Das Universum dehnt sich aus! Vergeht die Zeit heute schneller als im frühen Universum?

Im Juli 2023 überwachten und analysierten zwei Astronomen der Universitäten Sydney und Auckland Lichtvariationssignale von Quasaren aus dem frühen Universum (etwa eine Milliarde Jahre nach dem Urknall) und stellten fest, dass die Dauer dieser Signale bei ihrer Ankunft auf der Erde fünfmal länger war als bei ihrer Entstehung im frühen Universum.

Viele Menschen verstehen solche Beobachtungsergebnisse möglicherweise so: „Die Zeit vergeht heute schneller als im frühen Universum.“ Ist das wirklich der Fall? Wie ist dieses Forschungsergebnis richtig zu verstehen?

Expandierendes Universum

Im frühen 20. Jahrhundert entdeckten Astronomen, dass sich weit entfernte Galaxien um die Erde von uns wegbewegen, und zwar umso schneller, je weiter die Galaxie von der Erde entfernt ist. Wenn wir davon ausgehen, dass die Position der Erde im Universum nichts Besonderes ist (oder wenn wir davon ausgehen, dass das Universum isotrop ist), kann dieses Bild auch in anderen Galaxien beobachtet werden (obwohl wir derzeit nicht dorthin gelangen können). Das heißt, alle Galaxien entfernen sich voneinander. Das bedeutet, dass sich das Universum, in dem wir leben, ausdehnt!

Das ferne Universum, wie es das Hubble-Teleskop sieht. Bildnachweis: NASA Apod

Ein expandierendes Universum kann man sich nicht intuitiv vorstellen. Als Analogie können wir uns einen Ballon vorstellen, der sich aufbläst und mit winzigen Ameisen gefüllt ist. Wenn sich der Ballon aufbläst, wird jede Ameise feststellen, dass sich ihre Artgenossen von ihr wegbewegen. Dieses Ergebnis ist auf die Vergrößerung des Raums zurückzuführen, in dem sich die Ameisen befinden.

Beobachtungen des expandierenden Universums zeigen, dass unser Universum seit der Antike nicht statisch geblieben ist, sondern sich dynamisch verändert.

Schematische Darstellung der Ausdehnung des Universums. Von jedem beliebigen Ort im Universum aus betrachtet, bewegen sich die umgebenden Galaxien von Ihnen weg. Bildquelle: science-sparks, Anmerkungen vom Autor hinzugefügt

Es ist zu beachten, dass sich der Effekt der kosmischen Expansion nur dann manifestieren kann, wenn er einen ausreichend großen räumlichen Maßstab umfasst.

In einem gebundenen System in einem kleineren lokalen Bereich dehnt sich die Materie nicht mit der Ausdehnung des Raums aus. Wir wissen beispielsweise, dass der Körper einer Ameise auf einem sich aufblasenden Ballon als selbstbindendes System fungiert und sich nicht ausdehnt, wenn sich der Ballon ausdehnt.

Ebenso werden sich Himmelskörper innerhalb eines lokalen Bereichs des Universums nicht mit der Expansion des Universums ausdehnen. Beispielsweise haben sich unsere Erde, Sonne, Milchstraße und andere Himmelskörper nicht mit der Ausdehnung des Universums ausgedehnt. Selbst Galaxienhaufen größeren Ausmaßes (selbstgravitativ gebundene Systeme aus Galaxien) dehnen sich nicht mit der Ausdehnung des Universums aus. In dem Galaxienhaufen, in dem wir uns befinden, entfernen sich die Milchstraße und die benachbarte Andromedagalaxie nicht voneinander, sondern kommen sich aufgrund der Gravitationsanziehung näher. Um den Expansionseffekt des Universums zu erforschen, ist es daher notwendig, dies in einem ausreichend großen räumlichen Maßstab zu tun.

