Was ist am Rande des Universums?

Es ist ein ganz normales Gefühl im Jahr 2019, sich vier- oder fünfmal am Tag zu wünschen, nicht einfach nur ins All zu fliegen, sondern an den Rand des Universums, so weit weg von dem Fiebertraum aus schlechtem Wetter, kaputten Zügen und potenziell krebsartigen Oberschenkelverletzungen, der das Leben auf der Erde ausmacht. Aber was würde Sie an der kosmologischen Grenze erwarten? Gibt es überhaupt eine Grenze, oder ist das, womit wir es hier zu tun haben, eher eine Art unvorstellbar große Decke? Gibt es dort oben überhaupt eine Grenze/Decke? Für die Giz-Fragen dieser Woche haben wir mit einigen kosmologisch orientierten Physikern gesprochen, um das herauszufinden.

Sean Carroll

Forschungsprofessor, Physik, Caltech, dessen Forschungsschwerpunkte unter anderem Quantenmechanik, Gravitation, Kosmologie, statistische Mechanik und Grundlagen der Physik sind

Es gibt keinen Rand des Universums, soweit wir wissen. Es gibt eine Grenze für das beobachtbare Universum – wir können nur so weit hinaus sehen. Das liegt daran, dass sich das Licht mit einer endlichen Geschwindigkeit (ein Lichtjahr pro Jahr) fortbewegt, so dass wir bei der Betrachtung entfernter Dinge auch in der Zeit zurückblicken. Schließlich sehen wir, was vor fast 14 Milliarden Jahren geschah, nämlich die Überbleibsel der Strahlung des Urknalls. Das ist der kosmische Mikrowellenhintergrund, der uns von allen Seiten umgibt. Aber es handelt sich dabei nicht wirklich um einen physikalischen „Rand“ in einem sinnvollen Sinne.

Da wir nur so weit sehen können, wissen wir nicht, wie es jenseits unseres beobachtbaren Universums aussieht. Das Universum, das wir sehen, ist in großen Maßstäben ziemlich gleichförmig, und vielleicht geht das buchstäblich ewig so weiter. Alternativ dazu könnte sich das Universum wie eine (dreidimensionale Version einer) Kugel oder ein Torus um sich selbst wickeln. In diesem Fall wäre das Universum in seiner Gesamtgröße endlich, hätte aber immer noch keinen Rand, so wie ein Kreis weder Anfang noch Ende hat.

Es ist auch möglich, dass das Universum nach dem, was wir sehen können, nicht einheitlich ist und die Bedingungen von Ort zu Ort sehr unterschiedlich sind. Diese Möglichkeit ist das kosmologische Multiversum. Wir wissen nicht, ob es ein Multiversum in diesem Sinne gibt, aber da wir weder das eine noch das andere sehen können, ist es ratsam, für alles offen zu sein.

Jo Dunkley

Professor für Physik und astrophysikalische Wissenschaften an der Princeton University, dessen Forschungsschwerpunkte im Bereich der Kosmologie und der Erforschung der Ursprünge und der Entwicklung des Universums liegen

Mehr vom Gleichen!

Okay, wir glauben also nicht, dass es eine Grenze für das Universum gibt. Wir denken, dass es sich entweder unendlich weit in alle Richtungen fortsetzt, oder dass es vielleicht in sich selbst eingewickelt ist, so dass es nicht unendlich groß ist, aber trotzdem keine Kanten hat. Die Oberfläche eines Donuts ist so: Sie hat keine Kante. Es ist möglich, dass das ganze Universum auch so ist (aber in drei Dimensionen – die Oberfläche eines Donuts ist nur zweidimensional). Das bedeutet, dass man mit einem Raketenschiff in jede beliebige Richtung ins Weltall fliegen könnte, und wenn man lange genug reist, würde man wieder an den Ausgangspunkt zurückkehren. Keine Ränder.

