Ein Lichtstrahl benötigt 1,3 Milliarden Jahre, um die Erde zu erreichen. Wie weit ist es gereist? Wie weit ist die Lichtquelle jetzt von uns entfernt?

Dieser Artikel basiert auf der Beantwortung einer Frage von Internetnutzern: Angenommen, von einem bestimmten Punkt im Universum wird ein Lichtstrahl zur Erde ausgesendet, und dieser Lichtstrahl benötigt 1,3 Milliarden Jahre, um die Erde zu erreichen. Wie viele Kilometer ist dieser Punkt von der Erde entfernt?

Dies ist ein einfaches mathematisches Problem, aber um es zu beantworten, müssen Sie zunächst die Definition eines Lichtjahres verstehen.

Lichtjahre

1 Lichtjahr ist die Zeitspanne, die das Licht für eine Reise in einem Jahr benötigt. Der genaue Wert der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt 299792458 m/s (Meter pro Sekunde) und wird allgemein mit etwa 300.000 km (Kilometer) pro Sekunde gemessen.

In der kosmischen Messung wird das julianische Jahr verwendet. Ein Jahr hat 356,25 Tage, einen Tag mit 24 Stunden, eine Stunde mit 3600 Sekunden und ein Jahr mit 31557600 Sekunden. 1 Lichtjahr ist somit die Entfernung, die das Licht in 31557600 Sekunden zurücklegt, und der genaue Wert beträgt 9460730472580800 m. Im Allgemeinen entspricht 1 Lichtjahr ungefähr 9,46 Billionen Kilometern.

Daher kommt das Lichtjahr. Dieser Lichtstrahl benötigte 1,3 Milliarden Jahre, um die Erde zu erreichen. Das bedeutet, dass die Lichtquelle 1,3 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Das heißt, in dem Moment, in dem er Licht aussendet, beträgt seine Entfernung von uns etwa 122,98 Billionen Kilometer.

Da dieser Lichtstrahl jedoch 1,3 Milliarden Jahre brauchte, um unsere Erde zu erreichen, war auch die Position dieses Lichtstrahls bei seiner Aussendung dieselbe wie vor 1,3 Milliarden Jahren. Das Universum dehnt sich ständig aus und weit entfernte Galaxien entfernen sich mit hoher Geschwindigkeit von uns. Nach 1,3 Milliarden Jahren der Bewegung befindet sich diese Lichtquelle (oder Galaxie) nicht mehr an dieser Position.

Wie weit ist diese Lichtquelle jetzt von uns entfernt? Hier kommt das Hubble-Gesetz ins Spiel.

Hubbles Gesetz

Das Hubble-Gesetz ist eine Theorie zur Berechnung der Geschwindigkeit, mit der sich Objekte in unterschiedlichen Entfernungen von uns wegbewegen, bzw. der Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt. Es wurde im letzten Jahrhundert vom großen Astronomen Edwin Hubble entdeckt und etabliert.

Nach Langzeitbeobachtungen des Universums entdeckte Hubble das Gesetz der kosmischen Expansion: Alle weit entfernten Himmelskörper bewegen sich isotrop von uns weg, d. h. je weiter weg, desto schneller und in einer linearen Beziehung. Dies bedeutet, dass sich alle weit entfernten Galaxien in gleicher Entfernung mit der gleichen Geschwindigkeit von uns entfernen, egal aus welcher Richtung Sie blicken. Je weiter sie entfernt sind, desto schneller sind sie, und die Geschwindigkeitszunahme ist proportional zur Entfernung.

Auf diese Weise leitete er ein Gesetz der kosmischen Expansion ab, das als Hubble-Gesetz bezeichnet wird und vereinfacht wie folgt ausgedrückt werden kann: V=HD. Dabei stellt V die Geschwindigkeit dar, mit der sich weit entfernte Galaxien von uns wegbewegen, in km/s (Kilometer pro Sekunde); H steht für die Hubble-Konstante in (km/s)/Mpc (Millionen Parsec, etwa 3,26 Millionen Lichtjahre); und D ist die Entfernung der beobachteten Galaxie in Mpc.

Aus dieser Formel können wir, sofern wir wissen, wie weit die Lichtquelle (Galaxie) von uns entfernt ist und die Hubble-Konstante kennen, die Geschwindigkeit berechnen, mit der sie sich von uns entfernt. Mit anderen Worten: Die Geschwindigkeit, mit der sich Galaxien in einer bestimmten Entfernung von uns wegbewegen, ist die Rate, mit der sich das Universum ausdehnt.

Es gibt viele Möglichkeiten, die Entfernung entfernter Galaxien von uns zu messen, z. B. spektrale Rotverschiebung, Standardkerzen, Cepheiden, trigonometrische Parallaxe usw. Diese wurden in der Vergangenheit eingeführt, daher werde ich heute nicht darauf eingehen. Unter der Voraussetzung bekannter Entfernungen von Himmelskörpern ist die Hubble-Konstante ein Schlüssel in der Formel des Hubble-Gesetzes. Solange wir die Hubble-Konstante kennen, können wir die Geschwindigkeit bestimmen, mit der sich Galaxien in unterschiedlichen Entfernungen von uns wegbewegen.

Hubble-Konstante

Was ist die Hubble-Konstante? Dies ist die Geschwindigkeit, mit der sich eine Galaxie in einer Entfernung von Mpc (Millionen Parsec, etwa 3,26 Millionen Lichtjahre) von uns entfernt bewegt. Wir wissen, dass die Geschwindigkeit, mit der sich weit entfernte Galaxien von uns wegbewegen, isotrop ist: je weiter weg, desto schneller, und zwar in einer linear proportionalen Beziehung. Auf diese Weise können wir mit der Hubble-Konstante, dieser Punktgeschwindigkeit, die Expansionsrate des Universums bei verschiedenen Entfernungen berechnen.

