Einführung
Vor ungefähr 13,8 Milliarden Jahren begann das Universum, wie wir es kennen. In diesem Moment, der als Urknall bekannt ist, begann sich der Raum selbst rasch auszudehnen. Zur Zeit des Urknalls passte das beobachtbare Universum (einschließlich der Materialien für mindestens 2 Billionen Galaxien) in einen Raum mit einem Durchmesser von weniger als einem Zentimeter. Jetzt ist das beobachtbare Universum 93 Milliarden Lichtjahre breit und dehnt sich immer noch aus.
Es gibt viele Fragen zum Urknall, insbesondere zu dem, was davor war (wenn überhaupt). Aber Wissenschaftler wissen einige Dinge. Lesen Sie weiter für einige der aufregendsten Entdeckungen über den Anfang von allem.
Das Universum dehnt sich aus
Bis 1929 waren die Ursprünge des Universums vollständig von Mythos und Theorie umgeben. In diesem Jahr entdeckte ein unternehmungslustiger Astronom namens Edwin Hubble etwas sehr Wichtiges am Universum, das neue Wege zum Verständnis seiner Vergangenheit eröffnen würde: Das Ganze erweitert sich.
Hubble machte seine Entdeckung durch Messung der sogenannten Rotverschiebung, dh der Verschiebung zu längeren roten Wellenlängen des Lichts, die in sehr weit entfernten Galaxien zu sehen sind. (Je weiter das Objekt entfernt ist, desto ausgeprägter ist die Rotverschiebung.) Hubble stellte fest, dass die Rotverschiebung in weit entfernten Galaxien linear mit der Entfernung zunahm, was darauf hinweist, dass das Universum nicht stationär ist. Es dehnt sich überall auf einmal aus.
Hubble war in der Lage, die Rate dieser Expansion zu berechnen, eine Zahl, die laut NASA als Hubble-Konstante bekannt ist. Es war diese Entdeckung, die es Wissenschaftlern ermöglichte, zurück zu extrapolieren und zu theoretisieren, dass das Universum einst in einen winzigen Punkt gepackt war. Sie nannten den ersten Moment seiner Expansion den Urknall.
Kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung
Im Mai 1964 arbeiteten Arno Penzias und Robert Wilson, Forscher der Bell Telephone Laboratories, am Bau eines neuen Funkempfängers in New Jersey. Ihre Antenne nahm immer wieder ein seltsames Summen auf, das die ganze Zeit von überall her zu kommen schien. Sie dachten, es könnten Tauben in der Ausrüstung sein, aber das Entfernen der Nester brachte nichts. Auch ihre anderen Versuche, Störungen zu reduzieren, wurden nicht unternommen. Schließlich stellten sie fest, dass sie etwas Reales aufnahmen.
Es stellte sich heraus, dass sie das erste Licht des Universums entdeckt hatten: kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Diese Strahlung stammt aus etwa 380.000 Jahren nach dem Urknall, als sich das Universum schließlich so weit abkühlte, dass sich Photonen (die wellenförmigen Teilchen, aus denen Licht besteht) frei bewegen können. Die Entdeckung stützte die Urknalltheorie und die Vorstellung, dass sich das Universum im ersten Moment schneller ausdehnte als die Lichtgeschwindigkeit. (Das liegt daran, dass der kosmische Hintergrund ziemlich gleichmäßig ist, was auf eine gleichmäßige Ausdehnung von allem auf einmal von einem kleinen Punkt aus hindeutet.)
Himmelskarte
Die Entdeckung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds öffnete ein Fenster in die Ursprünge des Universums. 1989 startete die NASA einen Satelliten namens Cosmic Background Explorer (COBE), der winzige Variationen der Hintergrundstrahlung maß. Das Ergebnis war laut NASA ein "Babybild" des Universums, das einige der ersten Dichtevariationen im expandierenden Universum zeigt. Diese winzigen Variationen haben wahrscheinlich zu dem Muster von Galaxien und leeren Räumen geführt, das als kosmisches Netz von Galaxien bekannt ist und das wir heute im Universum sehen.
Direkter Hinweis auf Inflation
Der kosmische Mikrowellenhintergrund ermöglichte es den Forschern auch, die "rauchende Waffe" für die Inflation zu finden - diese massive Expansion, die beim Urknall schneller als Licht erfolgte. (Obwohl Einsteins Theorie der speziellen Relativitätstheorie besagt, dass nichts schneller als Licht durch den Raum geht, war dies keine Verletzung; der Raum selbst wurde erweitert.) 2016 gaben Physiker bekannt, dass sie in einigen von ihnen eine bestimmte Art von Polarisation oder Richtwirkung entdeckt hatten der kosmische Mikrowellenhintergrund. Diese Polarisation ist als "B-Moden" bekannt. Die B-Mode-Polarisation war der erste direkte Beweis für Gravitationswellen vom Urknall. Gravitationswellen entstehen, wenn massive Objekte im Weltraum schneller oder langsamer werden (die ersten, die jemals entdeckt wurden, kamen von der Kollision zweier Schwarzer Löcher). Die B-Modi bieten eine neue Möglichkeit, die Expansion des frühen Universums direkt zu untersuchen - und vielleicht herauszufinden, was sie angetrieben hat.