Quasare: Hellere, weiter entfernte Sonden des Universums

Um Himmelskörper tief im Universum beobachten zu können, müssen die Objekte bei der Beobachtung hell genug sein. Bei weit entfernten Himmelskörpern setzt dies voraus, dass deren Leuchtkraft (die pro Zeiteinheit erzeugte Energie) sehr hoch ist.

Es gibt einen Supernova-Typ namens Typ Ia, der in kurzer Zeit enorme Energiemengen freisetzt und die gleiche maximale Leuchtkraft und ähnliche Lichtkurven aufweist. Astronomen haben diese Art von Supernova verwendet, um die Auswirkungen der kosmischen Expansion im lokalen Universum festzustellen. Allerdings sind Supernovas in größerer Entfernung schwer zu beobachten, was die Untersuchung der Bedingungen im ferneren Universum erschwert.

Quasare im frühen Universum. Bildnachweis: NASA

Quasare sind weiter entfernte und hellere Himmelskörper. Die supermassereichen Schwarzen Löcher im Zentrum dieser Himmelskörper geben durch die Ansammlung umgebender Materie enorme Energiemengen nach außen ab. Viele Quasare sind sehr weit von der Erde entfernt und es dauert oft Milliarden von Jahren, bis ihr Licht uns erreicht.

Mit anderen Worten: Das Licht dieser Himmelskörper, das wir auf der Erde beobachten, wurde vor Milliarden von Jahren im frühen Universum ausgestrahlt. Solche weit entfernten Himmelskörper bieten uns die Möglichkeit, die Vergangenheit des Universums zurückzuverfolgen und seine historische Entwicklung zu studieren.

Durch die Beobachtung weit entfernter, heller Quasare können wir die Anfänge des Universums vor zig Milliarden Jahren zurückverfolgen. Bildquelle: spaceaustralia, Anmerkungen vom Autor hinzugefügt

Von „Tick-Tick“ zu „Tick-Tick-Tick“

Wenn das Schwarze Loch im Zentrum eines Quasars umgebende Materie ansammelt, ändert sich seine Leuchtkraft aufgrund der Instabilität der Akkretionsscheibe häufig, was bei der Beobachtung zu hellem und dunklem Flackern führt. Da die Lichtvariationssignale von Quasaren häufig aus dem frühen Universum stammen, verfolgen Astronomen die Expansionsgeschichte des Universums, indem sie die Dauer dieser blinkenden Signale auf der Erde aufzeichnen.

Im Juli 2023 untersuchten zwei Astronomen der Universitäten Sydney und Auckland die Lichtvariationssignale (Änderung der Leuchtkraft im Laufe der Zeit) von 190 Quasaren. Die Lichtvariationen jedes dieser Quasare wurden in den letzten 20 Jahren Hunderte Male in mehreren Wellenlängen beobachtet.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht. Bildquelle: Nature Astronomy Magazin

Statistische Analysen zeigen, dass die beobachteten Lichtvariationssignale dieser Quasare fünfmal länger anhalten als zu der Zeit, als sie im frühen Universum (vor 12 Milliarden Jahren oder etwa 1 Milliarde Jahre nach der Geburt des Universums) erzeugt wurden.

Tatsächlich ist es wie ein Signal, dessen Verzögerung von einem kurzen „Tick-Tick“ beim Senden zu einem langen „Tick-Tick-Tick“ beim Empfangen erfolgt. Wenn ein einminütiges Video von einem weit entfernten Quasar aufgezeichnet und über elektromagnetische Wellen zur Erde übertragen wird, dauert es 12 Milliarden Jahre, bis wir es empfangen können. Wenn wir dieses Video jetzt abspielen, sehen wir eine Reihe von Zeitlupenaufnahmen. Das Abspielen des gesamten Videos dauert 5 Minuten.

Die Dauer des Signals aus der Vergangenheit wurde bei unserem Empfang um das Fünffache verlängert, als ob die Zeit jetzt fünfmal schneller vergeht als in der Vergangenheit.

Dies liegt allerdings nicht daran, dass sich die Zeitgeschwindigkeit tatsächlich erhöht hat, sondern es handelt sich vielmehr um einen Effekt, der durch die Ausdehnung des Universums bei der Ausbreitung von Lichtsignalen verursacht wird.

