Haben wir das Licht überholt?

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9 Antworten

Hallo Mannimanaste,

wenn wir sagen, wir sehen Licht einer 12 Milliarden Jahre alten Galaxie... dann ist damit gemeint, dass das Licht dieser Galaxie 12 Milliarden Jahre zu uns gebraucht hat. Es ist hier also wirklich eine Laufzeit des Lichtes gemeint.

In dieser Zeit, in der der Lichtstarhl zu uns unterwegs war, hat sich das Universum aber verändert. Es ist viel neuer Raum entstanden zwischen uns und der weit entfernten Galaxie. Einen Teil dieses Raumes hat das Licht auch mit durchqueren müssen, ein Teil ist erst entstanden, als das heute bei uns eintreffende Licht "schon durch" war.

Eine Lichtlaufzeit von 12 Milliarden Jahren bedeutet also, dass das Licht eine weitere Strecke zurückgelegt hat als "nur" 12 Milliarden Lichtjahre. Man spricht hier von der "mitbewegten Entfernung".

Die weitest entfernten Galaxien haben Rotverschiebungen von rund 8, was einer mitbewegten Entfernung von über 30 Milliarden Lichtjahren entspricht. Das gesamte beobachtbare Universum hat dann einen Radius von etwa 45 Milliarden Lichtjahren.

Das Licht hat von diesen Orten also so lange zu uns gebraucht, weil es erheblich mehr Weg zurücklegen musste, um zu uns zu kommen, als einfach nur die Entfernung, die der Lichtlaufzeit entspricht.

Ungefähr klar?

Grüße

Mannimanaste 18.01.2017, 03:04

Hallo Ute,

danke für die Erklärung. Diesen Zusammenhang zwischen Lichtlaufzeit, Expansion des Raumes und tatsächlichen Entfernungen hast Du jetzt sehr schön erklärt (was auch [!] hilfreich für mich ist).

Meine Frage war aber eher die nach dem Phänomen, warum wir überhaupt soweit von dieser besagten Galaxie weg sein können, dass selbst Licht so lange zu uns braucht, OBWOHL unsere Raumregion und die jener Galaxie schließlich GEMEINSAM im Urknall entstanden sind.

Daher meine Ausdrucksweise, dass wir das Licht überholt haben müssten (und zwar mit rasanter Geschwindigkeit, wenn es nun so lange zu uns unterwegs sein kann).

Ich versuche es mal an einem erdbezogenen Beispiel zu erklären:

Stellen wir uns eine Musikergruppe vor, die an einem bestimmten Ort zusammen zu musizieren beginnen und ein Stück zu Ende spielen.

Nun dehnt sich dieser Ort plötzlich aus, so dass die Musiker weiter und weiter voneinander entfernt werden. Nach einigen Jahren hört einer von ihnen plötzlich ein schwaches Geräusch, das wie Musik klingt, und verstärkt es. Dann erkennt er, dass er hier das Lied hört, das er mit den anderen vor Jahren mal gemeinsam gespielt hatte.

Die Ausdehnung des Raums, welche die Musiker voneinander entfernt hatte, muss also deutlich schneller als der Schall gewesen sein, so dass jeder von ihnen nach Jahren plötzlich aus weiter Entfernung die Musik hören kann, die sie früher gemeinsam gespielt hatten.

Sie haben also alle durch die Ausdehnung des Raums den Schall überholt.

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Mojoi 18.01.2017, 16:20
@Mannimanaste

Da unterscheide bitte zwischen dem Signal der Hintergrundstrahlung - das erste Lichtsignal überhaupt - und dem sonstigen Lichtemissionen der Galaxien, die nach dieser Hintergrundstrahlung entstanden sind.

Um mal die Musiker zu nehmen: Der Konzertsaal dehnt sich plötzlich aus, und zwischen allen Musikern sei jetzt 30m Platz.

ERST JETZT beginnen die Musiker den Ton "Mozarts Hintergrundstrahlung No. 4" zu spielen. Ein Ton. Mehr nicht. Dann hören sie auf zu spielen.

Du hörst den letzten Ton abebben von den Musikern, die weiter hinten sitzen. Der Ton wird zwar immer leiser, hört aber nie auf.