Bisher keine zusätzlichen Abmessungen
Eine Folge der Gravitationswellenentdeckung war, dass Wissenschaftler nach zusätzlichen Dimensionen suchen konnten, die über die üblichen drei hinausgingen. Laut Theoretikern sollten Gravitationswellen in unbekannte Dimensionen übergehen können, wenn diese Dimensionen existieren. Im Oktober 2017 entdeckten Wissenschaftler Gravitationswellen bei der Kollision zweier Neutronensterne. Sie maßen die Zeit, die die Wellen brauchten, um von den Sternen zur Erde zu gelangen, und fanden keine Hinweise auf eine extradimensionale Leckage.
Die Ergebnisse, die im Juli 2018 im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics veröffentlicht wurden, legen nahe, dass andere Dimensionen winzig sind - sie würden Bereiche des Universums betreffen, die weniger als 1,6 Kilometer groß sind. Das bedeutet, dass die Stringtheorie, die besagt, dass das Universum aus winzigen vibrierenden Saiten besteht und mindestens 10 teensy Dimensionen vorhersagt, immer noch wahr sein könnte.
Expansion beschleunigt sich…
Eine der seltsamsten Entdeckungen in der Physik ist, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt, sondern sich mit zunehmender Geschwindigkeit ausdehnt.
Die Entdeckung geht auf das Jahr 1998 zurück, als Physiker die Ergebnisse mehrerer langjähriger Projekte bekannt gaben, bei denen besonders schwere Supernovae, sogenannte Typ Ia-Supernovae, gemessen wurden. Die Ergebnisse (mit denen die Forscher Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt und Adam G. Reiss 2011 einen Nobelpreis erhielten) zeigten ein schwächer als erwartetes Licht aus der entferntesten dieser Supernovae. Dieses schwache Licht zeigte, dass sich der Raum selbst ausdehnt: Alles im Universum entfernt sich allmählich von allem anderen.
Wissenschaftler nennen den Treiber dieser Expansion "dunkle Energie", einen mysteriösen Motor, der etwa 68% der Energie im Universum ausmachen könnte. Diese dunkle Energie scheint entscheidend zu sein, um Theorien über den Beginn des Universums an Beobachtungen anzupassen, die derzeit durchgeführt werden, wie sie beispielsweise von der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) der NASA gemacht wurden, einem Instrument, das die genaueste Karte des Kosmos erstellt hat Mikrowellenhintergrund noch.
… Noch schneller als erwartet
Neue Ergebnisse des Hubble-Teleskops, das im April 2019 veröffentlicht wurde, haben das Rätsel des expandierenden Universums vertieft. Die Messungen mit dem Weltraumteleskop zeigen, dass die Expansion des Universums 9% schneller ist als von früheren Beobachtungen erwartet. Für Galaxien bedeutet jede Entfernung von 3,3 Millionen Lichtjahren von der Erde eine zusätzliche Geschwindigkeit von 74 km / s (46 Meilen pro Sekunde), schneller als in früheren Berechnungen vorhergesagt, so die NASA.
Warum ist das für die Ursprünge des Universums wichtig? Weil den Physikern etwas fehlen muss. Nach Angaben der NASA gab es während des Urknalls und kurz danach möglicherweise drei separate "Energiestöße". Diese Ausbrüche bereiten die Bühne für das, was wir heute sehen. Der erste könnte die anfängliche Erweiterung begonnen haben; Eine Sekunde ist möglicherweise viel schneller passiert und wirkt wie ein schwerer Fuß, der auf das Gaspedal des Universums gedrückt wird, wodurch sich das Universum schneller ausdehnt als bisher angenommen. Ein letzter Ausbruch dunkler Energie könnte die beschleunigte Expansion des Universums heute erklären.
Nichts davon ist bewiesen - noch nicht. Aber Wissenschaftler suchen. Forscher der University of Texas am Austin McDonald Observatory verwenden ein neu aufgerüstetes Instrument, das Hobby-Eberly-Teleskop, um direkt nach dunkler Energie zu suchen. Das Projekt, das Hobby-Eberly-Teleskop-Experiment zur Dunklen Energie (HETDEX), misst das schwache Licht von Galaxien in einer Entfernung von 11 Milliarden Lichtjahren, sodass Forscher Änderungen der Beschleunigung des Universums im Laufe der Zeit beobachten können. Sie werden auch die Echos von Störungen im 400.000 Jahre alten Universum untersuchen, die in der dichten Partikelsuppe entstanden sind, aus der alles direkt nach dem Urknall bestand. Auch dies wird die Geheimnisse der Expansion enthüllen und die dunkle Energie erklären, die sie angetrieben hat.
