So entfernen sich ferne Galaxien mit überlichtschneller Geschwindigkeit von uns

Je weiter sich eine Galaxie von uns entfernt, desto stärker erscheint ihr Licht rotverschoben. Eine Galaxie, die sich mit dem sich ausdehnenden Universum bewegt, wird heute sogar eine größere Anzahl von Lichtjahren entfernt sein als die Anzahl von Jahren (multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit), die das von ihr ausgestrahlte Licht brauchte, um uns zu erreichen. Aber wir können Rot- und Blauverschiebungen nur verstehen, wenn wir sie auf eine Kombination von Effekten zurückführen, die sowohl auf Bewegung (spezielle Relativitätstheorie) als auch auf die Ausdehnung des Raums (allgemeine Relativitätstheorie) zurückzuführen sind. Larry McNish vom RASC Calgary Center

Wenn man in das ferne Universum hinausschaut, trifft man auf Galaxien, die Millionen, Milliarden oder sogar Zehnmilliarden Lichtjahre entfernt sind. Je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, desto schneller scheint sie sich im Durchschnitt von uns zu entfernen. Das zeigt sich an den Farben der Sterne in der Galaxie sowie an den Emissions- und Absorptionslinien, die der Galaxie selbst eigen sind: Sie scheinen systematisch ins Rote verschoben zu sein.

Schließlich werden Sie Galaxien sehen, die so weit entfernt sind, dass ihr Licht so stark rotverschoben ist, dass sie sich scheinbar der Lichtgeschwindigkeit annähern, sie erreichen und ab einer bestimmten Entfernung sogar überschreiten. Die Tatsache, dass wir dies tatsächlich sehen, könnte Sie alles in Frage stellen lassen, was Sie über Relativitätstheorie, Physik und das Universum zu wissen glaubten. Doch was Sie sehen, ist real; diese Rotverschiebungen sind keine Lüge. Hier erfahren Sie, warum diese fernen Galaxien so stark rotverschoben sind und was das für die Lichtgeschwindigkeit bedeutet.

Für den Reisenden vergeht die Zeit spürbar anders als für die Person, die in einem konstanten Bezugssystem bleibt. Allerdings kann man Uhren (Zeit) und Lineale (Entfernung) nur zwischen Beobachtern vergleichen, die sich am gleichen Ort (oder am gleichen Satz räumlicher und zeitlicher Koordinaten) im Universum befinden; auch Beobachter, die durch eine beliebige Entfernung getrennt sind, müssen mit den nicht flachen, nicht statischen Eigenschaften der Raumzeit rechnen. Zwillingsparadoxon, über http://www.twin-paradox.com/

Die Idee der Relativitätstheorie ist etwas, das die meisten Menschen zu verstehen glauben, aber es ist wichtig, vorsichtig zu sein, weil Einsteins Theorie so leicht missverstanden werden kann. Ja, es ist wahr, dass es eine Höchstgeschwindigkeit für Objekte im Universum gibt: die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, c, oder 299.792.458 m/s. Nur Teilchen mit null Masse können sich mit dieser Geschwindigkeit bewegen; alles, was eine reale, positive Masse hat, kann sich nur langsamer als die Lichtgeschwindigkeit bewegen.

Aber wenn wir über die Begrenzung durch die Lichtgeschwindigkeit sprechen, machen wir implizit eine Annahme, die den meisten von uns nicht bewusst ist: Wir sprechen über ein Objekt, das sich relativ zu einem anderen am selben Ereignis in der Raumzeit bewegt, was bedeutet, dass sie sich zum selben Zeitpunkt am selben Ort befinden. Bei zwei Objekten mit unterschiedlichen Raumzeitkoordinaten kommt ein weiterer Faktor ins Spiel, der absolut nicht ignoriert werden kann.