Die Musiker spielen erst mal nicht mehr (der abebbende Ton ist aber immernoch zu hören).

Nach fünf Minuten fangen die Musiker an mit der Sonate "Es ist ein Sternlein entstanden". Du hörst das Lied von den nächsten Musikern als erstes. "Hintergrundstrahlung No. 4" ist aber von ganz weiten immernoch zu hören.

Jetzt rücken die Musiker in kleine Grüppchen zusammen, gleichzeitig wird der Konzertsaal gaaanz langsam größer.

Jetzt dringen von weiter weg die Noten von "Es ist ein Sternlein entstanden" an dein Ohr. Es sind die Musiker, die weiter weg sitzen. Aber von noch weiter weg hörst du immernoch "Hintergrundstrahlung".

Und nach vier Wochen hörst du von ziemlich weit weg immernoch "Sternelein", aber von noch viel weiter weg hörst du immernoch "Hintergrundstrahlung".

Da aber "Sternelein" fortwährend gespielt wird, hörst du das Lied von nah und von fern. "Hintergrundstrahlung" wurde aber nur einmal kurz gespielt, darum hörst du es nur von den Musikern, die heute ganz weit weg sind.

Derweil wird der Saal weiterhin größer und die Abstände zwischen den Musikergrüppchen vergrößern sich. Aber niemand überholt irgendwen in irgendeine Richtung.

 

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Mannimanaste 19.01.2017, 15:44
@Mojoi

Hi Mojoi,

vielen Dank für Deine Mühe und das Adaptieren meines Beispiels! Hört sich sehr anschaulich an, was Du geschrieben hast!

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Mojoi 19.01.2017, 16:19
@Mannimanaste

Nachdem du das offensichtlich verstanden hast, möchte ich eine kleine Korrektur einschieben, hinsichtlich der Vergrößerung des Konzertsaales.

Ich schrieb zunächst, das zwischen den Musikern jede Minute ein Meter neuer Konzertsaal eingeschoben wird. Damit würde sich der Saal mit gleichmäßiger Geschwindigkeit ausdehnen, da wir ja von einer gleichbleibenden Zahl Musiker ausgehen.

Nehmen wir mal an, 6 Musiker säßen auf einer Strecke Konzertsaal, die 100m lang ist (ja, der Saal hat sich schon merklich ausgedehnt).

Nach einer Minute würden also 5m eingeschoben. Neue Strecke 105m

Nach zwei Minuten nochmal 5m. Neue Strecke 110m

Drei Minuten - 115m

Vier Minuten - 120m

Fünf Minuten - 125m

Tatsächlich müsste die Analogie so aussehen:

Jede Minute wird alle 20m Konzertsaalboden je ein zusätzlicher Meter eingefügt.

Nach der ersten Minute werden 100/20= 5m eingeschoben, neue Strecke 105m

Zwei Minuten: 105/20= 5m = 110m (wir runden mal ab, die Sache ist schon komplex genug)

Drei Minuten: 110/20= 5m = 115m

Vier Minuten; 115/20= 5m = 120m

Ende der fünften Minute passiert etwas witziges: Der Abstand beträgt jetzt 120m. Jetzt werden 120/20= 6m eingefügt!

Das führt dazu, dass die Abstände zwischen dem ersten und sechsten Musiker immer schneller zunehmen, je weiter sie voneinander entfernt sind.

Einige Musiker bilden Grüppchen und halten sich mit der Hand am Stuhl des Nachbarn fest. Der unter ihren Füßen sich ausdehnende Boden rutscht einfach durch, wenn sie sich fest genug halten.

Musiker, die sich nicht gegenseitig festhalten werden irgendwann mit einer Geschwindigkeit voneinander entfernt, die schneller als der Schall sind.

Das wird dazu führen, dass ab einer bestimmten Entfernung die Musiker nicht mehr zu hören sind. Das gilt auch für "Mozarts Hintergrundstrahlung No. 4"!

Das heißt, es wird einen Zeitpunkt im Universum geben, wo die Hintergrundstrahlung nicht mehr messbar ist!!!

