Beobachtbares Universum

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Im Urknall-Standardmodell der Kosmologie ist das beobachtbare Universum der Teil des Universums, der im Prinzip unserer Beobachtung zugänglich ist.

In der allgemeinen Relativitätstheorie werden verschiedene Entfernungsmaße benutzt.

Die mitbewegte Entfernung (englisch: comoving distance) stimmt mit der heutigen Eigenentfernung (englisch: proper distance) überein, rechnet aber die Expansion des Raumes heraus, bleibt also zwischen zwei im Raum „ruhenden“, besser gesagt „mitbewegten“, Beobachtern konstant. Für solche Beobachter ist die Hintergrundstrahlung isotrop. Ihre Eigenzeit definiert die kosmologische Zeit.

Der Hubble-Radius bzw. das Hubble-Volumen ist ein anderes Maß für die Größe des Universums, die aber nicht mit dem tatsächlich beobachtbaren Universum zusammenfällt. In beiden Zusammenhängen wird auch der nicht eindeutig definierte Begriff „sichtbares Universum“ verwendet.

Beobachtungshorizont

Der Beobachtungshorizont (auch: Partikelhorizont oder Teilchenhorizont) begrenzt den Teil des Universums, von dem uns seit dem Urknall Informationen erreicht haben können. Bereiche jenseits des Beobachtungshorizonts können nicht beobachtet werden, weil die Zeit seit dem Urknall nicht ausreicht, um von dort Licht (Informationen) zu erhalten. Ebenso ist die Geschwindigkeit der Übertragung von Informationen oder der Bewegung von Materie (Partikel) durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt, also können uns von Ereignissen hinter dem Beobachtungshorizont auch keine Informationen erreichen.

Die Entfernung bis zum Beobachtungshorizont ist nicht durch das Alter des Universums (ca. 13,7 Milliarden Jahre) multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit gegeben, also nicht 13,7 Milliarden Lichtjahre. Es ist zu berücksichtigen, dass sich das Universum weiter ausgedehnt hat, während sich das Licht vom Beobachtungshorizont zu uns bewegt hat, d. h., bereits zurückgelegte Strecken sind nachträglich länger geworden. Daher ist die heutige Entfernung zum Beobachtungshorizont größer und wird aktuell im Rahmen des Urknall-Standardmodells auf ca. 42 Milliarden Lichtjahre beziffert.^[1]

Oft wird auch die gleichwertige, umgekehrte Betrachtung zur Definition benutzt: Der Partikelhorizont ist dann die Kugeloberfläche, bis zu der lichtschnelle Strahlung vorgedrungen wäre, die an unserem Standpunkt unmittelbar nach dem Urknall ausgesendet worden ist.

Berechnung

Die Entfernung zum Partikelhorizont lässt sich gemäß folgender Formel berechnen:

$r_p = {c} \int_0^{t_0} \frac{1}{a(t)}\, \mathrm dt$ ,

wobei c die Lichtgeschwindigkeit und die Zeit t beim Urknall gleich null und heute gleich t₀ ist. Die Größe a(t) ist der Skalenfaktor, eine dimensionslose Größe, deren Verlauf über der Zeit die Ausdehnung des Universums angibt, und der heute gleich eins ist (a(0) = 0, a(t₀) = 1). Wenn das Integral für ein gegebenes a(t) divergiert, so besitzt das zugehörige Universum keinen Partikelhorizont.

Kosmische Hintergrundstrahlung als Grenze

In der Praxis ist für elektromagnetische Strahlung bei den meisten Wellenlängen der Beobachtungshorizont geringfügig näher, weil das frühe Universum für Licht undurchlässig war. Die am weitesten zurückliegende Information und damit die Information über die am weitesten entfernten Bereiche, die man über elektromagnetische Wellen erhält, stammt aus der Zeit von etwa 400.000 Jahren nach dem Urknall, als das Universum durchsichtig wurde. Diese Strahlung ist als kosmische Hintergrundstrahlung bekannt und stammt demnach vom Rand des heute beobachtbaren Universums. Zum Zeitpunkt ihrer Aussendung vor etwa 14 Milliarden Jahren betrug die Entfernung nur 30 Millionen Lichtjahre, das Verhältnis dieser Entfernungen z = 1500 ist der Faktor der Expansion des Universums über diesen Zeitraum und zugleich die Rotverschiebung.

Rotverschiebung

Auf Grund der Expansion des Universums ist die Strahlung von einem Objekt umso stärker rotverschoben, je näher dieses dem Beobachtungshorizont ist; beim Beobachtungshorizont ist die Rotverschiebung unendlich. Allerdings ist die Annahme falsch, dass sich Objekte am Beobachtungshorizont heute mit Lichtgeschwindigkeit von uns weg bewegen, wie man das bei einer einfachen (falschen) Interpretation der kosmologischen Rotverschiebung als Dopplereffekt in einem statischen Universum meinen könnte. Objekte am Beobachtungshorizont „bewegen“ sich heute scheinbar mit mehr als 3-facher Lichtgeschwindigkeit von uns weg. Das steht jedoch nicht im Widerspruch zur Relativitätstheorie, weil die Expansion des Universums keine Bewegung im Raum, sondern eine Expansion des Raumes selbst ist, sich also die kinetische Energie (und damit die Masse) des Objektes selbst nicht ändert. Heute ist auch keine Informationsübertragung von einem Objekt am Beobachtungshorizont zu uns (oder umgekehrt) mehr möglich.

Ereignishorizont

Im Gegensatz zum Beobachtungshorizont, der angibt, wie weit Objekte aktuell maximal entfernt sein können, deren Licht uns heute erreicht, gibt der Ereignishorizont an, wie weit ein Objekt heute maximal von uns entfernt sein darf, so dass uns sein Licht irgendwann in der Zukunft noch erreichen wird. Der Ereignishorizont ist demnach deutlich kleiner als der Beobachtungshorizont und liegt etwa in einer Entfernung von 16,2 Mrd. Lichtjahren, entsprechend einer Rotverschiebung von z = 1,8.

Hubble-Radius

Der Hubble-Radius bezeichnet die Entfernung, in der Galaxien eine Zurückweichgeschwindigkeit von c, der Lichtgeschwindigkeit, haben. Er ist 14,2 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt, was einer Rotverschiebung von z = 1,46 entspricht. Ein häufiges Missverständnis in diesem Zusammenhang ist, dass uns Licht außerhalb des Hubble-Radius nicht erreichen kann, da sich jenseits dieser Grenze die Objekte schneller als das Licht von uns entfernen. Dies ist jedoch nicht korrekt, da der Hubble-Radius nicht konstant ist, sondern mit der Zeit wächst und so Licht außerhalb des Hubble-Radius (aber innerhalb des Ereignishorizonts) mit der Zeit irgendwann innerhalb des Hubble-Radius liegen wird.

Literatur

• Tamara M. Davis, Charles H. Lineweaver, Expanding Confusion: Common Misconceptions of Cosmological Horizons and the Superluminal Expansion of the Universe, Publications of the Astronomical Society of Australia, Vol. 21, pp. 97-109 (2004) astro-ph/0310808

Weblinks

• AtlasOfTheUniverse.com: The Distance Scale of the Universe
• David W. Hogg: Distance measures in cosmology. arXiv:astro-ph Dez. 2000.

Einzelnachweise

1. ↑ http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmology_faq.html#DN Ned Wright, Frequently Asked Questions in Cosmology