Kann sich das Universum schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnen?

Beobachtbares Universum. Galaxien weichen großräumigen Strukturen und dem heißen, dichten Plasma des Urknalls am Rande. Bildnachweis: Pablo Carlos Budassi (Unmismoobjetivo) unter einer c.c.a.-s.a.-3.0-Lizenz.

Eines der berühmtesten Grundgesetze Einsteins besagt, dass sich nichts im Universum schneller als mit Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bewegen kann. Wenn Sie ein masseloses Teilchen sind, müssen Sie sich mit dieser Geschwindigkeit fortbewegen, und wenn Sie eine Masse ungleich Null haben, ist es für Sie unmöglich, diese Geschwindigkeit zu erreichen, egal wie viel Energie Sie hineinpumpen. Noch überraschender und kontraintuitiv ist dies: Wenn ein Teilchen, das sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt, ein anderes Teilchen abschießt, das sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt, bewegt es sich nicht mit fast doppelter Lichtgeschwindigkeit. Tatsächlich kann es noch nicht einmal die Lichtgeschwindigkeit selbst erreichen! Aber diese Regeln gelten streng genommen nur für Teilchen, die sich am gleichen Ort in der Raumzeit befinden. Im expandierenden Universum – in der gekrümmten Raumzeit im Allgemeinen – gelten ganz andere Regeln. Je nachdem, wie man es betrachtet, ist die Expansion des Universums selbst überhaupt nicht an die Lichtgeschwindigkeit gebunden.

Wie ist das möglich? Beginnen wir mit der Lichtgeschwindigkeit und was das bedeutet.

comedynose (Pete), illustriert schnelle, relativistische Bewegung. Bild abgerufen über https://www.flickr.com/photos/comedynose/23696582553.

Unabhängig davon, wo man sich befindet oder was man ist, gibt es eine absolute Grenze dafür, wie schnell man sich durch den Raum bewegen kann. Man könnte denken, dass man sich schneller bewegen kann, indem man immer mehr Energie aufwendet … und obwohl das stimmt, ist es nur bis zu einem gewissen Punkt wahr. Wenn Sie sich nur mit ein paar Metern pro Stunde oder ein paar Kilometern pro Stunde oder sogar ein paar Kilometern pro Sekunde bewegen, wie die Erde, die die Sonne umkreist, werden Sie wahrscheinlich nicht einmal die Hindernisse bemerken, die einer unendlichen Geschwindigkeit entgegenstehen. Aber sie existieren trotzdem, wenn auch auf subtile Weise. Sie sehen, je schneller Sie sich bewegen – je größer Ihre Bewegung durch den Raum ist – desto langsamer wird Ihre Bewegung durch die Zeit. Stellen Sie sich vor, Sie befänden sich völlig in Ruhe auf der Erdoberfläche, und Sie hätten einen Freund, der mit Ihnen, ebenfalls in Ruhe, beginnt, dann aber in einem Jet abhebt, um die Welt zu umrunden. Bevor Sie und Ihr Freund abfliegen, synchronisieren Sie beide Ihre Uhren, und zwar auf die Mikrosekunde genau.

Wenn Sie einen Zeitmesser hätten, der empfindlich genug wäre, würden Sie feststellen, dass – wenn Ihr Freund seine Reise beendet hat und zu Ihnen zurückkehrt – Ihre Uhren nur geringfügig nicht mehr synchron zueinander sind. Ihre Uhr würde eine geringfügig spätere Zeit anzeigen als die Ihres Freundes, wahrscheinlich nur um einige zehn Mikrosekunden, aber unterschiedlich genug, dass eine präzise Messung sie unterscheiden könnte.

Und je schneller Sie unterwegs sind, desto deutlicher wird der Unterschied.

Astronauten auf der Internationalen Raumstation, die in nur 90 Minuten um die Erde sausen, sehen ihre Uhren um Sekunden langsamer laufen; bei der Rückkehr zur Erde ist der Unterschied in der verstrichenen Zeit auch bei herkömmlichen Uhren spürbar. Das Merkwürdige ist, dass nicht nur die Uhren aufgrund der hohen Geschwindigkeiten anders laufen, sondern auch die Zeit selbst anders vergeht.

Die Tatsache, dass Uhren bei hohen Geschwindigkeiten langsamer laufen, ist nur ein Artefakt des umfassenderen Phänomens, dass Zeit und Raum miteinander verbunden sind, und dass eine schnellere Bewegung durch den Raum eine langsamere Bewegung durch die Zeit bedeutet. Die Verbindung zwischen beiden – Raum und Zeit – ist durch die Lichtgeschwindigkeit gegeben. Je näher man sich der Lichtgeschwindigkeit nähert, desto mehr nähert sich der Zeitablauf asymptotisch dem Wert Null.