Wir haben also regelrecht Glück, in einer Ära zu leben, wo wir so gerade eben noch diese Strahlung messen können (2 Grad über dem absoluten Nullpunkt ist nicht wirklich viel).

Diese Grenze, aus dem wir das Echo des Urknalls heute hören können (13,7Mrd. Jahre Lichtlaufzeit) und die Grenze, der Ereignishorizont, ab dem sich alles mindestens mit Lichtgeschwindigkeit von uns fortbewegt (ca. 16Mrd. Jahre Entfernung), sind gar nicht mal so weit voneinander entfernt (in kosmischen Maßstäben).

Freilich, die Hintergrundstrahlung, die jetzt aus 15,99Mrd Lichtjahren Entfernung in unserer Richtung unterwegs ist, wird auch irgendwann hier ankommen. Und es wird viiiiiiel Zeit vergehen, bis sie hier ankommt (und solange werden wir auch die Musiker spielen hören). Aber dieses Lichtsignal wird immer langwelliger, bis wir es irgendwann selbst mit den besten Geräten nicht mehr empfangen werden können (Analogie zu den Musikern: Irgendwann wird der Ton unter 16Hz rutschen, und dann ist Schluss mit Mozart).


 

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Mannimanaste 25.01.2017, 01:08
@Mojoi

Vielen Dank @Mojoi!

Wirklich sehr anschaulich anhand des Beispiels mit den Musikern. Ich danke Dir, dass Du so toll darauf eingestiegen bist!   :)

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Mojoi 25.01.2017, 12:22
@Mannimanaste

Danke für das Kompliment! Immer wieder schön, wenn jemand was mit meinen Antworten anfangen kann.

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Licht, das uns heute erreicht, hat die Lichtquelle nicht schon zur Zeit des Urknalls verlassen, sondern erst mindestens 380 000 Jahre später (vorher nämlich war das All noch nicht durchsichtig, da zu der Zeit noch zu viele elektrisch geladene Teilchen  gegeneinander beweglich waren (komplette Atome, die elektrisch neutral sind und daher Licht nicht streuen, waren frühestens etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall in der Überzahl).

Der Ort, an dem wir uns befinden, kann dann aber vom Ort der Lichtquelle schon sehr weit entfernt gewesen sein. Hinzu kommt: Die Lichtgeschwindigkeit ist endlich und konstant, und die Entfernungen im Raum zwischen der Lichtfront und uns haben sich (der Raumexpansion wegen) ständig vergrößert.

Mannimanaste 19.01.2017, 15:57

Hallo grtgrt,

danke für Deine Antwort!

Der Ort, an dem wir uns befinden, kann dann [380 000 Jahre nach dem Urknall] aber vom Ort der Lichtquelle schon sehr weit entfernt gewesen sein.

Vielleicht ist das der springende Punkt, den ich in meinen Überlegungen nicht berücksichtigt hatte...

Die Inflation (inflationäre überlichtschnelle Ausdehnung des Raums) ist in meiner Vorstellung nur sehr schwammig:

  1. Wann begann sie?
  2. Wann hörte sie auf?
  3. Wie groß wurde der Raum in dieser Phase?

Diese drei Fragen sind mir leider völlig unklar...

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Oder nehmen wir einfach eine Galaxie in einer Entfernung von 10 Milliarden Lichtjahren, die wir im Hubble DeepField sehen können. Dieses Licht war 10 Milliarden Jahre unterwegs

nein.

wenn das licht 10 milliarden jahre unterwegs war, dann bedeutet das dass:

  1. die galaxie weniger als 10 milliarden lichtjahre von uns entfernt war, als das licht ausgesandt wurde.
  2. die galaxie heute mehr als 10 milliarden lichtjahre von uns entfernt ist.
  3. das licht eine strecke von 10 milliarden lichtjahren zurückgelegt hat um uns zu erreichen.

in einem expandierendem universum sind alle drei aussagen gleichzeitig wahr.

Wie kann dann aber das Licht einer Galaxie Milliarden Jahre brauchen, um zu uns zu gelangen?

ich sehe das problem nicht. sie war eben als das licht ausgesandt wurde ziemlich weit von uns weg. ganz einfach....

