Fragen Sie Ethan: Wo ist das Zentrum des Universums?

Es gibt zwei Dinge, die die Menschen über das Universum lernen, die sie mehr als alles andere überraschen: dass das Universum nicht ewig existiert, sondern nur für eine endliche Zeit seit dem Urknall, und dass es sich seit diesem Ereignis immer weiter ausdehnt. Die meisten Menschen hören intuitiv diesen „Knall“ und stellen sich eine Explosion vor, und dann stellen sie sich die Expansion so vor, als würden sie sich Schrapnells vorstellen, die in alle Richtungen nach außen geschleudert werden. Es ist wahr, dass die Materie und Energie im Universum in einem heißen und dichten Zustand auf einmal begann und sich dann ausdehnte und abkühlte, während sich die verschiedenen Komponenten voneinander entfernten. Aber das bedeutet nicht, dass das Bild der „Explosion“ korrekt ist. Wir haben eine sehr gute Frage von Jasper Evers bekommen, der darüber nachdenkt:

Ich frage mich, warum es kein Zentrum des Universums gibt und warum die kosmische Hintergrundstrahlung überall, wohin wir schauen, weit weg ist. Es scheint mir, dass, wenn das Universum expandiert… es einen Ort geben sollte, an dem es zu expandieren begann.

Schließlich ist diese Frage genau das, was mit unserer Erfahrung übereinstimmt, wann immer wir einer Explosion begegnen.

Bei jeder Explosion, egal ob sie auf einer Verbrennungsreaktion, einer nuklearen Explosion, einem Bruch durch Überdruck eines Behälters, etc. beruht,

• Eine Explosion beginnt immer an einem bestimmten Ort im Raum.
• Eine Explosion nimmt zunächst ein kleines, aber endliches Volumen ein.
• Und eine Explosion dehnt sich schnell in alle Richtungen aus, begrenzt nur durch die äußeren Kräfte und Hindernisse, auf die sie trifft.

Bei einer Explosion wird oft ein Teil des Materials von der Explosion erfasst und/oder beeinflusst und radial nach außen gedrückt, wobei sich ein Teil dieses Materials (typischerweise das leichteste Material) am schnellsten nach außen bewegt. Dieses sich am schnellsten bewegende Material wird sich schneller und weiter ausbreiten als der Rest des Materials und wird dadurch weniger dicht werden. Obwohl die Energiedichte überall abfällt, fällt sie am weitesten von der Explosion entfernt am schnellsten ab, weil das energiereichere Material schneller an Dichte verliert: am Rande der Explosion. Allein durch die Messung der Flugbahnen dieser verschiedenen Teilchen kann man immer rekonstruieren, wo die Explosion stattgefunden hat.

Aber dieses Bild, das ich gerade für Sie gemalt habe – von einer Explosion – stimmt nicht mit unserem Universum überein. Das Universum sieht hier genauso aus wie ein paar Millionen oder sogar ein paar Milliarden Lichtjahre entfernt. Es hat die gleichen Dichten, die gleichen Energien, die gleiche Anzahl von Galaxien in einem gegebenen Raumvolumen usw.

Die Objekte, die sehr weit weg sind, scheinen sich tatsächlich mit größerer Geschwindigkeit von uns wegzubewegen als die nahen Objekte, aber sie scheinen auch nicht das gleiche Alter zu haben wie die langsameren, näheren Objekte. Stattdessen erscheinen die weiter entfernten Objekte bei extremen Entfernungen jünger, weniger entwickelt, zahlreicher und kleiner in Größe und Masse. Trotz der Tatsache, dass wir Galaxien in Entfernungen von mehr als 30 Milliarden Lichtjahren sehen können, sehen wir, wenn wir verfolgen, wie sich alles bewegt und ihre Flugbahnen zurück zu einem gemeinsamen Ursprung rekonstruieren, das unwahrscheinlichste aller Ergebnisse: Das wahrgenommene „Zentrum“ landet genau auf uns.

Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass wir von all den Billionen von Galaxien im Universum zufällig genau im Zentrum der Explosion stehen, mit der das Universum begann? Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass die anfängliche Explosion genau so konfiguriert war, komplett mit

• unregelmäßigen, inhomogenen Dichten,
• verschiedenen Startzeiten für Sternentstehung und Galaxienwachstum,
• Energien, die von Ort zu Ort auf genau die richtige, fein abgestimmte Weise enorm variieren,
• und einem mysteriösen 2.7 K-Hintergrundglühen in alle Richtungen,

Sollen wir uns so verschwören, dass wir uns genau im Zentrum befinden? Man müsste sich eine Menge ausdenken, um das zu erklären, und viele Beobachtungen würden weiterhin unerklärlich bleiben. Das Explosionsszenario ist nicht nur unrealistisch, es widerspricht auch den bekannten Gesetzen der Physik.

