Wie wird gemessen, wie groß das Universum ist, und dass es sich andauernd vergrößert?

8 Antworten

Hallo MyPrecious,

die Astrophysiker haben da über Jahrzehnte hinweg über verschiedene Methoden immer mehr und mehr Daten angehäuft, so dass sich heute ein sehr stimmiges Bild der Entfernungen im beobachtbaren Universum ergibt. - Und nur da können wir natürlich etwas sagen. Wie groß das Universum als Ganzes ist, wissen wir nicht.

Verschiedene Methoden der Entfernungsmessung: Von nah bis sehr weit weg

Es gibt also verschiedene Methoden, die verschieden aufwendig sind und für verschiedene Entfernungen taugen. Für die Messung der Entfernung extrem weit entfernter alter Galaxien braucht es andere Verfahren als bei den sonnennächsten Sternen.

In etwa gilt:

  • innerhalb des Sonnensystems kann man mit Reflexion und Lichtlaufzeit arbeiten
  • Parallaxenmessungen funktionieren hinaus bis einige tausend Lichtjahre
  • Masse/Leuchtkraft-Beziehungen helfen, die Entfernungen zu Sternen zu bestimmen, bei denen wir z.B. die Masse kennen (z.B. bei Doppelsternen aus den Umlaufperioden der Partner)

Bis hierher sind wir aber noch praktisch vor der Haustür - kosmologisch gesehen. Tatsächlich wusste man um das Jahr 1900 noch nichts von anderen Galaxien.

Dann aber hat Henrietta Swan Leavitt herausgefunden, dass es bei einer bestimmten Klasse veränderlich heller Sterne - den "Cepheiden" eine klare Beziehung zwischen ihrer absoluten Helligkeit und ihrer Periode der Helligkeitsschwankung gibt. Findet man solche Cepheiden am Himmel muss man also nur ihre Periode messen... und kann daraus auf die Entfernung schließen, indem man die hier ankommende Helligkeit mit der berechneten absoluten Helligkeit vergleicht. So etwas nennt man eine "Standardkerze".

Standardkerzen waren der Schlüssel historisch, um kosmologisch relevante Entfernungen zu messen. Das funktioniert auch noch in näheren anderen Galaxien: ab etwa 1915 waren Teleskope leistungsstark genug, um Cepheiden in der Andromeda und anderen nahen Galaxien aufzulösen. Erstmals gelang der Nachweis, dass die Andromeda etwa 2,5 Millionen Lichtjahre weit weg ist und dass sie und andere "Nebel" nicht zur Milchstraße gehören.

Wenn man noch weiter hinaus schaut, in weiter entfernte Galaxien, kann man Cepheiden nicht mehr zur Entfernungsmessung benutzen, weil man keine einzelnen Sterne mehr auflösen kann... aber zum Glück gibt es da andere Standardkerzen: Eine bestimmte Klasse von Supernova-Explosionen, die "Supernovae Ia" sind in etwa immer gleich hell. Und hell genug zur Entfernungsmessung für weiter entfernte Galaxien.

Und noch weiter hinaus... benutzen wir die kosmologische Rotverschiebung.

Das muss ich erst mal erklären:

Was ist die kosmologische Rotverschiebung?

Im Licht der Sterne sehen wir sogenannte "Spektrallinien". Spektrallinien sind so etwas wie der Fingerabdruck chemischer Elemente im über alle Wellenlängen verteilten kontinuierlichen Teil der empfangenen Strahlung:

Bei einigen ganz charakteristischen Wellenlängen finden wir im Licht der Sterne schwarze Linien im Licht. Die entstehen, weil in den Sternatmosphären das Licht durch die obersten Schichten der Atmosphäre durch muss. Dort schlucken die vorhandenen Elemente bei den für sie typischen Wellenlängen das Licht und verteilen es gestreut in alle Richtungen. In unsere Richtung kommt dann bei diesen Wellenlängen entsprechend weniger an.

Diese Spektrallinien helfen uns zum Beispiel dabei, zu sehen, welche Elemente in der Atmosphäre der Sterne sind. Wir sehen, dass auch in weit entfernten Galaxien dieselben Elemente beteiligt sind, wie bei Sternen bei uns. Und wir sehen dieselben für diese Elemente typischen Linienmuster in den Sternspektren. ....