Mannimanaste 18.01.2017, 00:43

Danke für Deine Antwort.

ch sehe das problem nicht. sie war eben als das licht ausgesandt wurde ziemlich weit von uns weg. ganz einfach....

Genau da ist ja das Problem:

Sie war sehr weit von uns entfernt, als das Licht ausgesandt wurde, aber wie kamen wir OHNE ihr Licht so weit weg von ihr, dass wir jetzt zu ihr zurück schauen können, und auf das Licht warten, das sie ausgesendet hat, OBWOHL anfangs (bzw. ganz kurz danach) der gesamte Raum nicht größer als eine Orange war?

Daher der Titel meiner Frage: Haben wir da durch die inflationäre Expansion tatsächlich das Licht der überholt, das wir jetzt nach Milliarden Jahren erst wieder sehen?

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uteausmuenchen 18.01.2017, 01:23
@Mannimanaste

Hallo Mannimanaste,

als die Galaxien ihr Licht ausgesendet haben, was das Universum ja schon sehr viel größer als eine Orange. Da vergehen ja etliche Millionen Jahre, bis sich die ersten Sterne und Galaxien bilden. Und in dieser Zeit breitet sich das junge Universum ja bereits aus.

Das Universum hat sich nicht nur während der Inflation überlichtschnell ausgedehnt; auch zu späteren Zeiten finden sich Orte, die sich durch die Aufaddierung der Ausdehnung des Raumes zwischen ihnen mit einer Rotverschiebung auseinanderdriften, die größer als die Lichtgeschwindigkeit ist.

De facto ist alles Licht, was uns heute aus den ersten 5 Milliarden Jahren des Universums erreicht, aus Regionen, die sich bereits bei Abstrahlung von uns mit mehr als der Lichtgeschwindigkeit entfernt haben. Das Licht kann uns nur deshalb erreichen, weil auch der Bereich um uns, der sich weniger schnell  ausdehnt, immer größer wird (Hubble-Sphäre) und es dem Licht dann eben irgendwann möglich war, die Hubble-Sphäre zu erreichen.

Überholt haben wir da gar nichts, das Licht hat es nicht vorher geschafft.

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Mannimanaste 18.01.2017, 03:10
@uteausmuenchen

Danke auch für diese Erklärung. Aber lass uns dann einfach mal die Hintergrundstrahlung statt dem Licht der entfernten Galaxie nehmen. Als diese entstand, waren doch alle Raumbereiche noch sehr nah beieinander, oder? Und dennoch brauchte die Hintergrundstrahlung 13, nochwas Milliarden Jahre um zu uns zu gelangen, oder liege ich da falsch, und sie war einfach schon immer hier?

Das mit dem Überholen habe ich versucht anhand eines Beispiels im Kommentar auf Deine Antwort zu erklären.

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Reggid 18.01.2017, 10:12
@Mannimanaste

die hintergrundstrahlung entstand ueberall gleichzeitig ca. 300.000
jahre nach dem urknall, als sich die ersten atome bildeten und das
universum dadurch lichtdurchlaessig wurde.

das universum ist moeglicherweise unendlich gross und war es auch schon immer (auch zu dem zeitpunkt als das ereignis stattfand, das wir als "urknall" bezeichnen)

wenn es doch nicht unendlich gross ist (was wir nicht sicher wissen koennen), dann ist es zumindest viel viel (viel) groesser als der bereich den wir sehen koennen.

es gibt also immer einen bereich der damals (300.000 jahre nach dem urknall) so weit von uns entfernt war, dass das licht genau heute bei uns ankommt.

zu deiner analogie mit den musikern weiter unten:

die ist so wie du sie beschrieben hast leider voellig falsch. es gibt nicht eine gruppe von musikern die im leeren raum steht, und um sie herum ist nichts.

die korrekte analogie waere: du hast den gesamten raum ausgefuellt mit musikern die alle gleichzeitig spielen, und dann ploetzlich alle gleichzeitig aufhoeren (das ist der zeitpunkt, als das universum lichtdurchlaessig wurde).

wenn du dir jetzt einen beliebigen musiker herauspickst, dann wirst du sehen dass er den letzten ton ewig lang hoeren kann.