Das Gravitationsgesetz, das unser Universum regiert – Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie – sagt jedoch voraus, dass ein Universum voller Materie und Energie nicht explodiert, sondern sich stattdessen ausdehnt. Ein Universum, das überall mit den gleichen Mengen an Materie gefüllt ist, mit den gleichen durchschnittlichen Dichten und Temperaturen, muss sich entweder ausdehnen oder zusammenziehen; da wir eine scheinbare Rezession beobachten, ist die Expansionslösung die einzige, die physikalisch ist. (Genauso wie die Quadratwurzel aus 4 entweder +2 oder -2 sein kann, aber nur eine davon entspricht der physikalischen Anzahl der Äpfel in Ihren Händen.)

Es gibt ein Missverständnis, dass ein expandierendes Universum auf einen einzelnen Punkt zurück extrapoliert werden kann; das ist nicht wahr! Stattdessen kann es auf eine Region endlicher Größe mit bestimmten Eigenschaften (d.h. gefüllt mit Materie, Strahlung, physikalischen Gesetzen usw.) zurückgerechnet werden, muss sich dann aber nach den Regeln entwickeln, die unsere Gravitationstheorie vorgibt.

Das führt zwangsläufig zu einem Universum, das überall ähnliche Eigenschaften hat. Das bedeutet, dass wir in jeder endlichen, gleich großen Region des Raums die gleiche Dichte des Universums, die gleiche Temperatur des Universums, die gleiche Anzahl von Galaxien usw. sehen sollten. Wir würden auch ein Universum sehen, das sich mit der Zeit zu entwickeln scheint, da weiter entfernte Regionen uns so erscheinen sollten, wie sie in der Vergangenheit waren, da sie sich weniger ausgedehnt haben und weniger Gravitationsanziehung und geringere Mengen an Clusterbildung erfahren haben.

Da der Urknall überall gleichzeitig vor einer endlichen Zeitspanne stattfand, wird unsere lokale Ecke des Universums als die älteste Ecke des Universums erscheinen, die es gibt. Von unserem Standpunkt aus ist das, was uns in der Nähe erscheint, fast so alt wie wir selbst, aber das, was in großer Entfernung erscheint, ähnelt viel mehr dem, wie unser nahes Universum vor vielen Milliarden Jahren aussah.

Die fernen Galaxien, die es gibt, senden ständig Licht aus, und wir sehen das Licht, das erst angekommen ist, nachdem es seine Reise durch das sich ausdehnende Universum zu uns beendet hat. Galaxien, deren Licht eine Milliarde oder zehn Milliarden Jahre gebraucht hat, um hierher zu gelangen, erscheinen so, wie sie vor einer Milliarde oder zehn Milliarden Jahren waren. Wenn wir den ganzen Weg zurückgehen, fast bis zum Moment des Urknalls selbst, würden wir feststellen, dass das Universum, als es so jung war, von Strahlung dominiert wurde und nicht von Materie. Es muss sich ausdehnen und abkühlen, damit die Materie energetisch wichtiger wird.

Mit der Zeit, wenn sich das Universum ausdehnt und abkühlt, können sich schließlich neutrale Atome stabil bilden, ohne sofort auseinandergesprengt zu werden. Die Strahlung, die einst das Universum beherrschte, bleibt jedoch bestehen und kühlt durch die Expansion des Raums weiter ab und wird rotverschoben. Was wir heute als kosmischen Mikrowellenhintergrund wahrnehmen, stimmt mit dem Restglühen des Urknalls überein, ist aber auch von überall im Universum beobachtbar.

Es gibt nicht notwendigerweise ein Zentrum im Universum; es ist nur unsere voreingenommene Intuition, die uns sagt, dass es eines geben sollte. Wir können eine untere Grenze für die Größe der Region setzen, in der der Urknall stattgefunden haben muss – sie kann nicht kleiner als die Größe eines Fußballs oder so sein – aber es gibt keine obere Grenze; die Region des Raums, in der der Urknall stattgefunden hat, könnte sogar unendlich gewesen sein.

