Dimensionen und Grenzen des Universums. Sichtbares Universum Erwartete Größe des Universums

Die Größe des Universums ist für uns unvorstellbar groß. Alles, was uns umgibt, und wir selbst, sind nur Körner dieses umfassenden Konzepts. Und es selbst hat weniger astronomische als vielmehr philosophische Untertöne.

Der philosophische Teil des Universums umfasst die gesamte in der Natur existierende materielle Welt, die keine zeitlichen und räumlichen Grenzen kennt. Es wird durch verschiedene Formen und Zustände dargestellt, die die Materie im Laufe ihrer Entwicklung annimmt.

Wissenschaftler betrachten alles, was existiert, als den astronomischen Teil des Universums: Raum, Materie, Zeit, Energie. Dazu gehören auch Planeten, Sterne und alle anderen möglichen kosmischen Körper. Wissenschaftler können die Größe des Universums nur teilweise verstehen. Und Forscher können keine genaue und prägnante Definition dafür finden. Vielleicht ist es gleichbedeutend mit Gott oder anderen Manifestationen des Höheren Geistes.

Die Größe des Universums

Um der Frage nach der Größe des Universums noch ein Stück näher zu kommen, ist es notwendig, die Größe seiner einzelnen Teile abzuschätzen. Für einen Menschen ist es eine schwierige Aufgabe, den Globus zu umrunden, aber durchaus machbar. Stellen Sie sich nun vor, dass unser Planet im Vergleich zu Saturn wie eine Münze im Vergleich zu einem Basketball ist. Und im Verhältnis zur Sonne sieht die Erde im Allgemeinen wie ein kleines Korn aus.

Auch das gesamte Sonnensystem hat im Maßstab des Universums keine nennenswerte Ausdehnung. Wenn wir die Grenze des Systems betrachten, beträgt seine Ausdehnung etwa 120 astronomische Einheiten. Gleichzeitig für eine a.u. Nehmen Sie eine Entfernung von ~ 150 Milliarden km. Stellen Sie sich nun vor, dass der Durchmesser der gesamten Milchstraße, zu der die Sonne und die sie umgebenden Planeten gehören, eine Trillion Kilometer beträgt. Dies ist eine Zahl mit 18 Nullen. Und die Ansammlung verschiedener Himmelskörper selbst enthält nach verschiedenen Schätzungen 2 * 10 11 bis 4 * 10 11 Sterne, von denen die meisten die Größe unseres Himmelskörpers übertreffen.

Und die Milchstraße ist nicht die einzige Galaxie im gesamten Weltraum. Am Sternenhimmel der Erde kann man mit bloßem Auge die benachbarten Sternhaufen erkennen: Andromeda, die Große und Kleine Magellansche Wolke. Entfernungen zu ihnen werden in Megaparsec – Millionen Lichtjahren – gemessen. Und jeder von ihnen erstreckt sich auch über Entfernungen, die für den menschlichen Geist unvorstellbar sind.

Alle Sternhaufen sind zu großräumigen Verbänden – Galaxiengruppen – zusammengefasst. Beispielsweise sind die Milchstraße und benachbarte Formationen mit einem Durchmesser von etwa 1 Megaparsec in der lokalen Gruppe enthalten. Stellen Sie sich vor, ein Lichtstrahl würde 3,2 Millionen Jahre brauchen, um von einem Ende zum anderen zu gelangen.

Dieser Wert ist jedoch nicht der größte. Galaxiengruppen wiederum sind zu Superhaufen oder Superhaufen vereint. Diese großräumigen Universumsstrukturen enthalten Hunderte und Tausende von galaktischen Gruppen und Millionen von Sternentstehungen. So gibt es im Virgo-Superhaufen, zu dem auch die Milchstraße gehört, mehr als 100 Galaxiengruppen. Die Länge dieser Struktur beträgt mehr als 200 Millionen Lichtjahre und sie ist nur ein Teil der riesigen Laniakea-Formation.

Der Schwerpunkt von Laniakea ist der Superhaufen des Großen Attraktors, der alle anderen Strukturen dieses Teils des Weltraums anzieht. Es kann getrost als das Zentrum des Universums bezeichnet werden, mit der Einschränkung, dass es sich nur um den Kern des uns bekannten Kosmos handelt. Ganz Laniakea hat einen Durchmesser von mehr als 500 Millionen Lichtjahren. Und um endlich die Ausmaße des Universums zu verstehen, stellen Sie sich vor, dass diese gigantische Formation nur der kleine Teil des Kosmos ist, den ein Mensch überblicken und sich vorstellen kann.

Das sichtbare Universum und seine Dimensionen

Das sichtbare oder beobachtbare Universum ist ein sehr komplexes Konzept. Nach der Theorie des sowjetischen Geophysikers Friedman befindet sich der gesamte Weltraum derzeit im Stadium der Expansion. Gleichzeitig bewegen sich alle seine Elemente mit Überlichtgeschwindigkeit voneinander weg. Im Verhältnis zur Erde ist der sichtbare Teil der universellen Weiten der Bereich des ​​grenzenlosen Weltraums, von dem aus Strahlung zu uns gelangen kann. Gleichzeitig könnte das Objekt selbst, das das Signal aussendet, bereits eine überlichtmäßige Entfernungsgeschwindigkeit von unserer Galaxie erreicht haben, aber wir registrieren immer noch Strahlung von ihm.

Wie groß ist das sichtbare Universum? Die Grenze des beobachtbaren Teils des Weltraums ist der kosmologische Horizont. Alle außerhalb dieser Region gelegenen universellen Strukturen emittieren Strahlung, die das Sonnensystem nicht erreicht. Aufgrund seiner ständig beschleunigten Expansion ist es jedoch sehr schwierig, die genauen Abmessungen des sichtbaren Teils des Universums zu bestimmen.