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Mojoi 18.01.2017, 16:05
@Reggid

"wenn du dir jetzt einen beliebigen musiker herauspickst, dann wirst du sehen dass er den letzten ton ewig lang hoeren kann."

Nicht ganz so schön formuliert.

Machen wir mal lieber so:

Um 12:00:00 mittags hören alle Musiker gleichzeitig auf zu spielen.

Das heißt, um 12:00:01 hört man noch den letzten Ton der Musiker ringsum, die 330m entfernt sitzen.

Um 12:01:00 hört man noch den letzten Ton der Musiker ringsum, die 20km entfernt sitzen - natürlich etwas leiser.

Vier Tage später hört man den letzten Ton der Musiker ringsum, die 114.000km entfernt sitzen - noch leiser als die anderen.

Das heißt (Zitat): Wenn du dir jetzt einen beliebigen musiker herauspickst, dann wirst du sehen dass er den letzten ton ewig lang hoeren kann, nur in jedem Augenblick aus einer anderen immer größeren Entfernung.

 

 

So weit so einfach.

Jetzt wird es schwieriger: Der Konzertsaal wird größer. Jede Minute wird zwischen jedem Musiker ein Meter Konzertsaal eingeschoben (passt nicht ganz mit dem echten Ausdehnungsalgorithmus zusammen, egal).

Um 12:01:00 hört man keinen merklichen Unterschied. Aber vier Tage später kommt der letzte Ton von den Musikern, die 114.000km entfernt saßen, 9 Sekunden verspätet an. Und er klingt nicht nur leiser, sondern auch tiefer und dauert auch etwas länger.

Und der Ton von weiter entfernten Musikern kommt noch später und noch dumpfer an.

Und das setzt sich weiter fort, bis der Ton in seiner Frequenz unter 16Hz rutscht, dann hören wir ihn nicht mehr.

 

P.S.: Aber deine anderen Ausführungen sind super.

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Mannimanaste 19.01.2017, 15:50
@Reggid

Hi Reggid,

danke für Deine Erklärungen. Mein größter Denkfehler ist wohl der, dass der Urknall sozusagen an einem Punkt im Raum passiert wäre, obwohl der Raum ja erst mit dem Urknall entstand.

das universum ist moeglicherweise unendlich gross und war es auch schon
immer (auch zu dem zeitpunkt als das ereignis stattfand, das wir als
"urknall" bezeichnen)

Das ist genau das, was der gesunde Menschenverstand sich nur schwer klar machen kann (zumindest meiner...), aber hier liegt genau mein Denkfehler.

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Die metrische Expansion findet überall statt - auch (und gerade) zwischen den sich voneinander entfernenden Galaxien. Licht hat aber keine unendlich hohe Geschwindigkeit, braucht also eine gewisse Zeit um vom Ursprung ans Ziel zu gelangen.

Währenddessen vergrößert sich der Raum zwischen den beiden Galaxien, das Licht muss also eine größere Distanz bewältigen, als zu Beginn seiner Reise existiert hat. Deswegen muss man mitbewegte und wahre Entfernung voneinander unterscheiden. Es ist auch der Grund, warum der sichtbare Teil des Universums 46 Mia. Lichtjahre im Radius misst, aber das Universum nur ~13,75 Mia. Jahre alt ist.

Nein.

Die Ausbreitung des Raumes und des Lichts darin enthält keinen Überholvorgang.

Man sollte sich das so vorstellen:

Das Licht der fernen Galaxie 'kriecht' auf der Oberfläche eines sich ausdehnenden Luftballons mit Lichtgeschwindigkeit von A nach B. Bei der Ankunft bei B hat sich die zurückliegende Wegstrecke verlängert, ohne dass irgendwas überholt worden wäre.

Mannimanaste 19.01.2017, 16:04

Ja, das Beispiel mit dem sich ausdehenden Ballon und unserem Dreidimensionalen Raum als die (eigentlich zweidimensionale) Oberfläche dieses Ballons kenne ich.

Meine Überlegung war in diesem Beispiel bleibend folgende:

Als der Ballon nach dem Urknall noch sehr klein war, waren A und B auf dessen Oberfläche noch in unmittelbarer Nachbarschaft, die Lichtgeschwindigkeit aber auch damals schon so hoch wie heute, so dass das Licht von A DAMALS B schon sehr schnell erreichte.