Wenn es wirklich ein Zentrum gibt, könnte es buchstäblich überall sein, und wir hätten keine Möglichkeit, es zu wissen. Der Teil des Universums, der für uns beobachtbar ist, ist nicht groß genug, um diese Information zu enthüllen, selbst wenn es wahr sein könnte. Wir müssten einen Rand des Universums sehen (was wir nicht tun), oder eine fundamentale Anisotropie beobachten, bei der verschiedene Richtungen unterschiedlich erscheinen (aber wir sehen die gleichen Temperaturen und Galaxienzahlen), und wir müssten ein Universum sehen, das von Region zu Region auf den größten kosmischen Skalen unterschiedlich zu sein scheint (aber stattdessen scheint es homogen zu sein).

Es klingt so vernünftig, die Frage zu stellen: „Woher kommt die Expansion des Universums?“ Aber wenn man sich das vor Augen führt, erkennt man, dass das die völlig falsche Frage ist. „Überall, auf einmal“, lautet die Antwort auf diese Frage, und das liegt vor allem daran, dass sich der Urknall nicht auf einen bestimmten Ort im Raum bezieht, sondern auf einen bestimmten Moment in der Zeit.

Das ist es, was der Urknall ist: ein Zustand, der das gesamte beobachtbare Universum – und möglicherweise eine viel, viel größere Region als das – auf einmal in einem bestimmten Moment betrifft. Das ist der Grund, warum das Betrachten von Objekten, die weiter im Raum entfernt sind, bedeutet, dass wir dieses Objekt so sehen, wie es zu einem Zeitpunkt in der fernen Vergangenheit war. Es ist der Grund, warum alle Richtungen grobe Eigenschaften zu haben scheinen, die einheitlich sind, unabhängig davon, wohin wir schauen. Und deshalb können wir unsere kosmische Geschichte durch die Entwicklung der Objekte, die wir sehen, so weit zurückverfolgen, wie unsere Observatorien es uns ermöglichen.

Trotz allem, was uns zur Verfügung steht – trotz allem, was unsere Theorien und Beobachtungen uns sagen – gibt es immer noch eine enorme Menge, die uns unbekannt bleibt. Wir wissen nicht, wie groß das gesamte Universum tatsächlich ist; wir haben nur die untere Grenze, dass es von unserem Standpunkt aus in alle Richtungen mindestens 46,1 Milliarden Lichtjahre im Radius betragen muss.

Wir wissen nicht, welche Form das Gewebe des Raums hat und ob es positiv gekrümmt ist wie eine Kugel, negativ gekrümmt wie ein Sattel oder vollkommen flach, wie ein Blatt oder ein Zylinder. Wir wissen nicht, ob er sich in sich selbst zurückkrümmt oder ob er ewig weitergeht. Alles, was wir wissen, basiert auf dem, was wir beobachten können. Aus diesen Informationen können wir schließen, dass es mit einer unendlichen Größe übereinstimmt, dass es mit einer perfekten Ebenheit übereinstimmt, aber gegenteilige Informationen könnten in der nächsten signifikanten Stelle der Daten liegen oder gerade jenseits unseres beobachtbaren kosmischen Horizonts. Es ist wichtig, dass wir weiter suchen.

Der Grund, warum wir die wahre Natur des Universums – des gesamten, nicht beobachtbaren Universums – nicht kennen können, ist, dass der Teil, zu dem wir Zugang haben, endlich ist. Es gibt eine endliche Menge an Informationen, die wir über unseren Kosmos sammeln können, selbst wenn wir beliebig leistungsfähige Instrumente und Detektoren entwickeln. Selbst wenn wir unendlich lange warten, werden wir nie erfahren, ob das Universum endlich oder unendlich ist oder welche geometrische Form es hat.

Ob man nun die Struktur des Weltalls als ein Rosinenbrot oder einen expandierenden Ballon mit aufgeklebten Münzen betrachtet, man muss bedenken, dass der Teil des Universums, auf den wir zugreifen können, wahrscheinlich nur eine winzige Komponente dessen ist, was tatsächlich existiert. Was für uns beobachtbar ist, setzt nur eine untere Grenze für die Gesamtheit dessen, was da draußen ist. Das Universum könnte endlich oder unendlich sein, aber sicher ist, dass es sich ausdehnt, weniger dicht wird und dass weiter entfernte Objekte so erscheinen, wie sie vor langer Zeit waren. Wie die Astrophysikerin Katie Mack anmerkt:

Das Universum dehnt sich so aus, wie sich Ihr Geist ausdehnt. Es dehnt sich nicht in irgendetwas aus; Sie werden nur weniger dicht.