Als die Lichter im Universum ausgingen

Paul Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State Universitätund der Chefwissenschaftler bei COSI Wissenschaftszentrum. Sutter ist auch Gastgeber von Frage einen RaumfahrerRealSpaceund COSI Wissenschaft jetzt.

Vor etwa 5 Milliarden Jahren hat sich alles verändert. Die Expansion des Universums, die sich seit Milliarden von Jahren verlangsamte, kehrte den Kurs um und trat in eine Zeit ungezügelter Beschleunigung ein. (Es war wie ein Auto, das vom Verlangsamen zum Beschleunigen wechselt, bewegt sich aber die ganze Zeit weiter.) Der gemächliche, bewusste Prozess der Strukturbildung - der allmähliche Aufbau von immer größeren Aggregaten von Materie von Galaxien zu Gruppen zu Clustern - erstarrte und fing an, sich selbst rückgängig zu machen.

Vor fünf Milliarden Jahren hat eine mysteriöse Macht das Universum überholt. Versteckt in den Schatten lag es schlummernd unter den Feldern aus Materie und Strahlung. Aber sobald es sich selbst enthüllt hatte, funktionierte es schnell und beugte den gesamten Kosmos seinem Willen zu.

Vor fünf Milliarden Jahren erwachte dunkle Energie. [Das Universum: Big Bang bis jetzt in 10 einfachen Schritten]

Die Eingeweide des Universums

Um zu erklären, was in dieser übermäßig dramatischen Erzählung über das Auftauchen dunkler Energie vor sich geht, müssen wir darüber sprechen, woraus das Universum besteht und wie es seine Ausdehnung beeinflusst.

Fangen wir mit dem Mantra der Allgemeinen Relativität an: Masse und Energie sagen Raum-Zeit, wie man sich verbiegt, und die Krümmung der Raum-Zeit sagt den Objekten, wie sie sich bewegen sollen. Normalerweise betrachten wir dies als eine lokale Interaktion, die verwendet wird, um die Umlaufbahnen bestimmter Planeten oder die ungewöhnlichen Eigenschaften eines Schwarzen Lochs zu erklären.

Aber die gleiche Mathematik der Relativitätstheorie, die GPS-Satelliten die erforderliche Genauigkeit verleiht, um Ihnen zu sagen, wie nahe Sie an Ihrem Kaffee-Fix sind, dient auch als Grundlage für das Verständnis des Wachstums und der Entwicklung des gesamten Universums. Ich meine, es ist immerhin "allgemeine" Relativität.

Das Universum besteht aus allen möglichen Dingen, und die Eigenschaften dieses Materials beeinflussen die Gesamtkrümmung des gesamten Kosmos, die seine Expansion beeinflusst. Es ist das Mantra der Relativität, das groß geschrieben wird: Die Masse und Energie des gesamten Universums verbiegt die Raumzeit des gesamten Universums, was dem ganzen Universum sagt, wie es sich bewegen soll.

Wenn die Gesamtdichte aller Stoffe größer ist als ein ganz bestimmter Wert - genannt "die kritische Dichte" und gleich etwa 4 Wasserstoffatome pro Kubikmeter - dann wird die Expansion des Universums in einem Big Crunch verlangsamt, gestoppt und umgekehrt. Wenn die Dichte des Universums geringer als dieser kritische Wert ist, wird sich das Universum für immer ausdehnen. Und wenn es genau dem kritischen Wert entspricht, dann wird sich das Universum für immer ausdehnen, aber mit immer kleiner werdender Geschwindigkeit.

Messungen legen nahe, dass wir in einem widersprüchlichen Universum leben, in dem die Gesamtdichte genau der kritischen Dichte entspricht - aber die Expansion des Universums beschleunigt sich immer noch, als ob die Dichte zu niedrig wäre.

Was in Hubbles Geist passiert?

Ein leeres Argument

Was passiert, ist dunkle Energie. Mit 69,2 Prozent der Energiedichte des Universums verhält es sich einfach ... seltsam. Die wichtigste Eigenschaft der Dunklen Energie ist, dass ihre Dichte konstant ist. Seine zweitwichtigste Eigenschaft ist, dass sie an das Vakuum des leeren Raums gebunden zu sein scheint.

Nimm eine Kiste und leere alles aus, entferne die ganze Materie (normal und dunkel), Neutrinos, Strahlung ... alles. Wenn Sie es richtig gemacht haben, haben Sie eine Schachtel mit reinem, unverfälschtem Vakuum - was bedeutet, dass Sie eine Schachtel mit purer dunkler Energie haben werden. Verdoppeln Sie die Größe der Box und Sie haben die doppelte dunkle Energie.

Dieses Verhalten ist das totale Gegenteil des Verhaltens von Materie und Strahlung. Wenn Sie eine Box (oder, sagen wir, ein Universum) mit einer festen Menge an Materie haben und das Volumen dieses Containers verdoppeln, wird die Dichte der Materie halbiert. Die Energiedichte der Strahlung geht noch weiter zurück: Die Ausdehnung des Universums verdünnt nicht nur die Strahlung, sondern auch die Wellenlänge.