Deshalb kann ein Myon, ein instabiles Teilchen mit einer mittleren Lebensdauer von nur zwei Mikrosekunden, an der Spitze der Atmosphäre mit Geschwindigkeiten sehr nahe der Lichtgeschwindigkeit entstehen und bis zur Erdoberfläche gelangen. Das ist eine Reise von etwa 100 km, während es, wenn es sich nur mit 300.000 km/s (der Lichtgeschwindigkeit) für 2,2 Mikrosekunden bewegen würde, nach der Durchquerung von nur 0,6 % der notwendigen Distanz zerfallen würde. Der Grund dafür, dass ein Myon es bis zur Erdoberfläche schaffen kann – und wenn Sie Ihre Hand ausstrecken, geht etwa ein Myon pro Sekunde durch sie hindurch – liegt in diesem Effekt der Relativitätstheorie.

Der Coma-Galaxienhaufen befindet sich in der Nähe, nur 330 Millionen Lichtjahre entfernt. Bildnachweis: Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona, unter c.c.-by-s.a.-3.0.

Was ist nun mit dem expandierenden Universum? Sie wissen, dass sich eine Galaxie im Durchschnitt umso schneller von uns zu entfernen scheint, je weiter sie von uns entfernt ist. Galaxien im Virgo-Haufen, die etwa 50 bis 60 Millionen Lichtjahre entfernt sind, entfernen sich im Durchschnitt mit etwa 1200 km/s von uns; Galaxien im Coma-Haufen, der etwa 330 Millionen Lichtjahre entfernt ist, scheinen sich mit 7000 km/s von uns zu entfernen.

Je weiter wir weg schauen, desto schneller scheinen sich diese Galaxien und Haufen zu entfernen. Sicher, es gibt kleine Schwankungen von ein paar hundert oder sogar tausend km/s aufgrund lokaler Bewegungen und der Wirkung von nahegelegenen Gravitationsanziehungen, aber auf den größten Skalen – und bei den größten Entfernungen – können wir sehen, dass sich diese Galaxien umso schneller von uns entfernen, je weiter wir weg schauen. Diese Beobachtung, die erstmals von Edwin Hubble selbst in den 1920er Jahren gemacht wurde, ist die Grundlage für das Hubble-Gesetz, das die Ausdehnung des Universums beschreibt. Mit den besten modernen Beobachtungen, die uns zur Verfügung stehen, setzt sich dieses Gesetz über Milliarden von Lichtjahren in alle Richtungen fort.

von Betoule et al. (2014), via http://www.astro.ucla.edu/~wright/sne_cosmology.html.

„Moment mal“, höre ich Sie schon protestieren. „Was ist mit der Lichtgeschwindigkeit?“ In der Tat, was ist mit der Lichtgeschwindigkeit? Sicherlich würde diese unsichtbare Barriere – diejenige, die alle Formen von Materie davon abhält, sich über eine bestimmte Geschwindigkeit hinaus zu bewegen – in Kraft treten und die Galaxien daran hindern, sich über einen bestimmten Punkt hinaus zu entfernen, oder? Die Zeit würde asymptotisch werden und aufhören zu vergehen, wenn man sich dieser Geschwindigkeit nähert, und es ist für immer verboten, mit einer Geschwindigkeit von weniger als Null zu vergehen, sonst würden sich diese Galaxien in der Zeit zurückbewegen, nicht wahr?

Sie könnten so denken, aber wir haben ein wichtiges Teil des Puzzles ausgelassen. Die Lichtgeschwindigkeit gilt als Grenze nur für Objekte, die sich relativ zueinander am gleichen Ort im Raum bewegen.

Astronaut Scott Kelly zusammen mit seinem Bruder, dem ehemaligen Astronauten Mark Kelly, im Johnson Space Center. Scott verbrachte ein Jahr im All, an Bord der ISS, während Mark am Boden blieb. Bildnachweis: NASA / Robert Markowitz.

Wenn Ihr Freund mit dem Flugzeug abflog und mit der Uhr knapp hinter Ihnen zurückkehrte, lag das daran, dass Sie sich am selben Ort wiedertrafen. Als die Astronauten zur Erde zurückkehrten und ihre Reise um einige Sekunden kürzer war als Ihre, lag das daran, dass Sie am selben Ort landeten. Sogar das Myon, das sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt, bewegte sich relativ zu Ihrem Bezugssystem hier auf der Erde, und deshalb waren seine Auswirkungen beobachtbar.