Bei einem Lichtsignal ist die Dauer seiner Übertragung, wenn es sich in einem nicht expandierenden Universum ausbreitet, gleich der Dauer seines Empfangs. Wenn sich das Signal jedoch in einem expandierenden Universum ausbreitet, dauert es länger, das Signal zu empfangen, da die Ausbreitungsdistanz zunimmt. Dieser Effekt wird in der Astronomie als „kosmischer Zeitdilatationseffekt“ bezeichnet.

Dieser Effekt führt außerdem zu Änderungen einiger physikalischer Größen bei astronomischen Beobachtungen, beispielsweise einer Verlängerung der beobachteten Wellenlänge (sogenannte kosmologische Rotverschiebung), einer Verringerung der beobachteten Helligkeit von Himmelskörpern usw.

In der Frühzeit des Universums wurde ein von einem Quasar ausgesendetes Signal zur Erde übertragen. Da sich das Universum ständig ausdehnt, verlängerte sich die Dauer des Signals, als es die Erde erreichte. Bildquelle: Flat Universe Society, Anmerkungen vom Autor hinzugefügt

Es muss klargestellt werden, dass die kosmische Zeitdilatation hier nicht dasselbe ist wie die Zeitdilatation, die durch die Referenzrahmentransformation in der Relativitätstheorie verursacht wird. Während der Expansion des Universums sind Himmelskörper im kosmischen mitbewegten Koordinatensystem (den in der obigen Abbildung gezeigten Längen- und Breitengraden, die sich mit der Kugeloberfläche ausdehnen oder zusammenziehen) stationär.

Obwohl wir durch Beobachtung sehen, dass sich weit entfernte Himmelskörper von uns wegbewegen, liegt dies daran, dass die Himmelskörper mit der Ausdehnung des Universums passiv „driften“. Zwischen diesen weit voneinander entfernten Himmelskörpern besteht keine Relativbewegung, daher gibt es auch keine durch Relativbewegung verursachte Zeitdilatation.

Wenn wir darüber sprechen, wie schnell die Zeit vergeht, beziehen wir uns außerdem auf die Zeit einer lokalen, stationären Uhr. Für eine Uhr, die irgendwo im frühen Universum stillsteht, würde die Zeit mit der gleichen Geschwindigkeit vergehen wie für eine Uhr, die heute auf der Erde stillsteht. Das Ergebnis dieser Forschung bedeutet daher, dass „die Dauer des Signals, das wir heute empfangen, länger ist als die Dauer des Signals, als es im frühen Universum ausgesendet wurde“, und es sollte nicht missverstanden werden in dem Sinn, dass „die Zeit heute schneller vergeht als im frühen Universum“.

Abschluss

Ob Milliarden Lichtjahre entfernt oder ein mysteriöses tickendes Geräusch: Vom frühen Universum bis zur Gegenwart birgt die Astronomie unzählige Geheimnisse, die darauf warten, erforscht zu werden.

Wie viele Geheimnisse gibt es im Universum? Was ist das größte Geheimnis des Universums? Ganz gleich, was die Wissenschaftler entdecken, das Universum scheint sich immer in einem Zustand zu befinden, in dem es darauf wartet, entdeckt zu werden. Es ist dieser Prozess vom Unbekannten zum Bekannten und dann wieder zurück zum Unbekannten, der den kontinuierlichen Fortschritt der menschlichen Zivilisation vorantreibt.

Verweise

[1] Lewis, Geraint F., Brewer, Brendon J.; Nachweis der kosmologischen Zeitdilatation von Quasaren mit hoher Rotverschiebung; 2023NatAs.147L;

[2] Kurz nach dem Urknall verging die Zeit fünfmal langsamer;

Planung und Produktion

Produziert von Science Popularization China

Autor: Li Zhenzhen, Xiong Yifei, Shanghai Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produzent: China Science Expo

Herausgeber｜Yang Yaping