... aber: je weiter die Galaxie, deren Licht wir untersuchen weg ist, desto mehr ist dieses Muster in Richtung längerer Wellenlängen verschoben. Also in Richtung des roten Endes der Wellenlängen, die wir sehen können. Und deshalb nennt man das "Rotverschiebung".

Für diese Rotverschiebung gibt es verschiedene Ursachen.

Es kann sich zum Beispiel um einen Dopplereffekt handeln, wenn sich ein Stern von uns weg bewegt. Du kennst den Dopplereffekt vielleicht vom typischen Geräusch, das ein vorbeifahrendes Auto macht: Sein Motor hört sich etwas höher an, wenn es auf uns zu kommt - und etwas tiefer, wenn es sich entfernt.

Beim Licht einer sich bewegenden Lichtquelle ist das ähnlich. Wenn sich zum Beispiel 2 Sterne eines Doppelsternes umrunden, dann ist die Linien im Licht von dem, der auf uns zu kommt blau verschoben, beim anderen rotverschoben.

Bei den weit entfernten Galaxien ist das aber nicht die (Haupt-)ursache der Rotverschiebung. Dafür sind die beobachteten Rotverschiebungen zu hoch.

Bei den weit entfernten Galaxien kommt die Rotverschiebung (zum allergrößten Teil) daher, dass mit dem Licht unterwegs etwas passiert:

Der Raum zwischen der Lichtquelle und uns dehnt sich aus. Und das dehnt etwas die Wellenlänge des Lichtes - das Licht wird unterwegs durch die Raumausdehnung rotverschoben. Das ist die "kosmologische Rotverschiebung". Aus ihr wissen wir, dass sich das Universum ausdehnt.

Und nicht nur das: Wenn man sehr viele Daten zusammenträgt, können wir die Rotverschiebung über die anderen oben beschriebenen Methoden eichen: Wir wissen ja, wie hoch die Rotverschiebungen in Galaxien sind, deren Entfernung wir über die anderen Methoden bestimmt haben.

Nach erfolgter "Eichung" kann man auch die Rotverschiebung selbst als Entfernungsmaß hernehmen und so die entferntesten Objekte einordnen.

Die kosmologische Hintergrundstrahlung ist das älteste Licht, das sich im Universum nach dem Urknall frei ausbreiten konnte. Die Mikrowellen der Hintergrundstrahlung weisen den höchsten Wert der Rotverschiebung auf - und sind gleichzeit unser Beobachtungshorizont im Optischen. Also so was wie die "Grenze" des von uns aus beobachtbaren Universums.

Und aus dem Wert der Rotverschiebung der Hintergrundstrahlung wissen wir, wie groß das beobachtbare Universum ist. Es hat so ungefähr einen Radius von 46 Milliarden Lichtjahren.

Und ich finde trotzdem keinen Parkplatz... =D

Ungefähr klar?

Grüße

Um allen Missverständnissen vorzubeugen, ich bin nicht der Meinung, dass derartige Forschungen sinnlos wären und finde es auch immer wieder spannend, Deine Beiträge zur Astrophysik und zur Kosmologie zu lesen. Ich halte einen Zuwachs an Erkenntnis auf jeder Ebene für absolut positiv. Aber da ich als Chemiker gewohnt bin, mich eher den kleinteiligen Dingen zu widmen, deren Wechselwirkungen einen unmittelbaren Einfluss auf unser terrestrisches System haben, stelle ich mir immer wieder die Frage, was nützen diese Erkenntnisse zur Größe des Universums. Ob das sichtbare Universum nun 46 groß ist oder 5328 (in welcher Einheit auch immer) ist doch eigentlich ohne Belang. Und das ist dann nur der Teil der beobachtet werden kann. Was ist mit dem mutmaßlich viel größerem Teil, der nicht beobachtet werden kann? Muss man den ignorieren, weil man ohne Messung (Beobachtung) keine Aussage darüber machen darf? Es besteht doch wohl auch unter Astrophysikern ein Konsens dahingehend, dass wir Erdenlinge bestenfalls zu einem minimalen Hüpfer aus unserer Atmosphäre im Stande sind. Eine Reise in eine andere Galaxie ist wohl reine Science Fiction, oder? Kosmologisch betrachtet sind unsere terrestrischen Probleme ja ein Hühnerschiss. Aber nach meiner Einschätzung sind diese ziemlich akut. Dabei ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Universums eher sekundär.