Aber da draußen im fernen Universum bewegen sich diese Galaxien nicht wirklich. Vielmehr dehnt sich der Raum zwischen ihnen aus, aber die einzelnen Galaxien selbst sind gewissermaßen stationär in Bezug auf den Raum selbst.

Das mag man als rein theoretische Vorhersage nicht glauben, aber es gibt einen Test, den man machen kann: indem man diese fernen Galaxien betrachtet und ihre Rotverschiebung und ihre Entfernungen misst, kann man überprüfen, wie sie sich in enormen Entfernungen gegenüber den Vorhersagen der Relativitätstheorie bewegen.

Sie sehen, die Relativitätstheorie gibt es in zwei Formen: die spezielle Relativitätstheorie, die in einem flachen, statischen Raum existiert und bei der nur die Bewegung von Objekten durch Raum und Zeit eine Rolle spielt, und die allgemeine Relativitätstheorie, bei der sich der Raum selbst mit der Zeit ausdehnt und/oder zusammenzieht, wobei Materie und Energie die Krümmung der Raumzeit bestimmen und die spezielle Relativitätstheorie darüber existiert. Hier sehen Sie, wie sich die beiden Vorhersagen unterscheiden.

(durchgezogen) Vorhersagen für Entfernungen im expandierenden Universum. Definitiv stimmen nur die Vorhersagen von GR mit dem überein, was wir beobachten. Bildnachweis: Wikimedia Commons Benutzer Redshiftimprove.

Einigermaßen dramatisch, nicht wahr? Wie sich herausstellt, favorisieren unsere Beobachtungen definitiv die allgemein relativistische Interpretation und schließen diejenige, bei der der Raum statisch ist, komplett aus. Was bedeutet das also, wenn wir alles zusammennehmen? Was bedeutet das für unser sich ausdehnendes Universum, selbst wenn wir die dunkle Energie in den Mix einbeziehen?

Es bedeutet, dass das Licht, das von entfernten Galaxien ausgesendet wird, mit der Zeit ziemlich stark in den roten Bereich des Spektrums verschoben wird, was zu einer kosmologischen Rotverschiebung führt. Das bedeutet, dass es einige Teile des Universums gibt, die so weit entfernt sind, dass das von ihnen ausgesendete Licht uns niemals erreichen kann. Gegenwärtig ist dieser Punkt alles jenseits von etwa 46,1 Milliarden Lichtjahren von uns entfernt, da unser Universum, so gut wir es messen können, seit dem Urknall etwa 13,8 Milliarden Jahre alt ist.

Und es bedeutet, dass jedes Objekt jenseits von etwa 4,5 Gigaparsecs (oder 14 bis 15 Milliarden Lichtjahre) von diesem Punkt an niemals von uns oder irgendetwas, was wir tun, erreicht werden kann. All diese Objekte – Objekte, die 97% des beobachtbaren Universums ausmachen – sind derzeit außerhalb unserer Reichweite. Selbst ein Photon, das jetzt ausgesendet wird, wird sie nie erreichen, wenn das unser Ziel ist.

California, Davis), J. Hughes (Rutgers University), F. Menanteau (Rutgers University und University of Illinois, Urbana-Champaign), C. Sifon (Sternwarte Leiden), R. Mandelbum (Carnegie Mellon University), L. Barrientos (Universidad Catolica de Chile) und K. Ng (University of California, Davis).

So ja, im Laufe der Zeit werden sich alle Objekte, die von der Expansion des Universums erfasst werden, immer schneller von uns wegbewegen. Wenn wir genug Zeit verstreichen lassen, werden sie sich schließlich alle schneller als die Lichtgeschwindigkeit entfernen und für uns prinzipiell unerreichbar sein, egal wie schnell wir eine Rakete bauen oder wie viele Signale wir aussenden und wie hoch die Lichtgeschwindigkeit selbst ist. Das einzige, was wir dagegen tun können?

So schnell wie möglich mit intergalaktischen Reisen beginnen, bevor es zu spät ist. Das Universum, das wir heute haben, verschwindet dank der beschleunigten Expansion des Raums. Obwohl sich kein Objekt jemals schneller als mit Lichtgeschwindigkeit durch die Struktur des Raums selbst bewegt, gibt es keine Geschwindigkeitsbegrenzung für die Expansion der Struktur selbst; sie tut einfach das, was das Universum diktiert.

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