DANN dehnte sich der Raum inflationär aus, wobei er schneller größer wurde, als das Licht in ihm vorwärts kommt. Hierbei riß der Lichtstrom, der zuvor von A nach B schon vorhanden war sozusagen ab, weil B sich zu schnell von A entfernte, so dass B nun Milliarden Jahre warten musste, bis der Lichtstrom von A erneut bei B eintrifft.

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weckmannu 20.01.2017, 03:03
@Mannimanaste

Wie stellt du dir das vor, daß DANN als die Inflation begann, die vorher angekommenen Photonen nochmal gestartet wären???

A und B müssen immer so weit auseinander gewesen sein, dass das Licht auch vor der Inflationären Phase B noch nicht erreicht hatte, sonst hätte man Punkt A ja schon damals gesehen!!!

Du musst dich von dem Lichtstrom lösen und ein einzelnes Photon betrachten. Es kann den Weg auf dem Ballon nur einmal machen.

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weckmannu 20.01.2017, 03:24
@weckmannu

P.S. das Licht, das wir heute sehen, wurde abgestrahlt, als der Raum längst viel größer als eine Orange war. Es wurde auch später als die jetzt sichtbare Hintergrundstrahlung abgesandt. Der Raum hatte schon eine bedeutende Ausdehnung.

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1. Das Licht was du siehst hat 10 Milliarden Jahre gebraucht bis zu uns. Es ist aber auch schon früher Licht bei uns angekommen, wo deine 10 Milliarden LJ entfernte Galaxie noch nicht so weit weg war. Das Licht ist aber schon längst angekommen und nicht mehr zu beobachten.

Wahrscheinlich ist die Galaxie ja auch schon weiter weg als 10 Milliarden Jahren.

2. Naja, es ist schwierig in Worte zu fassen, wenn ich meine zu denken, was du wissen willst :D. Ich bin mir auch nicht sicher, wenn die sagen, das Licht habe 10 Milliarden Jahre gebraucht, oder ob die Galaxie jetzt 10 Milliarden Jahre entfernt ist.

Wenn die Galaxie das Licht als sie 10 Milliarden Jahre entfernt war, dass Licht ausgesendet hat, dann legt es natürlich eine weitere Strecke hinter sich, weil der Raum, in den das Licht bis zu uns unterwegs ist, ja auch ausdehnt...

Wenn der Urknall überall statt fand, dann bekommen wir dieses Echo nicht von da wo wir sind oder der nähe davon sondern eben dort her wo es so weit weg ist, dass wir das hier und jetzt messen können.

Die Antwort auf die gestellte Frage befindet sich hier:http://www.kosmoskrau.de/doc/Winkelausdehnung_Galaxien.pdff Bei einem Urknallmodell müssten wir die frühen Galaxien unter einem großen Winkel sehen, weil das Universum damals noch keine große Ausdehnung hatte. Die Realität zeigt aber das wir in einem konstanten Kosmos leben, den auch Einstein favorisierte, dann passen die Winkelausdehnung der frühen Galaxien auch zu den gemessenen Werten. Die Galaxien fallen zum Rand des Universums und verbleiben dort mit entsprechend hohen Umlaufgeschwindigkeiten.

Mir ist klar, was Du fragen möchtest, das frage ich mich auch schon länger.

Man kann lesen, dass man immer weiter zurück in die Vergangenheit blicken kann, bis nur noch wenige 100 Millionen Jahre nach dem Urknall. War denn damals nicht alles viel enger zusammen als heute? Wie kann dann das damals abgestrahlte Licht rund 14 Milliarden Jahre brauchen, bis es uns endlich erreicht?

Mannimanaste 18.01.2017, 00:36

Ja... Schauen wir mal, ob sich ein Experte hier noch in einer gut verständlichen Art zu dieser Fragestellung äußern wird.

Die Antwort von @NutzlosAlpha ist jedenfalls schon mal ein sehr guter Ansatz, das ganze zu verstehen zu beginnen...   ;)

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