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@Picus48
Kosmologisch betrachtet sind unsere terrestrischen Probleme ja ein Hühnerschiss. Aber nach meiner Einschätzung sind diese ziemlich akut. Dabei ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Universums eher sekundär.

Das hättest du 1905 auch zu Einstein (und Bohr/Planck/Heisenberg) sagen können: "Alles völlig irrelevant für unsere irdischen Probleme!"

Heute basiert aber nahezu die gesamte Hochtechnologie auf genau jenen Prinzipien - inklusive dem Massenspektrometer in deinem Chemielabor.

Astrophysik ist Grundlagenforschung und die liefert grundsätzlich keine fertigen Produkte, sondern Modelle und Methoden, mittels derer die diversen Ingenieure, oft viel später, eine Technologie entwickeln können.

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@Picus48
Aber da ich als Chemiker gewohnt bin, mich eher den kleinteiligen Dingen zu widmen, deren Wechselwirkungen einen unmittelbaren Einfluss auf unser terrestrisches System haben, stelle ich mir immer wieder die Frage, was nützen diese Erkenntnisse zur Größe des Universums

Wenn Du Chemiker bist, weißt Du ja wahrscheinlich, dass Physiker da immer ein wenig ablästern, dass wir die Physik der Atomhüllen den Chemikern überlassen haben, weil sie uns zu langweilig wurde...? ;-) Ich nehme an, Ihr habt ähnliche Sprüche zu den Physikern.

Im Ernst: Physik ist die Grundlegendste der Naturwissenschaften - also die, in der es um ein grundlegendes Verständnis der Natur und der Prozesse darin geht. Darum, "was die Welt im Innersten zusammenhält".

Wie gesagt: Bis etwa 1900 dachte man, die Milchstraße wäre alles. Man dachte, alle Sterne und Nebel würden irgendwie zur Milchstraße gehören. Bis in die 1960er brauchte das Urknallmodell, um sich durchzusetzen. Bis in die 1990er hätte Dir kein Astrophysiker sagen können, ob es Exoplaneten gibt.

In der Astrophysik und Kosmologie erkennen wir unsere eigene Geschichte. Wir erkennen unseren eigenen Platz im Universum. Und auch die Seltenheit und Fragilität des einzigen uns bekannten Lebensraumes, in dem wir existieren können. Dass eine Reise in eine andere Galaxie ein Ding der Unmöglichkeit ist, das wissen wir ja gerade, WEIL wir diese Entfernungsmessungen haben.

Kosmologisch betrachtet sind unsere terrestrischen Probleme ja ein Hühnerschiss. Aber nach meiner Einschätzung sind diese ziemlich akut. Dabei ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Universums eher sekundär.

Über die geschlossene Darstellung der kosmologischen Entwicklung testen wir ja auch die Physik, mit der wir die Dinge hier auf der Erde beschreiben. Nimm die elektroschwache Wechselwirkung, die letztlich über kosmologische Überlegungen vorhergesagt wurde und später experimentell in Teilchenexperimenten bestätigt wurde. Wie wichtig der Test naturwissenschaftlicher Aussagen ist, weißt Du als Chemiker ja wahrscheinlich selber.

Wenn unser Modell aber ausspuckt, dass 70% der Energiedichte im Universum etwas ist, das wir nicht verstehen (Dunkle Energie), dann ist das für die Grundlagenforschung und die Frage, wie gut unser Verständnis der Natur ist, eine ganz brisante Frage. Um die zu beantworten braucht man aber exakte Messungen der Ausbreitungsrate ... und deren zeitlicher Veränderung.

Letztendlich steht hier also die Suche nach einer Erweiterung unseres physikalischen Verständnisses der Natur... und die kann sehr wohl technologische Innovationen nach sich ziehen. Auch Einstein hatte keine Induktionsherde, GPS-Satelliten oder Navis im Sinn, als er die Relativitätstheorie schrieb.