Wenn wir unser Sternensystem als Zentrum des beobachtbaren Teils des Weltraums und die Oberfläche der letzten Streuung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung als kosmologischen Horizont betrachten, dann wird diese gesamte Kugel einen Durchmesser von 93 Milliarden Lichtjahren haben. Ihre konstituierende Struktur ist die Metagalaxie – eine Region des Weltraums, die mit modernen astronomischen Instrumenten untersucht werden kann. Die Metagalaxie ist homogen und isotrop, und Forscher streiten immer noch darüber, ob es sich um das gesamte Universum oder nur um einen kleinen Teil davon handelt. Sein Ausmaß ändert sich aufgrund der von Astronomen verwendeten Technologie ständig.

Was ist Raum und welche Dimensionen hat er?

Wenn man über die Größe des Universums spricht, darf man nicht umhin, den Begriff „Raum“ zu erwähnen. Dieser Begriff bezieht sich auf einen mit Leere gefüllten Teil der universellen Weiten, der außerhalb der Atmosphären und Hüllen von Himmelskörpern liegt. Der Raum ist nicht leer oder hohl. Es ist mit interstellarer Materie gefüllt, die aus Wasserstoff- und Sauerstoffmolekülen sowie ionisierender und elektromagnetischer Strahlung besteht. Darüber hinaus gibt es die Dunkle Materie, über die Wissenschaftler seit mehreren Jahrhunderten streiten. Viele von ihnen vermuten, dass diese verborgene Masse das Verbindungsglied zum Weltraum ist.

Moderne Astronomen, die unseren Planeten als Ausgangspunkt nehmen, unterscheiden:

• In der Nähe des Weltraums. Für den Menschen beginnt es in einer Höhe von etwa 19 Kilometern. Dies ist die Armstrong-Linie, bei der Wasser bei menschlicher Körpertemperatur kocht. Eine Person, die sich ohne Raumanzug in dieser Höhe befindet, beginnt vor Speichel und Tränen zu kochen. Als internationale offizielle Grenze gilt bereits eine Höhe von 100 Kilometern, ab der der Weltraum beginnt.
• Der erdnahe Raum gilt bis zu einer Höhe von etwa 260.000 Kilometern als solcher. Dies ist die Höhe, bis zu der die Schwerkraft der Erde die Schwerkraft der Sonne übersteigt. Unsere Kosmonauten führen Orbitalflüge durch und verschiedene Satelliten fliegen im Bereich dieser Höhen.
• Interplanetare Region. In diesen Höhen bzw. Entfernungen von der Erde umkreist es unseren Planeten. Nur Roboter-Raumstationen und NASA-Astronauten legten diese Distanzen während der Mondlandung 1970 zurück.
• Interstellarer Raum – die Entfernung von der Erde wird bereits in Milliarden Kilometern gemessen.
• Intergalaktischer Raum, dessen Entfernung etwa 5 Trillionen Kilometer beträgt. All dies ist angesichts der Größe des Universums unbedeutend.

Wie groß ist die Welt?

Nach allem, was Sie gelesen haben, lohnt es sich, darüber nachzudenken, wie riesig die Welt ist, in der wir leben. Menschen sind nur Mikroben im Vergleich zu Galaxien und dem Weltraum, ganz zu schweigen davon. Darüber hinaus ist die Größe des Universums unvorstellbar. Und es ist unwahrscheinlich, dass wir es jemals erfahren werden.

In der Kosmologie gibt es noch keine eindeutige Antwort auf die Frage, die sich auf das Alter, die Form und die Größe des Universums auswirkt, und es besteht auch kein Konsens über seine Endlichkeit. Denn wenn das Universum endlich ist, muss es sich entweder zusammenziehen oder ausdehnen. Wenn es unendlich ist, werden viele Annahmen bedeutungslos.

Im Jahr 1744 hatte der Astronom J.F. Shezo war der erste, der am Universum zweifelte

Unendlich: Wenn die Anzahl der Sterne keine Grenzen kennt, warum funkelt der Himmel dann nicht und warum ist es dunkel? Im Jahr 1823 argumentierte G. Albes für die Existenz von Grenzen des Universums mit der Tatsache, dass das Licht, das von entfernten Sternen auf die Erde kommt, aufgrund der Absorption durch Materie, die ihnen in den Weg kommt, schwächer werden sollte. Aber in diesem Fall sollte sich diese Substanz selbst erhitzen und nicht schlimmer leuchten als jeder Stern. wurde in der modernen Wissenschaft bestätigt, die behauptet, dass das Vakuum „nichts“ sei, gleichzeitig aber reale physikalische Eigenschaften habe. Natürlich führt die Absorption durch Vakuum zu einem Temperaturanstieg, was dazu führt, dass Vakuum zu einer sekundären Strahlungsquelle wird. Wenn also die Dimensionen des Universums tatsächlich unendlich sind, dann weist das Licht von Sternen, die die maximale Entfernung erreicht haben, eine so starke Rotverschiebung auf, dass es beginnt, mit der Hintergrundstrahlung (Sekundärstrahlung) des Vakuums zu verschmelzen.

Gleichzeitig können wir sagen, dass das, was die Menschheit beobachten kann, endlich ist, da die Entfernung selbst von 24 Gigaparsex endlich ist und die Grenze des hellen kosmischen Horizonts darstellt. Aufgrund der zunehmenden Entwicklung ist das Ende des Universums jedoch noch 93 Milliarden entfernt

Das wichtigste Ergebnis der Kosmologie war die Tatsache der Expansion des Universums. Es wurde aus Rotverschiebungsbeobachtungen gewonnen und dann gemäß dem Hubble-Gesetz quantifiziert. Dies führte Wissenschaftler zu dem Schluss, dass die Urknalltheorie bestätigt wird. Laut NASA,

die mit WMAP ab dem Zeitpunkt des Urknalls ermittelt wurden, entspricht 13,7 Milliarden Jahren. Dieses Ergebnis ist jedoch nur möglich, wenn wir davon ausgehen, dass das der Analyse zugrunde liegende Modell korrekt ist. Bei Verwendung anderer Bewertungsmethoden werden völlig andere Daten gewonnen.