Die Krümmung des Raums, wie sie von den Planeten und der Sonne in unserem Sonnensystem verursacht wird, muss bei allen Beobachtungen berücksichtigt werden, die ein Raumfahrzeug oder ein anderes Beobachtungsgerät machen würde. Die Auswirkungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, selbst die subtilen, können bei Anwendungen, die von der Weltraumforschung über GPS-Satelliten bis hin zu einem Lichtsignal in Sonnennähe reichen, nicht ignoriert werden. NASA/JPL-Caltech, für die Cassini-Mission

Zusätzlich zur speziellen relativistischen Bewegung, die relativ zu der Raumzeitkoordinate auftritt, in der man sich gerade befindet, gibt es auch einen Effekt, der sich erst zeigt, wenn man anfängt, in Begriffen der allgemeinen Relativitätstheorie zu denken: die Krümmung und Entwicklung der Raumzeit selbst.

Während die spezielle Relativitätstheorie nur im ungekrümmten, statischen Raum stattfindet, gibt es im realen Universum Materie und Energie. Das Vorhandensein von Materie/Energie bedeutet, dass Objekte in unserer Raumzeit nicht statisch und unveränderlich sein können, sondern dass sich ihre räumlichen Positionen mit der Zeit verändern, da sich die Struktur der Raumzeit selbst entwickelt. Befindet man sich in der Nähe einer großen Masse, z. B. eines Sterns oder eines schwarzen Lochs, wird der Raum gekrümmt, so dass man eine Beschleunigung in Richtung dieser Masse erfährt. Dies geschieht selbst dann, wenn es keine Bewegung relativ zum Raumgefüge selbst gibt; der Raum verhält sich wie ein fließender Fluss oder ein Laufsteg und zieht alle Objekte mit sich, während er fließt.

Bei einem Schwarzen Loch nach Schwarzschild fließt der Raum entweder wie ein Laufband oder wie ein Wasserfall, je nachdem, wie man es sich vorstellen möchte. Am Ereignishorizont würde man, selbst wenn man mit Lichtgeschwindigkeit rennen (oder schwimmen) würde, den Fluss der Raumzeit nicht überwinden können, der einen in die Singularität im Zentrum zieht. Außerhalb des Ereignishorizonts können jedoch andere Kräfte (wie der Elektromagnetismus) häufig die Anziehungskraft der Schwerkraft überwinden, so dass sogar die einfallende Materie entkommen kann. Andrew Hamilton / JILA / University of Colorado

In einem Universum, das in etwa gleichmäßig mit Materie gefüllt ist, insbesondere auf den größten Skalen, gelten die Veränderungen, die die Raumzeit erfährt, auf Skalen des gesamten beobachtbaren Universums. Insbesondere kann ein Universum, das sowohl homogen (an allen Orten gleich) als auch isotrop (in allen Richtungen gleich) gefüllt ist, nicht statisch bleiben, sondern muss sich entweder ausdehnen oder zusammenziehen.

Als Alexander Friedmann 1922 erstmals die Gleichungen ableitete, die diese Lösung verlangten, wurde ihr wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Fünf Jahre später stieß Georges Lemaître völlig unabhängig auf dieselbe Lösung, die er sofort an Einstein selbst schickte. Als er sie erhielt, konnte Einstein nichts an der Arbeit aussetzen, aber er konnte die Schlussfolgerung nicht akzeptieren und erklärte: „Ihre Berechnungen sind korrekt, aber Ihre Physik ist abscheulich.“ Aber seine Physik war nicht abscheulich; sie war der Schlüssel zur Entschlüsselung des Universums.

, die durch die interstellaren Wolken scheinen. Veränderliche Sterne gibt es in vielen Varianten; eine von ihnen, die Cepheiden, können sowohl in unserer eigenen Galaxie als auch in Galaxien, die bis zu 50-60 Millionen Lichtjahre entfernt sind, gemessen werden. Dies ermöglicht es uns, Entfernungen von unserer eigenen Galaxie zu weit entfernten Galaxien im Universum zu extrapolieren. Anstelle von Cepheiden können auch andere Klassen von Einzelsternen, wie z. B. ein Stern an der Spitze des AGB oder ein RR-Lyrae-Veränderlicher, verwendet werden, was zu ähnlichen Ergebnissen und demselben kosmischen Rätsel bezüglich der Expansionsrate führt. NASA, ESA und das Hubble Heritage Team

Ungefähr zur gleichen Zeit – in den 1910er und 1920er Jahren – hatten die Astronomen gerade die technischen Möglichkeiten erlangt, zwei wichtige Messungen an schwachen, weit entfernten Objekten vorzunehmen.