Letztlich ist das, was Du hier vorbringst, ein innovationshemmender Fehlschluss. Natürlich haben wir dringendere Probleme - Probleme, die wir lösen müssen. Nur ist es falsch die gesamte Grundlagenforschung gering zu achten, weil es dringende Probleme gibt...

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Ich möchte vorweg anmerken, dass ich alle diktier App verwende, welche nicht immer alles ganz genau so versteht, wie ich es sage. Bitte nehmt Rücksicht auf Fehler. Vielen Dank.

In erster Linie muss man verstehen, dass das Licht der einzige Indikator ist, um Primär darüber zu sprechen, wie groß das Universum ist, bzw wie weit wir sehen können. In diesem Fall ist die entfernungseinheit, 13,8 Milliarden Lichtjahre ebenso auch die Zeit, welche zu dem Zeitpunkt zurückführt, welchen wir als am nächsten am Urknall sehen können und der weniger als eine halbe Milliarde Jahre von dem Urknall entfernt liegt. Das Licht gibt uns den Ansatz, die Zeit zurück zu rechnen, bis zu einem Punkt an welchem das Licht, welches das älteste ist das uns erreicht, also 13,8 Milliarden Jahre, somit gehört die Größe des Universums dadurch bestimmt. Dies zumindest in der Mainstream Lehrmeinung. Im Klartext heißt das, es wird gesagt dass das Universum eine Größe von 13,8 bzw 13,9 Milliarden Lichtjahren hat. Dieses auch Entfernung die wir am weitesten betrachten können da das Licht an uns heran reicht gerade mal so.

seit dem Urknall dehnt sich der materielle Wert aus, expandiert ebenso wie das schneller expandierende Gefüge gelangt Vektor Matrix oder Raum, bzw Raumzeit. Die Expansion findet exponential statt. Somit ist das Universum wesentlich größer, oder muss es zumindest sein, als die angegebene Menge der Mainstream Lehrmeinung. Größe 13,8 bzw 13,9 Milliarden Lichtjahre. Aus diesem Grund muss man sagen, dass die Vakuum Vektor Matrix der Raumzeit bei ca mehreren Quadrillionen Lichtjahren liegt, der materielle Wert bzw Faktor sich aber wesentlich langsamer ausdehnend innerhalb dieser Vektor Matrix des Raums.

Dazu gibt es eine Hintergrundstrahlung des Raums im Weltraum, welche sich ebenfalls zurückrechnen lässt, somit auch zum Urknall führt. Aufgrund der Dehnung des Raumes oder der Raumzeit, nimmt auch das Rauschen im Verhältnis zum Raum selber entsprechend ab. So wird bestimmt dass ich da Raum weiter ausdehnt.

Woher ich das weiß:eigene Erfahrung

Anhand Rotverschiebung oder Blauverschiebung kann man erkennen, ob sich das Universum ausdehnt.

Wenn sich das Universum ausdehnt (was es tut), erkennt man eine Rotverschiebung, weil der Lichtstrahl "gedehnt" wird. Wodurch sich das Licht rot verfärbt.

Wenn sich das Universum zusammen zieht, würde man eine Rotverschiebung erkennen, weil der Lichtstrahl "gestaucht" wird. Wodurch sich das Licht blau verfärbt.
Würden wir jemals eine Blauverschiebung feststellen, hätten wir die Gewissheit daß unser Universum kollabiert und sich verkleinert.

Die tatsächliche Größe des Universums lässt sich nur schwer vermessen, da wir das tatsächliche Ende nicht sehen können.
Aber wir können zumindest anhand der Stärke der Rotverschiebung ableiten, daß das beobachtbare Universum aktuell einen Radius von mindestens 46 Milliarden Lichtjahren hat.
Auch wenn wir uns wahrscheinlich nicht im Zentrum des Universums befinden, kann man von einem Durchmesser von 92 Milliarden Lichtjahren ausgehen.

Nicht im Zentrum des Universums, aber wir befinden uns im Zentrum des für uns beobachtbaren Universums.

War ja einigen Menschen lange Zeit sehr wichtig, dass der Mensch im Zentrum ist. Für das beobachtbare Universum wäre das zum Glück "erreicht":

Noch mal Glück gehabt.

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