Wenn man auf die Struktur des Universums eingeht, kann man nicht umhin, etwas über seine Form zu sagen. Die dreidimensionale Figur, die ihr Abbild am besten darstellen würde, wurde noch nicht gefunden. Diese Komplexität ist darauf zurückzuführen, dass noch immer nicht sicher bekannt ist, ob das Universum flach ist. Der zweite Aspekt hängt mit der Tatsache zusammen, dass die vielfältigen Zusammenhänge nicht genau bekannt sind. Wenn dementsprechend die Größe des Universums räumlich begrenzt ist, kann man bei geradliniger Bewegung und in jede Richtung am Ausgangspunkt landen.

Wie wir sehen, hat der technische Fortschritt noch nicht das Niveau erreicht, um Fragen zum Alter, zur Struktur und zur Größe des Universums genau zu beantworten. Viele Theorien der Kosmologie konnten bisher nicht bestätigt, aber auch nicht widerlegt werden.

Die Portalseite ist eine Informationsquelle, auf der Sie viel nützliches und interessantes Wissen rund um den Weltraum erhalten können. Zunächst werden wir über unser und andere Universen sprechen, über Himmelskörper, Schwarze Löcher und Phänomene in den Tiefen des Weltraums.

Die Gesamtheit von allem, was existiert, Materie, einzelne Teilchen und der Raum zwischen diesen Teilchen, wird Universum genannt. Nach Angaben von Wissenschaftlern und Astrologen beträgt das Alter des Universums etwa 14 Milliarden Jahre. Die Größe des sichtbaren Teils des Universums beträgt etwa 14 Milliarden Lichtjahre. Und einige behaupten, dass sich das Universum über 90 Milliarden Lichtjahre erstreckt. Der Einfachheit halber ist es üblich, bei der Berechnung solcher Entfernungen den Parsec-Wert zu verwenden. Ein Parsec entspricht 3,2616 Lichtjahren, das heißt, ein Parsec ist die Entfernung, über die der durchschnittliche Radius der Erdumlaufbahn in einem Winkel von einer Bogensekunde betrachtet wird.

Mit diesen Indikatoren können Sie die kosmische Entfernung von einem Objekt zum anderen berechnen. Beispielsweise beträgt die Entfernung unseres Planeten zum Mond 300.000 km oder 1 Lichtsekunde. Folglich erhöht sich dieser Abstand zur Sonne auf 8,31 Lichtminuten.

Im Laufe der Geschichte haben Menschen versucht, Rätsel rund um den Weltraum und das Universum zu lösen. In den Artikeln auf der Portalseite erfahren Sie nicht nur etwas über das Universum, sondern auch über moderne wissenschaftliche Ansätze zu seiner Erforschung. Alle Materialien basieren auf den fortschrittlichsten Theorien und Fakten.

Es ist zu beachten, dass das Universum eine große Anzahl verschiedener, den Menschen bekannter Objekte umfasst. Die bekanntesten davon sind Planeten, Sterne, Satelliten, Schwarze Löcher, Asteroiden und Kometen. Im Moment weiß man am meisten über die Planeten Bescheid, da wir auf einem von ihnen leben. Einige Planeten haben ihre eigenen Satelliten. Die Erde hat also ihren eigenen Satelliten – den Mond. Außer unserem Planeten gibt es noch acht weitere, die sich um die Sonne drehen.

Es gibt viele Sterne im Weltraum, aber jeder von ihnen ist anders. Sie haben unterschiedliche Temperaturen, Größen und Helligkeiten. Da alle Sterne unterschiedlich sind, werden sie wie folgt klassifiziert:

Weiße Zwerge;

Riesen;

Überriesen;

Neutronensterne;

Quasare;

Pulsare.

Der dichteste uns bekannte Stoff ist Blei. Auf einigen Planeten kann die Dichte ihrer Substanz tausende Male höher sein als die Dichte von Blei, was für Wissenschaftler viele Fragen aufwirft.

Alle Planeten drehen sich um die Sonne, aber auch sie steht nicht still. Sterne können sich zu Clustern zusammenschließen, die wiederum um ein uns noch unbekanntes Zentrum kreisen. Diese Cluster werden Galaxien genannt. Unsere Galaxie heißt Milchstraße. Alle bisher durchgeführten Studien deuten darauf hin, dass der Großteil der Materie, die Galaxien erzeugen, für den Menschen bislang unsichtbar ist. Aus diesem Grund wurde es Dunkle Materie genannt.

Die Zentren der Galaxien gelten als die interessantesten. Einige Astronomen glauben, dass das mögliche Zentrum der Galaxie ein Schwarzes Loch ist. Dies ist ein einzigartiges Phänomen, das als Ergebnis der Entwicklung eines Sterns entsteht. Aber im Moment sind das alles nur Theorien. Experimente durchzuführen oder solche Phänomene zu untersuchen ist noch nicht möglich.

Neben Galaxien enthält das Universum Nebel (interstellare Wolken aus Gas, Staub und Plasma), kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, die den gesamten Raum des Universums durchdringt, und viele andere wenig bekannte und sogar völlig unbekannte Objekte.