Lassen Sie mich hier insbesondere erklären, warum die Hubble-Konstante in einer so großen Einheit ausgedrückt wird, nämlich Megaparsec, ungefähr 3,26 Millionen Lichtjahre? Dies liegt daran, dass es sich bei der Expansion des Universums um eine großräumige Expansion handelt. Bei kleineren Entfernungsskalen wird die Bewegung der Himmelskörper stärker durch die Schwerkraft eingeschränkt und die Ausdehnung des Universums kann nicht stattfinden.

Beispielsweise ist die Andromedagalaxie etwa 2,54 Millionen Lichtjahre von unserer Milchstraße entfernt. Derzeit sind die beiden Galaxien aufgrund der gegenseitigen Schwerkrafteinwirkung nicht getrennt, zeigen aber eine Tendenz zur Annäherung mit einer Geschwindigkeit von 300 km/s. Schätzungen zufolge werden die beiden Galaxien in drei bis vier Milliarden Jahren kollidieren und dann zu einer größeren Galaxie verschmelzen.

Aber bei Entfernungen, die größer sind als die Hubble-Konstante, entfernen sich Galaxien im Allgemeinen von uns.

Seit Jahrzehnten messen Astronomen die Hubble-Konstante mit verschiedenen Methoden, beispielsweise mit der Standardkerzenmethode von Supernovas, Gravitationslinsen, dem Planck-Satelliten und dem Chandra-Röntgenobservatorium. Auch die gemessenen Hubble-Konstanten unterscheiden sich, liegen aber etwa im gleichen Bereich.

Im Jahr 2013 maß die Europäische Weltraumorganisation mithilfe des Satelliten Planck die Hubble-Konstante mit 67,8, der bislang kleinsten Hubble-Konstante. Im Jahr 2019 berechneten deutsche Wissenschaftler die Hubble-Konstante mithilfe des Gravitationslinseneffekts und ermittelten, dass sie 82,4 beträgt. Dies ist die bislang höchste Hubble-Konstante.

Diese beiden Daten sind die am häufigsten zitierten Daten in der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Wir orientieren uns weder an der größeren noch an der kleineren Zahl, sondern nehmen einen Mittelwert dazwischen und erhalten die Hubble-Konstante zu 75,1.

Die aktuelle Entfernung zwischen uns und der Lichtquelle beträgt 1,3 Milliarden Lichtjahre

Wenn wir die oben ermittelte Hubble-Konstante 75,1 in die Formel des Hubble-Gesetzes einsetzen, können wir berechnen, dass die Geschwindigkeit, mit der sich die Lichtquelle (oder Galaxie) in einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren von uns wegbewegt, etwa 30.000 km/s beträgt. Wenn mit dieser Geschwindigkeit 1,3 Milliarden Jahre vergehen, hat sich diese Lichtquelle oder Galaxie um etwa 122,86 Billionen Kilometer von uns entfernt, was, basierend auf der Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren, etwa 130 Millionen Lichtjahre entspricht.

Wenn also das aus einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren ausgesandte Licht unsere Erde erreicht, befindet sich die Lichtquelle bzw. Galaxie nicht mehr an ihrem ursprünglichen Ort, sondern ist bereits weiter als 1,43 Milliarden Lichtjahre entfernt.

Warum ist es weiter? Da sich die Entfernung zwischen uns und weit entfernten Galaxien mit der Zeit ändert, sollte sie nach der Formel der mitlaufenden Entfernung berechnet werden, das heißt, die Geschwindigkeit wird mit jedem weiteren Punkt progressiv erhöht. Diese Formel ist sehr kompliziert und beinhaltet komplexe Theorien wie die Infinitesimalrechnung und die Raum-Zeit-Metrik. Da es sich um einen populärwissenschaftlichen Artikel handelt, machen wir es hier nicht ganz so kompliziert und führen nur eine einfache Berechnung durch.

Diese einfache Berechnung bedeutet, dass sich Galaxien in einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren aufgrund der Ausdehnung des Universums mit einer Geschwindigkeit von etwa 30.000 km/s von uns entfernen; und in einer Entfernung von 1,43 Milliarden Lichtjahren beträgt die Expansionsrate des Universums etwa 33.000 km/s. Als Kompromiss beträgt die Expansionsrate 31.500 km/s. Nach 1,3 Milliarden Jahren Bewegung hat sich die Entfernung um etwa 137 Millionen Lichtjahre vergrößert, sodass sich die Lichtquelle nun an einem Standort von 1,437 Milliarden Lichtjahren befindet.

Auch die Quelle der aus 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung übertragenen Gravitationswellen lässt sich auf diese Weise verstehen

Im Jahr 2015 registrierten Menschen mithilfe eines Präzisions-Gravitationswellendetektors die erste Gravitationswelle. Diese Gravitationswelle war eine Welle in Raum und Zeit, die durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher in 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung verursacht wurde und 1,3 Milliarden Jahre brauchte, um die Erde zu erreichen.

Die Wissenschaft hat bewiesen, dass die Übertragungsgeschwindigkeit von Gravitationswellen der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Daher können wir mit der obigen Berechnungsmethode berechnen, dass das größere Schwarze Loch, das durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher entstanden ist, tatsächlich 1,437 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt ist.

Ich denke, jeder sollte verstehen, was ich meine, oder? Willkommen zur Diskussion, danke fürs Lesen.

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