Aber wenn sich das Universum ausdehnt, bekommen wir ständig mehr leeren Raum (Vakuum), so dass wir immer mehr dunkle Energie bekommen. Wenn Sie befürchten, dass dies gegen ein Prinzip der Energieerhaltung verstößt, können Sie heute Nacht ruhig sein: Das Universum ist ein dynamisches System, und die Form der in Physik 101 gelehrten Erhaltungssätze gilt nur für statische Systeme. Das Universum ist ein dynamischer Ort, und das Konzept der "Erhaltung der Energie" gilt immer noch, aber in einer komplexeren, nicht intuitiven Weise. Aber das ist ein Artikel für einen anderen Tag.

Du fragst dich vielleicht auch, wie ich so selbstsicher über die Natur der dunklen Energie sprechen kann, da wir sie scheinbar gar nicht verstehen. Du hast recht: Wir verstehen dunkle Energie nicht. Überhaupt. Wir wissen, dass es existiert, weil wir die beschleunigte Expansion des Universums direkt beobachten, und ein halbes Dutzend anderer Beweislinien deuten auf seine Existenz hin.

Und obwohl wir nicht wissen, was die beschleunigte Expansion schafft, wissen wir, dass wir es als Eigenschaft des Vakuum des Raums modellieren können, das eine konstante Dichte hat, also ist das für jetzt gut genug.

Ein Vakuum und ein leerer Platz

Die Tatsache, dass dunkle Energie eine konstante Dichte hat, bedeutet, dass es in der fernen Vergangenheit einfach keine Rolle spielte - wegen der Materie. All das Zeug im Universum wurde in ein kleineres Volumen gepackt, was bedeutet, dass normale und dunkle Materie sehr hohe Dichten hatte. Diese hohe Dichte bedeutete, dass sich die Expansion des Universums für eine lange Zeit verlangsamte.

Aber als sich die Expansion fortsetzte, wurden die Materie und die Strahlung im Universum immer verdünnter und sie wurden immer weniger dicht. Schließlich, vor etwa 5 Milliarden Jahren, fiel die Dichte der Materie unter jene der dunklen Energie, die die ganze Zeit konstant gehalten hatte. Und sobald dunkle Energie die Oberhand gewann, änderte sich das Spiel komplett.Wegen der konstanten Dichte seiner Dichte, verglichen mit der abnehmenden Dichte der Materie, wurde die Expansion nicht nur fortgesetzt, sondern auch beschleunigt. Und diese beschleunigte Expansion stoppte den Prozess der Strukturbildung: Galaxien würden gerne weiter aneinander kleben, um größere Strukturen wie Cluster und Superhaufen zu bilden, aber der dazwischen liegende leere Raum zieht sie unweigerlich auseinander.

Einige zufällige Fusionen werden natürlich weiterhin passieren, aber die Zeiten des Universums, in denen größere Strukturen gebaut werden, sind lange vorbei.

Ein kosmischer Zufall

Die Entstehung von dunkler Energie hinterlässt ein kleines Rätsel. In der fernen Vergangenheit, als Materiedichten in einem kompakten Universum unglaublich hoch waren, spielte dunkle Energie keine Rolle. In ferner Zukunft wird die Materie so dünn sein - wie zu wenig Butter über zu viel Brot - dass ihre Dichte lächerlich, urkomisch, erbärmlich klein im Vergleich zu dunkler Energie sein wird.

Momentan leben wir in der Zwischenepoche, wo dunkle Energie etwa drei Viertel der gesamten Masse-Energie des Universums ausmacht und dunkle Materie etwa ein Viertel (reguläre Materie ist eine vernachlässigbare Menge). Das scheint ein bisschen ... zufällig zu sein. Wenn wir die große Geschichte des Universums betrachten, beobachten wir es zufällig in der winzigen Zeit, in der Materie und dunkle Energie Handelsplätze sind.

Haben wir zufällig Glück gehabt? Sich dem Bewusstsein zu stellen und das Universum zu beobachten, in dem sowohl dunkle Materie als auch dunkle Energie ungefähr gleich stark sind? Oder sagt uns das Universum etwas mehr? Vielleicht ist es überhaupt kein Zufall. Vielleicht "reden" dunkle Materie und dunkle Energie miteinander und halten sich über zusätzliche Naturkräfte in Balance. Kräfte, die sich in irdischen Labors einfach nicht manifestieren. Vielleicht sind sie verbunden und verwandt.

Oder vielleicht nicht. Wir wissen es einfach nicht. Es ist ein bisschen zu dunkel, um es zu erzählen.

Erfahren Sie mehr, wenn Sie sich die Episode "Woraus besteht das Universum?" Im Ask A Spaceman-Podcast ansehen, der auf iTunes und im Web unter www.askaspaceman.com erhältlich ist. Danke an Michael M., Peter B. und DR1851 für die Fragen, die zu diesem Stück geführt haben! Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter mit #AskASpaceman oder indem Sie Paul @PaulMattSutterandund facebook.com/PaulMattSutter folgen.