Zirkulation des Äthers des Universums

Symmetrie und Gleichgewicht materieller Phänomene sind das Hauptprinzip der strukturellen Organisation und Interaktion in der Natur. Darüber hinaus in allen Formen: Sternplasma und Materie, Welt und freigesetzte Äther. Die ganze Essenz solcher Phänomene liegt in ihren Wechselwirkungen und Transformationen, die größtenteils durch den unsichtbaren Äther repräsentiert werden. Sie wird auch Reliktstrahlung genannt. Dabei handelt es sich um kosmische Hintergrundstrahlung im Mikrowellenbereich mit einer Temperatur von 2,7 K. Man geht davon aus, dass dieser schwingende Äther die grundlegende Grundlage für alles ist, was das Universum erfüllt. Die Anisotropie der Ätherverteilung hängt mit den Richtungen und der Intensität seiner Bewegung in verschiedenen Bereichen des unsichtbaren und sichtbaren Raums zusammen. Die ganze Schwierigkeit des Studiums und der Forschung ist durchaus vergleichbar mit den Schwierigkeiten, turbulente Prozesse in Gasen, Plasmen und flüssigen Stoffen zu untersuchen.

Warum glauben viele Wissenschaftler, dass das Universum mehrdimensional ist?

Nach der Durchführung von Experimenten in Labors und im Weltraum selbst wurden Daten gewonnen, die darauf schließen lassen, dass wir in einem Universum leben, in dem der Standort jedes Objekts durch Zeit und drei Raumkoordinaten charakterisiert werden kann. Aus diesem Grund entsteht die Annahme, dass das Universum vierdimensional ist. Einige Wissenschaftler, die Theorien über Elementarteilchen und Quantengravitation entwickeln, könnten jedoch zu dem Schluss kommen, dass die Existenz einer großen Anzahl von Dimensionen einfach notwendig ist. Einige Modelle des Universums schließen nicht bis zu 11 Dimensionen aus.

Es sollte berücksichtigt werden, dass die Existenz eines mehrdimensionalen Universums mit hochenergetischen Phänomenen möglich ist – Schwarze Löcher, der Urknall, Explosionen. Zumindest ist dies eine der Ideen führender Kosmologen.

Das Modell des expandierenden Universums basiert auf der Allgemeinen Relativitätstheorie. Es wurde vorgeschlagen, die Rotverschiebungsstruktur angemessen zu erklären. Die Expansion begann zeitgleich mit dem Urknall. Seinen Zustand verdeutlicht die Oberfläche eines aufgeblasenen Gummiballs, auf den Punkte – extragalaktische Objekte – aufgetragen wurden. Wenn ein solcher Ball aufgeblasen wird, entfernen sich alle seine Spitzen voneinander, unabhängig von der Position. Der Theorie zufolge kann sich das Universum entweder unbegrenzt ausdehnen oder zusammenziehen.

Baryonische Asymmetrie des Universums

Der deutliche Anstieg der Zahl der Elementarteilchen gegenüber der gesamten Zahl der im Universum beobachteten Antiteilchen wird als Baryonenasymmetrie bezeichnet. Zu den Baryonen zählen Neutronen, Protonen und einige andere kurzlebige Elementarteilchen. Dieses Missverhältnis entstand im Zeitalter der Vernichtung, nämlich drei Sekunden nach dem Urknall. Bis zu diesem Zeitpunkt entsprachen die Anzahl der Baryonen und Antibaryonen einander. Bei der Massenvernichtung elementarer Antiteilchen und Teilchen schlossen sich die meisten von ihnen zu Paaren zusammen und verschwanden, wodurch elektromagnetische Strahlung entstand.

Age of the Universe auf der Portal-Website

Moderne Wissenschaftler gehen davon aus, dass unser Universum etwa 16 Milliarden Jahre alt ist. Schätzungen zufolge dürfte das Mindestalter 12 bis 15 Milliarden Jahre betragen. Das Minimum wird von den ältesten Sternen unserer Galaxie abgestoßen. Sein tatsächliches Alter kann nur mit dem Hubble-Gesetz bestimmt werden, aber real bedeutet nicht genau.

Sichthorizont

Eine Kugel mit einem Radius, der der Entfernung entspricht, die das Licht während der gesamten Existenz des Universums zurücklegt, wird als Sichtbarkeitshorizont bezeichnet. Die Existenz eines Horizonts ist direkt proportional zur Expansion und Kontraktion des Universums. Nach Friedmans kosmologischem Modell begann sich das Universum vor etwa 15 bis 20 Milliarden Jahren aus einer singulären Entfernung auszudehnen. Während der gesamten Zeit legt das Licht im expandierenden Universum eine Reststrecke zurück, nämlich 109 Lichtjahre. Aus diesem Grund kann jeder Beobachter zum Zeitpunkt t0 nach Beginn des Expansionsprozesses nur einen kleinen, durch eine Kugel begrenzten Teil beobachten, der zu diesem Zeitpunkt den Radius I hat. Die Körper und Objekte, die sich zu diesem Zeitpunkt außerhalb dieser Grenze befinden, sind: grundsätzlich nicht beobachtbar. Das von ihnen reflektierte Licht hat einfach keine Zeit, den Betrachter zu erreichen. Dies ist selbst dann nicht möglich, wenn das Licht zu Beginn des Expansionsprozesses ausging.

Aufgrund der Absorption und Streuung im frühen Universum konnten sich Photonen aufgrund der hohen Dichte nicht in einer freien Richtung ausbreiten. Daher kann der Beobachter nur die Strahlung erkennen, die in der Ära des strahlungstransparenten Universums auftrat. Diese Epoche wird durch die Zeit t»300.000 Jahre, die Dichte der Substanz r»10-20 g/cm3 und den Zeitpunkt der Wasserstoffrekombination bestimmt. Aus all dem folgt, dass der Rotverschiebungswert für sie umso größer ist, je näher die Quelle in der Galaxie liegt.