Aber es gibt auch etwas, das wir das beobachtbare Universum nennen, das ist der Teil des Raums, den wir tatsächlich sehen können. Das ist der Teil des Universums, den wir tatsächlich sehen können. Der Rand davon ist der Ort, hinter dem das Licht seit dem Beginn des Universums keine Zeit mehr hatte, uns zu erreichen. Das ist nur der Rand von dem, was wir sehen können, und darüber hinaus gibt es wahrscheinlich noch mehr von dem, was wir um uns herum sehen können: Super-Galaxienhaufen, wobei jede riesige Galaxie Milliarden von Sternen und Planeten enthält.

Jessie Shelton

Assistenzprofessorin für Physik und Astronomie an der University of Illinois Urbana-Champaign, deren Forschungsschwerpunkte Astrophysik und Kosmologie sind

Das hängt davon ab, was man unter dem Rand des Universums versteht. Da die Lichtgeschwindigkeit endlich ist, blicken wir, je weiter wir in den Weltraum hinausschauen, immer weiter in die Vergangenheit zurück – selbst wenn wir die Nachbargalaxie Andromeda betrachten, sehen wir nicht, was jetzt geschieht, sondern was vor zweieinhalb Millionen Jahren geschah, als die Sterne von Andromeda das Licht aussandten, das unsere Teleskope erst jetzt erkennen. Das älteste Licht, das wir sehen können, stammt von den am weitesten entfernten Sternen, so dass der Rand des Universums in gewissem Sinne das ist, was wir im ältesten Licht sehen können, das uns erreicht. In unserem Universum ist dies der kosmische Mikrowellenhintergrund – ein schwaches, anhaltendes Nachleuchten des Urknalls, das anzeigt, wann das Universum genug abgekühlt war, um Atome entstehen zu lassen. Man nennt dies die Oberfläche der letzten Streuung, da sie den Ort markiert, an dem die Photonen aufhörten, zwischen den Elektronen in einem heißen, ionisierten Plasma hin und her zu schwirren, und begannen, durch den transparenten Raum hinaus zu strömen, den ganzen Weg über Milliarden von Lichtjahren bis zu uns auf der Erde. Man könnte also sagen, dass der Rand des Universums die Oberfläche der letzten Streuung ist.

Was befindet sich gerade am Rande des Universums? Nun, wir wissen es nicht – wir können es nicht wissen, denn wir müssten warten, bis das Licht, das jetzt dort ausgestrahlt wird, in vielen, vielen Milliarden Jahren hier ankommt, und da sich das Universum immer schneller ausdehnt, wird es wahrscheinlich gar nicht hier ankommen können – aber wir können eine Vermutung anstellen. In den größten Maßstäben sieht unser Universum in jeder Richtung, in die wir schauen, ziemlich gleich aus. Die Chancen stehen also gut, dass Sie, wenn Sie sich heute am Rande unseres beobachtbaren Universums befinden würden, ein Universum sehen würden, das mehr oder weniger genauso aussieht wie unseres – Galaxien, große und kleine, in allen Richtungen. Eine sehr gute Vermutung für das, was sich jetzt am Rande des Universums befindet, ist also einfach mehr Universum: mehr Galaxien, mehr Planeten, vielleicht sogar mehr Lebewesen, die die gleiche Frage stellen.

Michael Troxel

Assistenzprofessor, Physic, Duke University, dessen Forschungsschwerpunkte die beobachtende und theoretische Kosmologie sind

Obwohl das Universum wahrscheinlich unendlich groß ist, gibt es tatsächlich mehr als einen praktischen „Rand“.