1. Mit Hilfe der Spektroskopie, bei der das Licht eines Objekts in seine einzelnen Wellenlängen zerlegt werden kann, konnten die Astronomen die sichere Signatur bestimmter Atome erkennen: Absorptions- und Emissionslinien, die bei bestimmten Wellenlängen auftreten. Anhand der systematischen Verschiebung dieser Spektrallinien, entweder zum Roten oder zum Blauen hin um denselben Gesamtfaktor, könnten die Astronomen die gesamte Rotverschiebung (oder Blauverschiebung) eines fernen Objekts, z. B. einer Galaxie, messen.
2. Indem sie spezifische Eigenschaften eines fernen Objekts identifizieren, die Aufschluss über seine intrinsischen Eigenschaften geben, z. B. die intrinsische Helligkeit eines Sterns oder die tatsächliche Größe einer Galaxie, sowie die scheinbare Helligkeit oder den scheinbaren Winkeldurchmesser, könnten die Astronomen dann auf die Entfernung zu diesem Objekt schließen.

Die Objekte, die wir beobachten, zeigen die spektralen Signaturen der Absorption oder Emission bestimmter Atome, Ionen oder Moleküle, jedoch mit einer systematischen Verschiebung zum roten oder blauen Ende des Lichtspektrums. In Verbindung mit den Entfernungsmessungen von Hubble führten diese Daten zu der ursprünglichen Idee eines sich ausdehnenden Universums: Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto stärker ist ihr Licht rotverschoben. Vesto Slipher, (1917): Proc. Amer. Phil. Soc., 56, 403

Bei der Kombination beider Beobachtungen, mit der die Wissenschaftler gegen Ende der 1920er Jahre begannen, zeigte sich ein klares Muster: Je weiter entfernt eine Galaxie gemessen wurde, desto größer war ihre Rotverschiebung. Dies war nur ein allgemeiner Trend, da einzelne Galaxien zusätzliche Rotverschiebungen und Blauverschiebungen aufwiesen, die diesen allgemeinen Trend überlagerten, aber der allgemeine Trend blieb klar.

Die „zusätzlichen“ Rotverschiebungen und Blauverschiebungen, die auftauchen, sind immer unabhängig von der Entfernung und entsprechen Geschwindigkeiten von einigen Dutzend, Hunderten oder einigen Tausend Kilometern pro Sekunde, aber nicht schneller. Betrachtet man jedoch Galaxien, die doppelt so weit entfernt sind wie eine nähere Galaxie, so ist die durchschnittliche Rotverschiebung doppelt so groß wie die der näheren Galaxien. Bei 10-facher Entfernung ist die Rotverschiebung 10-mal so groß. Und dieser Trend setzt sich so weit fort, wie wir bereit sind, hinzuschauen, von Millionen über Zehnmillionen bis hin zu Hunderten von Millionen und Milliarden Lichtjahren Entfernung.

Ausdehnung des Universums, gefolgt von später detaillierteren, aber auch unsicheren Beobachtungen. Hubbles Diagramm zeigt deutlich die Rotverschiebungs-Entfernungs-Beziehung mit besseren Daten als seine Vorgänger und Konkurrenten; die modernen Entsprechungen gehen viel weiter. Man beachte, dass eigenartige Geschwindigkeiten immer vorhanden sind, selbst bei großen Entfernungen. Robert P. Kirshner (R), Edwin Hubble (L)

Wie Sie sehen können, ist der Trend, dass diese Beziehung – zwischen der gemessenen Rotverschiebung und der Entfernung – für außergewöhnliche Entfernungen bestehen bleibt. Die Rotverschiebungs-Entfernungs-Beziehung, die seit Generationen als Hubble-Gesetz bekannt ist (vor kurzem als Hubble-Lemaître-Gesetz revidiert), aber unabhängig voneinander sowohl von Lemaître als auch von Howard Robertson entdeckt wurde, bevor Hubble sie veröffentlichte, ist eine der stabilsten empirischen Beziehungen, die jemals in der Astronomie entdeckt wurden.

Die Standardinterpretation dieses Trends, einschließlich der zusätzlichen Rotverschiebungen und Blauverschiebungen, die jedem einzelnen Objekt eigen sind, ist, dass es zwei Teile für die Rotverschiebungen und/oder Blauverschiebungen jedes Objekts gibt.

