Universum sagt: „Halt mir mein Bier“ zur Lichtgeschwindigkeit, folgt aber trotzdem der Physik

Ein expandierendes Universum macht die Entfernungsmessung komplizierter, weil der Raum nicht stillsteht, während Licht hindurchreist. Galaxien senden weiterhin Licht aus, aber dieses Licht kann Milliarden von Jahren brauchen, um den Kosmos zu durchqueren, bevor es uns erreicht. Während dieser Reise dehnt sich das Universum weiter aus und vergrößert den durchschnittlichen Abstand zwischen den Galaxien (ja, wir wissen, dass Galaxien kollidieren können, aber im Durchschnitt, auf großen Skalen, entfernen sie sich voneinander).

Das bedeutet: Wenn ein Teleskop das Licht einer fernen Galaxie einfängt, zeigt das Bild nicht, wo sich diese Galaxie heute befindet. Es zeigt die Galaxie so, wie sie aussah, als das Licht seine Reise begann. Um ihre heutige Entfernung abzuschätzen, müssen Astronomen ein kosmologisches Modell verwenden, das berücksichtigt, wie sich das Universum im Laufe der Zeit ausgedehnt hat.

Das heute führende Modell heißt LCDM. Es beinhaltet Dunkle Materie (anderes Thema) und Dunkle Energie (anderes Thema). Die Stärken und Grenzen von LCDM sind eine separate Diskussion wert (anderes Thema), aber alternative Modelle ändern das hier beschriebene Gesamtbild nicht wesentlich.

Das Universum ist etwa 13,77 Milliarden Jahre alt, aber die entferntesten Regionen, die wir beobachten können, sind heute etwa 45 Milliarden Lichtjahre entfernt. Der Raum hat sich während der gesamten Zeit ausgedehnt, in der ihr Licht zu uns unterwegs war.

Diese Grenze ist als Teilchenhorizont, kosmologischer Horizont oder mitbewegter Horizont bekannt – je nachdem, wie stylisch man sich gerade fühlt. Sie definiert den äußeren Rand unserer beobachtbaren Blase und markiert die größte Entfernung, die wir heute sehen können.

Zunächst scheinen die Zahlen widersprüchlich. Wie kann das beobachtbare Universum 45 Milliarden Lichtjahre ausdehnen, wenn das Universum nur 13,77 Milliarden Jahre alt ist? Die Antwort ist, dass sich das Universum schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnen kann.

Warum Expansion schneller als Licht erlaubt ist

Dies verstößt nicht gegen die Gesetze der Physik. Die Lichtgeschwindigkeit begrenzt, wie schnell sich Objekte lokal durch den Raum bewegen können. Ein Beobachter wird nie sehen, dass eine nahe Rakete schneller als Licht vorbeifliegt.

Die kosmische Expansion ist anders. Ferne Galaxien rasen nicht unbedingt im üblichen Sinne durch den Raum. Stattdessen wächst der Raum zwischen uns und diesen Galaxien. Die spezielle Relativitätstheorie schränkt nicht ein, wie schnell große Entfernungen im Universum zunehmen können.

Astronomen können abschätzen, wie schnell eine Galaxie zurückweicht, indem sie ihre Rotverschiebung messen. Wenn eine Galaxie sich entfernt, wird ihr Licht zu röteren Wellenlängen im elektromagnetischen Spektrum gedehnt. Edwin Hubble nutzte diesen Effekt, um Hinweise darauf zu finden, dass sich das Universum ausdehnt.

In einem expandierenden Universum entfernen sich weiter entfernte Galaxien im Allgemeinen schneller, weil mehr Raum zwischen ihnen und uns liegt. Mehr Raum bedeutet mehr Distanz, die expandieren kann.

Der Punkt, an dem Galaxien beginnen, sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit zu entfernen, wird als Hubble-Distanz bezeichnet. Sie liegt etwa 13,77 Milliarden Lichtjahre entfernt.

Warum wir sich schneller bewegende Galaxien trotzdem sehen können

Wir können Galaxien jenseits der Hubble-Distanz beobachten, weil das Licht, das uns heute erreicht, vor langer Zeit ausgesandt wurde, als diese Galaxien viel näher waren. Wir könnten auch irgendwann Licht von einigen noch weiter entfernten Galaxien empfangen, vorausgesetzt, das Licht begann seine Reise zu uns, als die Galaxien näher waren.

Es gibt jedoch eine ultimative Grenze, den sogenannten kosmologischen Ereignishorizont (der sich geringfügig vom Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs unterscheidet). Er liegt derzeit etwa 17 Milliarden Lichtjahre entfernt.

Jegliches Licht, das JETZT von jenseits dieser Grenze ausgesendet wird, wird uns NIE erreichen, egal wie lange wir warten. Die Expansion des Raums wird verhindern, dass es die wachsende Distanz überwindet.

Die durch Dunkle Energie angetriebene beschleunigte Expansion macht diese Trennung noch extremer. Der kosmologische Ereignishorizont wird sich in Zukunft weiter ausdehnen, aber schließlich eine maximale Entfernung von etwa 60 Milliarden Lichtjahren erreichen.

Selbst dann werden Beobachter nicht alles innerhalb dieser Entfernung sehen können. Licht von den am weitesten entfernten Objekten wird uns nie erreichen, weil die Expansion zu schnell ist.