Urknall

Der Moment, in dem das Universum begann, wird Urknall genannt. Dieses Konzept basiert auf der Tatsache, dass es zunächst einen Punkt (Singularitätspunkt) gab, in dem alle Energie und alle Materie vorhanden waren. Als Grundlage des Merkmals wird die hohe Dichte der Materie angesehen. Was vor dieser Singularität geschah, ist unbekannt.

Es gibt keine genauen Informationen über die Ereignisse und Bedingungen, die zum Zeitpunkt von 5*10-44 Sekunden (dem Zeitpunkt des Endes des 1. Zeitquantums) eingetreten sind. Aus physikalischer Sicht kann man damals nur davon ausgehen, dass die Temperatur damals etwa 1,3 * 1032 Grad betrug und die Materiedichte etwa 1096 kg/m 3 betrug. Diese Werte sind die Grenzen für die Anwendung vorhandener Ideen. Sie entstehen durch den Zusammenhang zwischen der Gravitationskonstante, der Lichtgeschwindigkeit, den Boltzmann- und Planck-Konstanten und werden „Planck-Konstanten“ genannt.

Die Ereignisse, die mit 5*10-44 bis 10-36 Sekunden verbunden sind, spiegeln das Modell des „inflationären Universums“ wider. Der Moment von 10-36 Sekunden wird als Modell des „heißen Universums“ bezeichnet.

Im Zeitraum von 1-3 bis 100-120 Sekunden entstanden Heliumkerne und eine kleine Anzahl von Kernen anderer leichter chemischer Elemente. Von diesem Moment an begann sich im Gas ein Verhältnis auszubilden: Wasserstoff 78 %, Helium 22 %. Vor einer Million Jahren begann die Temperatur im Universum auf 3.000–45.000 K zu sinken, und das Zeitalter der Rekombination begann. Zuvor freie Elektronen begannen sich mit leichten Protonen und Atomkernen zu verbinden. Helium- und Wasserstoffatome sowie eine kleine Anzahl von Lithiumatomen tauchten auf. Die Substanz wurde transparent und die noch heute beobachtete Strahlung wurde von ihr abgekoppelt.

Die nächsten Milliarden Jahre der Existenz des Universums waren durch einen Temperaturabfall von 3000-45000 K auf 300 K gekennzeichnet. Wissenschaftler nannten diesen Zeitraum für das Universum das „Dunkle Zeitalter“, da es noch keine Quellen elektromagnetischer Strahlung gab erschien. Im gleichen Zeitraum verdichtete sich die Heterogenität des Ausgangsgasgemisches durch den Einfluss der Gravitationskräfte. Nachdem sie diese Prozesse am Computer simuliert hatten, stellten Astronomen fest, dass dies irreversibel zur Entstehung von Riesensternen führte, die die Masse der Sonne um ein Millionenfaches übertrafen. Aufgrund ihrer Masse erhitzten sich diese Sterne auf unglaublich hohe Temperaturen und entwickelten sich über einen Zeitraum von mehreren zehn Millionen Jahren, bevor sie als Supernovae explodierten. Durch die Erhitzung auf hohe Temperaturen erzeugten die Oberflächen solcher Sterne starke Ströme ultravioletter Strahlung. Damit begann eine Zeit der Reionisierung. Das durch solche Phänomene entstandene Plasma begann, elektromagnetische Strahlung in ihren spektralen Kurzwellenbereichen stark zu streuen. In gewisser Weise begann das Universum in einen dichten Nebel zu versinken.

Diese riesigen Sterne waren die ersten Quellen im Universum für chemische Elemente, die viel schwerer als Lithium sind. Es begannen sich Weltraumobjekte der 2. Generation zu bilden, die die Kerne dieser Atome enthielten. Diese Sterne entstanden aus Mischungen schwerer Atome. Es kam zu einer wiederholten Art der Rekombination der meisten Atome intergalaktischer und interstellarer Gase, was wiederum zu einer neuen Transparenz des Raums für elektromagnetische Strahlung führte. Das Universum ist genau das geworden, was wir jetzt beobachten können.

Beobachtbare Struktur des Universums auf dem Website-Portal

Der beobachtete Teil ist räumlich inhomogen. Die meisten Galaxienhaufen und einzelne Galaxien bilden eine Zell- oder Wabenstruktur. Sie bauen Zellwände auf, die einige Megaparsec dick sind. Diese Zellen werden „Leerstellen“ genannt. Sie zeichnen sich durch eine große Größe von mehreren zehn Megaparsec aus und enthalten gleichzeitig keine Substanzen mit elektromagnetischer Strahlung. Der Hohlraum macht etwa 50 % des Gesamtvolumens des Universums aus.

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Die Größe des Weltraums ist schwer vorstellbar und noch schwieriger genau zu bestimmen. Aber dank der genialen Vermutungen der Physiker glauben wir, eine gute Vorstellung davon zu haben, wie groß der Kosmos ist. „Lasst uns einen Spaziergang machen“, lud der amerikanische Astronom Harlow Shapley 1920 zu einem Publikum in Washington, D.C. ein. Zusammen mit seinem Kollegen Heber Curtis nahm er an der sogenannten Großen Debatte über die Größenordnung des Universums teil.

Shapley glaubte, dass unsere Galaxie einen Durchmesser von 300.000 hatte. Das ist dreimal mehr als derzeit angenommen wird, aber für die damalige Zeit waren die Messungen recht gut. Insbesondere berechnete er die im Allgemeinen korrekten Proportionalabstände innerhalb der Milchstraße – zum Beispiel unsere Position relativ zum Zentrum.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts schienen 300.000 Lichtjahre vielen Zeitgenossen Shapleys jedoch eine absurd große Zahl zu sein. Und die Vorstellung, dass andere wie die Milchstraße – die in sichtbar waren – genauso groß seien, wurde überhaupt nicht ernst genommen.