1. Die Komponente, die auf die Gesamtexpansion des Universums zurückzuführen ist, die Rotverschiebungs-Entfernungs-Beziehung, ist für den größten Teil der Rotverschiebung verantwortlich, insbesondere bei großen Entfernungen.
2. Die Komponente, die auf die Bewegung jeder einzelnen Galaxie durch den Raum zurückzuführen ist und die „zusätzlichen“ Störungen auf der Haupttrendlinie ausmacht, ist auf die spezielle relativistische Bewegung relativ zum expandierenden Raumgefüge zurückzuführen.

unterdichten (blauen/schwarzen) Regionen des Universums in unserer Nähe. Die Linien und Pfeile veranschaulichen die Richtung der eigenartigen Geschwindigkeitsströme, d. h. der gravitativen Stöße und Anziehungskräfte auf die Galaxien um uns herum. Alle diese Bewegungen sind jedoch in das Gefüge des sich ausdehnenden Raums eingebettet, so dass eine gemessene/beobachtete Rotverschiebung oder Blauverschiebung die Kombination aus der Ausdehnung des Raums und der Bewegung eines entfernten, beobachteten Objekts ist. Cosmography of the Local Universe – Courtois, Helene M. et al. Astron.J. 146 (2013) 69

Die speziellen relativistischen Bewegungen sind leicht zu verstehen: Sie bewirken eine Verschiebung der Wellenlänge des Lichts auf die gleiche Weise, wie ein fahrender Eiswagen eine Verschiebung der Wellenlänge des Schalls bewirkt, der an Ihrem Ohr ankommt. Wenn sich der Eiswagen auf dich zubewegt, kommen seine Schallwellen komprimiert und in höheren Tönen bei dir an, was einer Blauverschiebung des Lichts entspricht. Wenn er sich von Ihnen wegbewegt, ist mehr Platz zwischen den einzelnen Wellenkämmen, und so klingt er tiefer, analog zu einer Rotverschiebung.

Aber die Ausdehnung des Raums spielt eine wichtigere Rolle, besonders in größeren Maßstäben. Wenn man sich den Raum als eine Teigkugel vorstellt, in der Rosinen verteilt sind (die gravitativ gebundene Strukturen wie Galaxien repräsentieren), dann wird jede Rosine die nahe gelegenen Rosinen als langsam und in alle Richtungen zurückweichend wahrnehmen. Doch je weiter eine Rosine entfernt ist, desto schneller scheint sie sich zu entfernen, obwohl sich die Rosinen in Bezug auf den Teig nicht bewegen. Der Teig dehnt sich aus, genauso wie sich der Raum ausdehnt, und alles, was wir tun können, ist, die gesamte Rotverschiebung zu betrachten.

Universum, in dem die relativen Entfernungen mit der Ausdehnung des Raums (Teigs) zunehmen. Je weiter zwei Rosinen voneinander entfernt sind, desto größer ist die beobachtete Rotverschiebung, wenn das Licht empfangen wird. Die durch das expandierende Universum vorhergesagte Rotverschiebungs-Entfernungs-Beziehung wird durch Beobachtungen bestätigt und stimmt mit dem überein, was bereits seit den 1920er Jahren bekannt ist. NASA / WMAP Science Team

Wenn man den Wert der Expansionsrate misst, stellt man fest, dass er in Form einer Geschwindigkeit pro Entfernungseinheit ausgedrückt werden kann. Aus der kosmischen Entfernungsleiter lässt sich zum Beispiel ein Wert von H0, der Expansionsrate, ableiten, der 73 km/s/Mpc beträgt. (Wobei ein Mpc etwa 3,26 Millionen Lichtjahre entspricht.) Die Verwendung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds oder der Merkmale großräumiger Strukturen ergibt einen ähnlichen, aber etwas niedrigeren Wert: 67 km/s/Mpc.

