Das Universum kann nicht unendlich sein - weil sonst würden wir nicht "nur" 13 Milliarden Lichtjahre weit sehen oder?
11 Antworten
Wir können auf der Erde auch nur bis zum Horizont sehen und nicht die ganze Erde. So einen Horizont gibt es als Sichtgrenze auch beim Universum (Partikelhorizont bzw. Beobachtungshorizont), nur eben in drei Dimensionen. Das man nicht weiter sehen kann hängt damit zusammen, dass sich der Raum hinter dem Partikelhorizont von uns aus gesehen mit Überlichtgeschwindigkeit ausdehnt, daher kann uns Licht aus dem Bereich nicht erreichen. Das unsichtbare Universum ist viel größer als das sichtbare, wahrscheinlich sogar unendlich, zumindest ohne Grenze. Im Übrigen ist der Partikelhorizont heute nicht 13,8 Milliarden Lichtjahre entfernt, sondern etwa 46 Milliarden Lichtjahre, denn bis uns das Licht der Objekte im Bereich des Partikelhorizonts erreicht hat, hat sich das Universum weiter ausgedehnt und das noch beschleunigt.
"nur" 13 Milliarden Lichtjahre
Das ist nicht richtig! Das beobachtbare Universum hat einen geschätzten Durchmesser von etwa 93 Milliarden Lichtjahren.
Das hat seine Ursache darin, dass sich das Universum nach dem Urknall während der sogenannten Inflation extrem schnell ausdehnte (Die Lichtgeschwindigkeit spielt da keine Rolle, weil sich nur der Raum zwischen der Materie ausdehnte).
Man kann sich das so vorstellen, wie ein Teig mit Rosinen - die Rosinen sind die Materie und der Teig der Raum. Beim Backvorgang bläht sich der Teig auf und die Rosinen entfernen sich voneinander ohne sich selbst zu bewegen.
Eine harte Grenze der Beobachtbarkeit - aber nicht der Größe! - des Universums besteht darin, dass sich der Raum auch noch jetzt ausdehnt. Je weiter weg von uns sich Objekte (Sterne und Galaxien) befinden, desto schneller entfernen sie sich von uns (Rotverschiebung!). Objekte, die so weit von uns entfernt sind, dass sie sich aufgrund der Ausdehnung des Universum mit mehr als Lichtgeschwindigkeit von uns entfernen, können wir nicht mehr sehen, weil ihr Licht uns aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit nicht mehr erreichen kann.
Grundsätzlich wissen wir also nicht, ob das Universum unendlich groß ist oder eine endliche Größe hat.
Horizonte begrenzen unsere Sicht, auch in unendlichen Universen. Dazu versteht man am besten zu erst die...
Hubblekonstante
Unter der Annahme einer linearen Ausdehnung des Universums ist der Skalenfaktor a(t) =D(t)/D0 einer beliebigen Distanz D und der Distanz D0 zum Zeitpunkt t0 im Universum linear abhängig von der Zeit t:
a = da/dt*t (1) mit einer Ausdehnungsgeschwindigkeit
da/dt = H*a (2)
Der Faktor H ist die Hubblekonstante (die besser Hubbleparameter heißen sollte, weil sie nicht konstant ist - in der Tat folgt aus einer linearen Ausdehnung konstante Ausdehnungsgeschwindigkeit da/dt und damit H = 1/t mit 1 in 2 eingesetzt), hat beim Urknall eine Polstelle und nimmt seitdem ab, wird aber nie null.
Kosmologischer Horizont
Man kann nun mit der Lichtgeschwindigkeit c einen Radius rH = c/H definieren, der Hubbleradius genannt wird. Für D = rH ist die Geschwindigkeit v(rH) = c, d.h. theoretisch entfernen sich Objekte in dieser Entfernung mit Lichtgeschwindigkeit von uns (die Spezielle Relativitätstheorie gilt nur lokal und wird dadurch nicht verletzt), und man könnte meinen, dass man dann diese Objekte nie mehr sehen kann, weil ihr Licht nicht gegen die Expansionsgeschwindigkeit ankommt, aber:
1. Licht direkt hinter rH kann es, einmal ausgesandt, mit der Zeit innerhalb von rH schaffen und uns letztlich doch erreichen - die korrekte Rechnung beinhaltet eine Integration der Bewegung mitbewegter Koordinaten und des Lichtsignals von t0 bis unendlich und führt hier zu weit - außerdem...
2. ist die o.g. Annahme der linearen Ausdehnung falsch. Die Ausdehnung unterliegt bremsenden und beschleunigenden Einflüssen (zB die Massendichte einschl. dunkler Materie vs. dunkle Energie), deren Stärke nicht zeitlich konstant war oder sein wird. In Abhängigkeit von diesen Einflüssen kann der Kosmologische Horizont sich bei vorwiegender Bremsung weiter ausdehnen und mehr Objekte sichtbar machen, oder bei vorwiegender Beschleunigung schrumpfen und mehr Objekte verbergen.
Aus diesen beiden Gründen liegt der Kosmologische Horizont nicht beim Hubbleradius, sondern nach aktuellem Stand etwas dahinter (etwa 16 Mrd LJ statt 13,4 Mrd LJ). Mit weiterer Ausdehnung des Universums und sinkender Massendichte könnte die Beschleunigung gewinnen - dann würde der Hubbleparameter auf einen konstanten Wert sinken: die Lösung für die Differentialgleichung da/dt = const*a ist dann eine exponentielle Ausdehnung, die den Kosmologischen Horizont schließlich bis auf gravitativ direkt gebundene Strukturen schrumpfen ließe, und die Reste der Vereinigung aus Milchstraße und NGC224 wären allein in der Dunkelheit.
Partikelhorizont.
Wo aber sind die fernsten Objekte, die wir jetzt schon sehen, wirklich? Als ihr Licht ausgesandt wurde, dh kurz nachdem das Universum transparent wurde, waren sie nur einige Mio LJ entfernt. Während ihr Licht im Raum zu uns unterwegs war, bewegte sich dieser Raum aber mit der Expansionsgeschwindigkeit von uns weg und verlängerte die Reisezeit des Lichtes (und seine Wellenlänge), bis das Licht schließlich hier ankam; inzwischen haben sich die damals aussendenden Objekte bis zum sog. Partikelhorizont entfernt (ca 46 Mrd LJ), also weit hinter dem Kosmologischen Horizont.
Wir können nur so weit sehen, wegen dem Licht.
Du kannst jeden Tag einen Tag weiter gucken.
Vor 13mrd jahren wurde Licht geboren und du kannst nur das sehen was das Licht erreicht.
Wir sehen nur 13,7 Milliarden Lichtjahre weit, weil das Universum 13,7 Milliarden Jahre alt ist. Egal wie groß es ist, wir könnten nicht weiter sehen. Zukünftig sehen wir sogar weniger, weil sich die sichtbaren Grenzen mit Überlichtgeschwindigkeit entfernen.
Wir wissen nicht wirklich, was hinter der sichtbaren Grenze ist und auch nicht, wie viel noch dahinter kommt. Man kann aber davon ausgehen, dass da nicht wirklich eine Grenze mit einemmanderen Verhalten vorliegt. Dahinter sieht es hächst wahrscheinlich prinzipiell ganz genauso aus! Viele Sterne und noch mehr Galaxien, deren einzelne Sterne man nicht mehr erkennen kann.