Und Shapley selbst glaubte, dass die Milchstraße etwas Besonderes sein sollte. „Selbst wenn die Spiralen dargestellt werden, sind sie in ihrer Größe nicht mit unserem Sternensystem vergleichbar“, sagte er seinen Zuhörern.

Curtis war anderer Meinung. Er dachte, und das zu Recht, dass es im Universum viele andere Galaxien gäbe, die wie unsere verstreut seien. Doch sein Ausgangspunkt war die Annahme, dass die Milchstraße viel kleiner sei, als Shapley berechnet hatte. Nach den Berechnungen von Curtis hatte die Milchstraße nur einen Durchmesser von 30.000 Lichtjahren – also dreimal kleiner als moderne Berechnungen zeigen.

Dreimal mehr, dreimal weniger – wir sprechen von so großen Entfernungen, dass es durchaus verständlich ist, dass Astronomen, die vor hundert Jahren über dieses Thema nachgedacht haben, so falsch liegen konnten.

Heute sind wir ziemlich sicher, dass die Milchstraße einen Durchmesser zwischen 100.000 und 150.000 Lichtjahren hat. Das beobachtbare Universum ist natürlich viel, viel größer. Es wird angenommen, dass er einen Durchmesser von 93 Milliarden Lichtjahren hat. Aber warum so viel Vertrauen? Wie kann man so etwas überhaupt messen?

Seitdem Kopernikus erklärt hat, dass die Erde nicht der Mittelpunkt ist, haben wir uns immer damit abgemüht, unsere Vorstellungen darüber, was das Universum ist – und insbesondere darüber, wie groß es sein kann, neu zu formulieren. Wie wir sehen werden, sammeln wir auch heute noch neue Beweise dafür, dass das gesamte Universum viel größer sein könnte, als wir kürzlich dachten.

Caitlin Casey, Astronomin an der University of Texas in Austin, erforscht das Universum. Sie sagt, Astronomen hätten eine Reihe hochentwickelter Instrumente und Messsysteme entwickelt, um nicht nur die Entfernung von der Erde zu anderen Körpern in unserem Sonnensystem, sondern auch die Lücken zwischen Galaxien und sogar bis zum äußersten Ende des beobachtbaren Universums zu berechnen.

Die Schritte zur Messung all dessen durchlaufen die Entfernungsskala der Astronomie. Die erste Stufe dieser Skala ist recht einfach und basiert heutzutage auf moderner Technologie.

„Wir können Radiowellen einfach von nahegelegenen Wellen im Sonnensystem abprallen lassen, etwa von und, und die Zeit messen, die diese Wellen brauchen, um zur Erde zurückzukehren“, sagt Casey. „Die Messungen werden daher sehr genau sein.“

Große Radioteleskope wie das in Puerto Rico können diese Aufgabe übernehmen – aber sie können noch mehr. Arecibo beispielsweise kann die um unser Sonnensystem fliegenden Asteroiden erkennen und sogar abbilden, je nachdem, wie die Radiowellen von der Oberfläche des Asteroiden reflektiert werden.

Aber die Verwendung von Radiowellen zur Messung von Entfernungen außerhalb unseres Sonnensystems ist unpraktisch. Der nächste Schritt in dieser kosmischen Skala ist die Messung der Parallaxe. Wir tun dies ständig, ohne es zu merken. Menschen verstehen, wie viele Tiere, intuitiv den Abstand zwischen sich und Objekten, da wir zwei Augen haben.

Wenn Sie einen Gegenstand vor sich halten – zum Beispiel Ihre Hand – und ihn mit einem offenen Auge betrachten und dann zum anderen Auge wechseln, sehen Sie, wie sich Ihre Hand leicht bewegt. Dies nennt man Parallaxe. Aus der Differenz dieser beiden Beobachtungen lässt sich die Entfernung zum Objekt bestimmen.

Unser Gehirn tut dies auf natürliche Weise mit Informationen aus beiden Augen, und Astronomen tun dasselbe mit nahegelegenen Sternen, nur dass sie einen anderen Sinn verwenden: Teleskope.

Stellen Sie sich zwei Augen vor, die im Weltraum schweben, auf beiden Seiten unserer Sonne. Dank der Erdumlaufbahn verfügen wir über diese Augen und können mit dieser Methode die Verschiebung von Sternen relativ zu Objekten im Hintergrund beobachten.

„Wir messen die Positionen der Sterne am Himmel beispielsweise im Januar, warten dann sechs Monate und messen die Positionen derselben Sterne im Juli, wenn wir uns auf der anderen Seite der Sonne befinden“, sagt Casey.

Es gibt jedoch einen Schwellenwert, ab dem Objekte bereits so weit entfernt sind – etwa 100 Lichtjahre –, dass die beobachtete Verschiebung zu gering ist, um eine brauchbare Berechnung zu ermöglichen. In dieser Entfernung sind wir immer noch weit vom Rand unserer eigenen Galaxie entfernt.

Der nächste Schritt ist die Installation der Hauptsequenz. Es beruht auf unserem Wissen darüber, wie sich Sterne einer bestimmten Größe – sogenannte Hauptreihensterne – im Laufe der Zeit entwickeln.

Erstens ändern sie ihre Farbe und werden mit zunehmendem Alter rötlicher. Indem wir ihre Farbe und Helligkeit genau messen und diese dann mit dem vergleichen, was über die Entfernung zu Hauptreihensternen bekannt ist, gemessen anhand der trigonometrischen Parallaxe, können wir die Position dieser weiter entfernten Sterne abschätzen.