So oder so gibt es eine kritische Entfernung, bei der die scheinbare Rückzugsgeschwindigkeit einer Galaxie die Lichtgeschwindigkeit übersteigt: etwa 13 bis 15 Milliarden Lichtjahre entfernt. Darüber hinaus scheinen sich Galaxien schneller als das Licht zu entfernen, was jedoch nicht auf eine tatsächliche Superluminalbewegung zurückzuführen ist, sondern vielmehr auf die Tatsache, dass sich der Raum selbst ausdehnt, was zu einer Rotverschiebung des Lichts von entfernten Objekten führt. Wenn wir die ausgefeilten Details dieser Beziehung untersuchen, können wir eindeutig feststellen, dass die Erklärung „Bewegung“ nicht mit den Daten übereinstimmt.

Erklärung für Rotverschiebung/Abstand (gepunktete Linie) und Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie (durchgezogen) für Abstände im expandierenden Universum. Definitiv stimmen nur die Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie mit dem überein, was wir beobachten. Wikimedia Commons Benutzer Redshiftimprove

Das Universum dehnt sich wirklich aus, und der Grund, warum wir das Licht von weit entfernten Objekten so stark rotverschoben sehen, ist auf die Ausdehnung des Raums zurückzuführen, nicht auf die Bewegung von Galaxien im Raum. In Wahrheit bewegen sich einzelne Galaxien typischerweise mit relativ geringer Geschwindigkeit durch den Raum: zwischen 0,05 % und 1,0 % der Lichtgeschwindigkeit, nicht mehr.

Aber man muss nicht in sehr große Entfernungen blicken – 100 Millionen Lichtjahre reichen völlig aus – bevor die Auswirkungen des expandierenden Universums unbestreitbar werden. Die am weitesten entfernten Galaxien, die wir sehen können, sind bereits mehr als 30 Milliarden Lichtjahre entfernt, denn das Universum dehnt sich immer weiter aus und streckt das ultraferne Licht, bevor es bei uns ankommt. Mit dem Übergang von der Hubble- zur James-Webb-Ära hoffen wir, diese Grenze noch weiter hinausschieben zu können. Doch egal, wie weit wir sehen können, die meisten Galaxien des Universums werden für immer außerhalb unserer Reichweite liegen.

Teile des Universums, die dank der Expansion des Raums und der Energiekomponenten des Universums so sind, wie sie sind. 97 % der Galaxien in unserem beobachtbaren Universum befinden sich außerhalb des magentafarbenen Kreises; sie sind für uns heute unerreichbar, selbst im Prinzip, obwohl wir sie aufgrund der Eigenschaften von Licht und Raumzeit immer in ihrer Vergangenheit sehen können. E. Siegel, basierend auf einer Arbeit der Wikimedia Commons-Benutzer Azcolvin 429 und Frédéric MICHEL

Alle Galaxien im Universum jenseits einer bestimmten Entfernung scheinen sich mit einer Geschwindigkeit schneller als das Licht von uns zu entfernen. Selbst wenn wir heute ein Photon mit Lichtgeschwindigkeit aussenden würden, würde es niemals eine Galaxie jenseits dieser bestimmten Entfernung erreichen. Das bedeutet, dass alle Ereignisse, die sich heute in diesen Galaxien ereignen, von uns niemals beobachtet werden können. Das liegt jedoch nicht daran, dass sich die Galaxien selbst schneller als das Licht bewegen, sondern daran, dass sich der Raum selbst ausdehnt.

In den 7 Minuten, die Sie zum Lesen dieses Artikels gebraucht haben, hat sich das Universum so weit ausgedehnt, dass weitere 15.000.000 Sterne die kritische Entfernung überschritten haben und für immer unerreichbar geworden sind. Sie scheinen sich nur dann schneller als das Licht zu bewegen, wenn wir auf einer rein speziell-relativistischen Erklärung der Rotverschiebung bestehen – ein törichter Weg in einer Zeit, in der die allgemeine Relativitätstheorie gut bestätigt ist. Aber es führt zu einer noch unangenehmeren Schlussfolgerung: von den 2 Billionen Galaxien, die in unserem beobachtbaren Universum enthalten sind, sind derzeit nur 3 % erreichbar, selbst mit Lichtgeschwindigkeit.

Wenn wir das größtmögliche Universum erforschen wollen, können wir uns keine Verzögerung leisten. Mit jedem Augenblick, der verstreicht, entgleitet uns eine weitere Chance, intelligentes Leben zu finden.

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