das expandierende Universum?

Gibt es neben der Rotverschiebung noch andere Beweise für das expandierende Universum? - Astronomie

Rotverschiebung

Die kosmologische Rotverschiebung

Frage zum expandierenden Universum

#2 GregLee1

#3 Herr T

#4 llanitedave

#5 maugi88

#6 GregLee1

#7 Geltungsbereich

#8 GregLee1

#9 MitchisMitch

#10 GregLee1

#11 maugi88

#12 stephen63

#13 GJJim

#14 WestTx

#15 Dave Mitsky

#16 GregLee1

#17 maugi88

#18 WestTx

#19 GregLee1

#20 llanitedave

#21 Mxplx2

#22 GregLee1

#23 GregLee1

Fazit

Rotverschiebung und universelle Erweiterung

Gibt es neben der Rotverschiebung noch andere Beweise für das expandierende Universum? - Astronomie

Über den Autor

Lisa Wei

Nein, das Universum kann sich nicht unterschiedlich in verschiedene Richtungen ausdehnen

Inhalt

Doppler-Effekt Bearbeiten

Erweiterung des Raumes Bearbeiten

Mathematische Herleitung Bearbeiten

Unterscheidung zwischen kosmologischen und lokalen Effekten Bearbeiten

Gravitationsrotverschiebung Bearbeiten

Lokale Beobachtungen Bearbeiten

Extragalaktische Beobachtungen Bearbeiten

Höchste Rotverschiebungen Bearbeiten

Redshift-Umfragen Bearbeiten

Artikel Bearbeiten

Bücher bearbeiten

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