Das Prinzip dieser Berechnungen ist, dass Sterne gleicher Masse und gleichen Alters für uns gleich hell erscheinen würden, wenn sie sich in der gleichen Entfernung von uns befänden. Da dies jedoch häufig nicht der Fall ist, können wir anhand der Messdifferenz ermitteln, wie weit sie tatsächlich entfernt sind.

Die für diese Analyse verwendeten Hauptreihensterne gelten als eine Art „Standardkerzen“ – Körper, deren Größe (oder Helligkeit) wir mathematisch berechnen können. Diese Kerzen sind über den gesamten Weltraum verstreut und erhellen das Universum vorhersehbar. Aber Hauptreihensterne sind nicht die einzigen Beispiele.

Dieses Verständnis darüber, wie Helligkeit mit der Entfernung zusammenhängt, ermöglicht es uns, Entfernungen zu noch weiter entfernten Objekten – wie Sternen in anderen Galaxien – zu verstehen. Der Hauptreihenansatz wird nicht mehr funktionieren, da das Licht dieser Sterne – die Millionen von Lichtjahren, wenn nicht noch mehr – entfernt sind, schwer genau zu analysieren ist.

Doch 1908 machte eine Wissenschaftlerin namens Henrietta Swan Leavitt aus Harvard eine fantastische Entdeckung, die uns dabei half, diese kolossalen Entfernungen zu messen. Swan Leavitt erkannte, dass es eine besondere Klasse von Sternen gab – .

„Sie bemerkte, dass eine bestimmte Art von Sternen ihre Helligkeit im Laufe der Zeit ändert, und diese Änderung der Helligkeit im Pulsieren dieser Sterne steht in direktem Zusammenhang damit, wie hell sie von Natur aus sind“, sagt Casey.

Mit anderen Worten: Ein hellerer Cepheiden-Stern „pulsiert“ langsamer (über viele Tage hinweg) als ein schwächerer Cepheiden-Stern. Da Astronomen den Puls des Cepheiden ganz einfach messen können, können sie sagen, wie hell der Stern ist. Indem sie dann beobachten, wie hell es uns erscheint, können sie seine Entfernung berechnen.

Dieses Prinzip ähnelt dem Hauptsequenzansatz darin, dass die Helligkeit entscheidend ist. Wichtig ist jedoch, dass die Entfernung auf unterschiedliche Weise gemessen werden kann. Und je mehr Möglichkeiten wir haben, Entfernungen zu messen, desto besser können wir die wahre Größe unseres kosmischen Hinterhofs verstehen.

Es war die Entdeckung solcher Sterne in unserer eigenen Galaxie, die Harlow Shapley von ihrer Größe überzeugte.

In den frühen 1920er Jahren entdeckte Edwin Hubble einen Cepheiden am nächsten und kam zu dem Schluss, dass er nur eine Million Lichtjahre entfernt war.

Heute gehen wir nach unserer besten Schätzung davon aus, dass diese Galaxie 2,54 Millionen Lichtjahre entfernt ist. Daher lag Hubble falsch. Aber das tut seinen Verdiensten keinen Abbruch. Weil wir immer noch versuchen, die Entfernung nach Andromeda zu berechnen. 2,54 Millionen Jahre – diese Zahl ist im Wesentlichen das Ergebnis relativ aktueller Berechnungen.

Schon jetzt ist das Ausmaß des Universums schwer vorstellbar. Wir können es abschätzen, und zwar sehr gut, aber in Wahrheit ist es sehr schwierig, die Abstände zwischen Galaxien genau zu berechnen. Das Universum ist unglaublich groß. Und es ist nicht auf unsere Galaxie beschränkt.

Hubble hat auch die Helligkeit des explodierenden Typs 1A gemessen. Sie können in ziemlich weit entfernten Galaxien gesehen werden, die Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Da die Helligkeit dieser Berechnungen berechnet werden kann, können wir genau wie bei den Cepheiden bestimmen, wie weit sie entfernt sind. Supernovae und Cepheiden vom Typ 1A sind Beispiele für das, was Astronomen als Standardkerzen bezeichnen.

Es gibt noch eine weitere Eigenschaft des Universums, die uns helfen kann, wirklich große Entfernungen zu messen. Das ist Rotverschiebung.

Wenn Sie schon einmal die Sirene eines Krankenwagens oder eines Polizeiautos an sich vorbeirasen hören, kennen Sie den Doppler-Effekt. Nähert sich der Krankenwagen, wird die Sirene lauter, entfernt er sich, erlischt die Sirene wieder.

Das Gleiche passiert mit Lichtwellen, nur in kleinem Maßstab. Wir können diese Veränderung erkennen, indem wir das Lichtspektrum entfernter Körper analysieren. In diesem Spektrum gibt es dunkle Linien, weil einzelne Farben von Elementen in und um die Lichtquelle absorbiert werden – zum Beispiel von der Oberfläche von Sternen.

Je weiter Objekte von uns entfernt sind, desto weiter verschieben sich diese Linien in Richtung des roten Endes des Spektrums. Und das liegt nicht nur daran, dass Objekte weit von uns entfernt sind, sondern auch daran, dass sie sich im Laufe der Zeit aufgrund der Expansion des Universums von uns entfernen. Und die Beobachtung der Rotverschiebung des Lichts entfernter Galaxien liefert uns tatsächlich den Beweis dafür, dass sich das Universum tatsächlich ausdehnt.

Das Universum ist alles, was existiert. Das Universum ist grenzenlos. Wenn wir über die Größe des Universums sprechen, können wir daher nur über die Größe seines beobachtbaren Teils – des beobachtbaren Universums – sprechen.