Wir denken, dass das Universum tatsächlich unendlich ist – es hat keinen Rand. Wenn das Universum „flach“ ist (wie ein Blatt Papier), wie wir es mit einer Genauigkeit von mehr als einem Prozent getestet haben, oder „offen“ (wie ein Sattel), dann ist es wirklich unendlich. Wenn er „geschlossen“ ist, wie ein Basketball, dann ist er nicht unendlich. Wenn man jedoch weit genug in eine Richtung geht, landet man irgendwann wieder dort, wo man angefangen hat – man denke nur an die Bewegung entlang der Oberfläche des Balls. Wie ein Hobbit namens Bilbo einmal sagte: „Der Weg geht immer weiter und weiter/aus der Tür, an der er begann“ (immer und immer wieder…).

Das Universum hat für uns allerdings immer noch einen „Rand“ – zwei, wirklich. Das liegt an einem Teil der Allgemeinen Relativitätstheorie, der besagt, dass alle Dinge (einschließlich des Lichts) im Universum ein Geschwindigkeitslimit haben – etwa 670 Millionen Meilen pro Stunde – und dass dieses Geschwindigkeitslimit überall gleich ist. Unsere Messungen sagen uns auch, dass sich das Universum in alle Richtungen ausdehnt, und zwar nicht nur ausdehnt, sondern sich mit der Zeit immer schneller ausdehnt. Wenn wir also ein Objekt beobachten, das sehr weit von uns entfernt ist, braucht das Licht dieses Objekts eine gewisse Zeit, um uns zu erreichen (die Entfernung geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit). Das Tückische daran ist, dass sich der Raum ausdehnt, während sich das Licht zu uns bewegt, so dass die Entfernung, die das Licht auf dem Weg zu uns zurücklegen muss, mit der Zeit ebenfalls zunimmt.

Die erste Frage, die man sich stellen könnte, ist also, wie weit das Licht von einem Objekt entfernt ist, wenn es ganz am Anfang des Universums (das etwa 13,7 Milliarden Jahre alt ist) ausgesendet wurde. Diese Entfernung beträgt etwa 47 Milliarden Lichtjahre (ein Lichtjahr ist etwa das 63.241-fache der Entfernung zwischen der Erde und der Sonne) und wird als „Mitlaufender Horizont“ bezeichnet. Man kann die Frage auch etwas anders stellen. Wenn wir eine Nachricht mit Lichtgeschwindigkeit verschicken würden, wie weit wäre die Entfernung, in der jemand von einem anderen Planeten die Nachricht empfangen könnte? Das ist sogar noch interessanter, weil die Expansionsrate des Universums in der Zukunft schneller wird (anstatt sich in der Vergangenheit zu verlangsamen).

Es stellt sich heraus, dass die Nachricht, selbst wenn sie ewig unterwegs wäre, nur jemanden erreichen könnte, der 16 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt ist. Dies wird als „kosmischer Ereignishorizont“ bezeichnet. Der am weitesten entfernte Planet, den wir bisher beobachten konnten, ist jedoch nur etwa 25 000 Lichtjahre entfernt, so dass wir immer noch jeden grüßen könnten, von dem wir wissen, dass er im Universum existiert. Die weiteste Entfernung, in der unsere derzeitigen Teleskope eine Galaxie von uns ausmachen konnten, beträgt allerdings nur etwa 13,3 Milliarden Lichtjahre, so dass wir im Moment nicht sehen können, was sich an einem dieser „Ränder“ befindet. Niemand weiß also, was sich an einem dieser Ränder befindet!

Abigail Vieregg

Assistenzprofessorin am Kavil-Institut für kosmologische Physik an der Universität von Chicago

Mit Teleskopen auf der Erde betrachten wir Licht, das von weit entfernten Orten im Universum kommt. Je weiter die Quelle des Lichts entfernt ist, desto länger dauert es, bis das Licht hier ankommt. Wenn Sie also weit entfernte Orte betrachten, sehen Sie, wie diese Orte aussahen, als das Licht, das Sie sahen, erzeugt wurde – und nicht, wie diese Orte heute aussehen. Man kann immer weiter in die Ferne schauen, was einer immer weiter zurückliegenden Zeit entspricht, bis man auf einen Ort stößt, der ein paar hunderttausend Jahre nach dem Urknall liegt. Davor war das Universum so heiß und dicht (lange bevor es Sterne und Galaxien gab!), dass jegliches Licht im Universum nur umherschwirrte und wir es heute mit unseren Teleskopen nicht sehen können. Dieser Ort ist der Rand des „beobachtbaren Universums“ – manchmal auch als Horizont bezeichnet -, weil wir nicht darüber hinaus sehen können. Im Laufe der Zeit verändert sich dieser Horizont. Wenn man von einem anderen Planeten irgendwo im Universum hinausschauen könnte, würde man vermutlich etwas ganz Ähnliches sehen wie wir hier auf der Erde: den eigenen Horizont, begrenzt durch die Zeit, die seit dem Urknall vergangen ist, die Lichtgeschwindigkeit und die Ausdehnung des Universums.

Wie sieht der Ort, der dem Horizont der Erde entspricht, heute aus? Das können wir nicht wissen, denn wir können diesen Ort nur so sehen, wie er kurz nach dem Urknall war, nicht wie er heute ist. Alle Messungen deuten jedoch darauf hin, dass das gesamte Universum, das wir sehen können, einschließlich des Randes des beobachtbaren Universums, in etwa so aussieht wie unser lokales Universum heute: mit Sternen, Galaxien und Galaxienhaufen und viel leerem Raum.

Wir denken auch, dass das Universum viel größer ist als der Teil des Universums, den wir heute von der Erde aus sehen können, und dass es keinen „Rand“ des Universums selbst gibt. Es ist einfach nur die Raumzeit, die sich ausdehnt.

Arthur B. Kosowsky

Professor für Physik an der Universität von Pittsburgh, dessen Forschung sich auf die Kosmologie und verwandte Themen der theoretischen Physik konzentriert

Eine der grundlegendsten Eigenschaften des Universums ist sein Alter, das wir anhand einer Reihe von Messungen auf 13,7 Milliarden Jahre bestimmen. Da wir auch wissen, dass sich Licht mit konstanter Geschwindigkeit ausbreitet, bedeutet dies, dass ein Lichtstrahl, der zu einem sehr frühen Zeitpunkt begann, heute eine bestimmte Strecke zurückgelegt hat (die so genannte „Horizontdistanz“ oder „Hubble-Distanz“). Da sich nichts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, ist die Hubble-Distanz die weiteste Entfernung, die wir prinzipiell jemals beobachten können (es sei denn, wir finden einen Weg, die Relativitätstheorie zu umgehen!).

Wir haben eine Lichtquelle, die fast aus der Hubble-Entfernung zu uns kommt: die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Wir wissen, dass das Universum bis zum Ursprung des Mikrowellenhintergrunds, der fast die gesamte Hubble-Entfernung von uns entfernt ist, keinen „Rand“ hat. Daher gehen wir in der Regel davon aus, dass das Universum viel größer ist als das von uns beobachtbare Hubble-Volumen, und dass jeder tatsächliche Rand, der existieren könnte, viel weiter entfernt ist, als wir jemals beobachten können. Es ist denkbar, dass dies nicht stimmt: Vielleicht hat das Universum einen Rand jenseits der Hubble-Entfernung von uns, und jenseits davon sind Seeungeheuer. Aber da das gesamte Universum, das wir beobachten können, relativ ähnlich und gleichförmig aussieht, wäre dies ein äußerst merkwürdiger Zustand.

Ich fürchte also, dass wir nie eine gute Antwort auf die Frage bekommen werden: Das Universum hat vielleicht gar keinen Rand, und wenn es einen Rand hat, ist dieser weit genug entfernt, dass das Licht vom Rand in der gesamten Geschichte des Universums noch nicht genug Zeit hatte, zu uns zu gelangen. Wir müssen uns damit begnügen, den Teil des Universums zu verstehen, den wir tatsächlich beobachten können.

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