Das beobachtbare Universum ist eine Kugel mit einem Mittelpunkt auf der Erde (dem Ort des Beobachters) und hat zwei Größen: 1. scheinbare Größe – Hubble-Radius – 13,75 Milliarden Lichtjahre, 2. tatsächliche Größe – Teilchenhorizontradius – 45,7 Milliarden Lichtjahre.

Das moderne Modell des Universums wird auch ΛCDM-Modell genannt. Der Buchstabe „Λ“ bedeutet das Vorhandensein einer kosmologischen Konstante, die die beschleunigte Expansion des Universums erklärt. „CDM“ bedeutet, dass das Universum mit kalter dunkler Materie gefüllt ist. Aktuelle Studien zeigen, dass die Hubble-Konstante etwa 71 (km/s)/Mpc beträgt, was dem Alter des Universums von 13,75 Milliarden Jahren entspricht. Wenn wir das Alter des Universums kennen, können wir die Größe seiner beobachtbaren Region abschätzen.

Nach der Relativitätstheorie können Informationen über ein Objekt einen Beobachter nicht mit einer Geschwindigkeit erreichen, die größer als die Lichtgeschwindigkeit (299.792.458 km/s) ist. Es stellt sich heraus, Der Beobachter sieht nicht nur ein Objekt, sondern seine Vergangenheit. Je weiter ein Objekt von ihm entfernt ist, desto ferner blickt es in die Vergangenheit. Wenn wir zum Beispiel den Mond betrachten, sehen wir, wie er vor etwas mehr als einer Sekunde war, die Sonne – vor mehr als acht Minuten, die nächsten Sterne – vor Jahren, Galaxien – vor Millionen von Jahren usw. In Einsteins stationärem Modell hat das Universum keine Altersgrenze, was bedeutet, dass sein beobachtbarer Bereich auch durch nichts begrenzt ist. Der mit immer ausgefeilteren astronomischen Instrumenten ausgerüstete Beobachter wird immer weiter entfernte und antike Objekte beobachten.

Dimensionen des beobachtbaren Universums

Mit dem modernen Modell des Universums haben wir ein anderes Bild. Demnach hat das Universum ein Alter und damit eine Beobachtungsgrenze. Das heißt, seit der Geburt des Universums konnte kein Photon eine Distanz von mehr als 13,75 Milliarden Lichtjahren zurückgelegt haben. Es stellt sich heraus, dass wir sagen können, dass das beobachtbare Universum vom Beobachter auf eine kugelförmige Region mit einem Radius von 13,75 Milliarden Lichtjahren beschränkt ist. Dies ist jedoch nicht ganz richtig. Wir sollten die Ausdehnung des Weltraums nicht vergessen. Wenn das Photon den Beobachter erreicht, ist das Objekt, das es emittiert hat, bereits 45,7 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. Diese Größe ist der Horizont der Teilchen, sie ist die Grenze des beobachtbaren Universums.

Die Größe des beobachtbaren Universums wird also in zwei Typen unterteilt. Scheinbare Größe, auch Hubble-Radius genannt (13,75 Milliarden Lichtjahre). Und die tatsächliche Größe, genannt Teilchenhorizont (45,7 Milliarden Lichtjahre).

Wichtig ist, dass diese beiden Horizonte überhaupt nicht die tatsächliche Größe des Universums charakterisieren. Sie hängen zum einen von der Position des Beobachters im Raum ab. Zweitens verändern sie sich im Laufe der Zeit. Im Fall des ΛCDM-Modells dehnt sich der Teilchenhorizont mit einer Geschwindigkeit aus, die größer ist als der Hubble-Horizont. Die Frage, ob sich dieser Trend in Zukunft ändern wird, beantwortet die moderne Wissenschaft nicht. Wenn wir jedoch davon ausgehen, dass sich das Universum mit Beschleunigung weiter ausdehnt, werden alle Objekte, die wir jetzt sehen, früher oder später aus unserem „Sichtfeld“ verschwinden.

Derzeit ist das am weitesten von Astronomen beobachtete Licht . Beim Blick hinein sehen Wissenschaftler das Universum so, wie es 380.000 Jahre nach dem Urknall aussah. In diesem Moment kühlte sich das Universum so weit ab, dass es freie Photonen aussenden konnte, die heute mit Hilfe von Radioteleskopen nachgewiesen werden. Zu dieser Zeit gab es im Universum weder Sterne noch Galaxien, sondern nur eine kontinuierliche Wolke aus Wasserstoff, Helium und einer unbedeutenden Menge anderer Elemente. Aus den in dieser Wolke beobachteten Inhomogenitäten werden sich anschließend Galaxienhaufen bilden. Es zeigt sich, dass genau die Objekte, die aus Inhomogenitäten der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung entstehen, am nächsten zum Teilchenhorizont liegen.

Wirkliche Größe des Universums

Wir haben uns also für die Größe des beobachtbaren Universums entschieden. Aber wie sieht es mit der tatsächlichen Größe des gesamten Universums aus? Die moderne Wissenschaft verfügt nicht über Informationen über die tatsächliche Größe des Universums und darüber, ob es Grenzen hat. Aber die meisten Wissenschaftler sind sich einig, dass das Universum grenzenlos ist.

Abschluss

Das beobachtbare Universum hat eine scheinbare und eine wahre Grenze, die als Hubble-Radius (13,75 Milliarden Lichtjahre) bzw. Teilchenradius (45,7 Milliarden Lichtjahre) bezeichnet wird. Diese Grenzen hängen vollständig von der Position des Beobachters im Raum ab und dehnen sich mit der Zeit aus. Wenn sich der Hubble-Radius streng mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnt, dann wird die Ausdehnung des Teilchenhorizonts beschleunigt. Offen bleibt die Frage, ob die Beschleunigung des Teilchenhorizonts anhält und ob sie durch Kompression ersetzt wird.