universum

universum
Hubble ultra deep field.jpg
Hubble Ultra Deep Field -bilden ger en mycket djup bild av universum. (Bilden omfattar en solid vinkel som motsvarar ungefär 150: e delen av den genomsnittliga månskivan .)
Fysiska egenskaper (relaterat till det observerbara universum )
radie > 45  miljarder  ly
Massa (synlig) ca 10 53  kg
medeldensitet ca 4,7 · 10 −30  g / cm 3
ålder 13,81 ± 0,04 miljarder  år
Antal galaxer cirka 2 biljoner
Bakgrundsstrålningen temperatur 2,725 ± 0,002  K
Universums struktur

Den universum (från latinska Universus 'total' ), även kallad kosmos eller universum , är totaliteten av utrymme, tid och all materia och energi i den. Det observerbara universum , å andra sidan, är begränsat till det hittade arrangemanget av all materia och energi , med början från elementarpartiklarna upp till storskaliga strukturer som galaxer och galaxkluster .

Den kosmologi , en gren av både fysik och den nuvarande vetenskapsfilosofi , behandlar studiet av universum och försöker egenskaper, såsom frågan om universums finjusteras universum till svar.

Teorin som allmänt accepteras idag för att beskriva universums storskaliga struktur är kosmologins standardmodell . Den är baserad på den allmänna relativitetsteorin i kombination med astronomiska observationer. Den kvantfysik måste förstå viktiga bidrag särskilt i tidiga universum tiden kort efter Big Bang komma i vilket densiteten och temperaturen var mycket hög. En utökad förståelse av universum kommer sannolikt inte att uppnås förrän fysiken utvecklar en teori som kombinerar allmän relativitet med kvantfysik. Denna teori om kvantgravitation som kallas ”Theory Of Everything” eller världsformeln är avsedd att förklara fysikens fyra grundkrafter på ett enhetligt sätt.

Beteckningarnas ursprung

Ordet ”Universum” översattes till tyska av Philipp von Zesen på 1600 -talet med ordet ”Weltall”. Medan universum eller rymden omfattar allt, hänvisar termen rymd bara till rymden utanför jordens atmosfär och utanför atmosfären i andra himmelska kroppar, där det nästan finns ett vakuum . I vardagligt bruk används också "Weltall" eller "Alla" med betydelsen "rymd".

Termen "kosmos" är lånad från den antika grekiska κόσμος "ordningen" och uttrycker förutom termen "universum" att universum är i ett "ordnat" tillstånd, som en motterm till kaos . Det har bevisats sedan 1800 -talet och är grundordet för kosmonaut , namnet på sovjetiska eller ryska rymdresenärer.

Ålder och sammansättning

Den Andromedagalaxen , den närmaste större galaxen oss

Den klassiska och nu allmänt erkända Big Bang -teorin förutsätter att universum växte fram från en singularitet vid ett visst ögonblick, Big Bang , och har expanderat sedan dess ( se expansion av universum ). Tid, rum och materia kom till med Big Bang. Tider "före" Big Bang och platser "utanför" universum kan inte definieras fysiskt. Därför finns det i fysiken varken en rumslig "utsida" eller en tidsmässig "framför" eller en orsak till universum.

Strikt sett beskriver teorin inte själva processen eftersom de vetenskapliga lagarna för de extrema förhållandena inte är kända under de första 10–43  sekunderna ( Planck -tiden ) efter Big Bang. Först efter att Planck -tiden har gått kan de ytterligare processerna spåras fysiskt. Så det tidiga universum z. B. tilldela en temperatur på 1,4 · 10 32  K ( Planck -temperatur ).

Universums ålder mäts mycket exakt tack vare precisionsmätningar av rymdteleskopet Planck : 13,81 ± 0,04 miljarder år. En tidigare bestämning av åldern med WMAP -satelliten gav det något mindre exakta resultatet på 13,7 miljarder år. Åldern kan också beräknas genom att extrapolera från universums nuvarande expansionshastighet till den tidpunkt då universum komprimerades i en punkt. Denna beräkning beror dock starkt på universums sammansättning, eftersom materia eller energi bromsar expansionen genom gravitationen. Den mörka energin , som hittills bara har indirekt bevisats, kan dock också påskynda expansionen. Olika antaganden om universums sammansättning kan leda till olika åldrar. En nedre gräns för universums ålder kan ges av åldern för de äldsta stjärnorna. I den nuvarande standardmodellen överensstämmer resultaten av dessa metoder mycket bra.

Alla beräkningar för universums ålder förutsätter att big bang faktiskt kan betraktas som universums början i tid, vilket inte är säkert på grund av bristande kunskap om de fysiska lagarna för staten omedelbart efter big bangs början . Ett statiskt universum som är oändligt gammalt och oändligt stort kan uteslutas, men inte ett dynamiskt, oändligt stort universum. Detta beror bland annat på den observerade expansionen av universum . Dessutom påpekade astronomen Heinrich Wilhelm Olbers redan att med oändlig expansion och oändlig ålder för ett statiskt universum måste natthimlen lysa starkt ( Olbers paradox ), eftersom varje blick man tittar på himlen automatiskt måste falla på en stjärna. Om universum är oändligt stort, men bara har en begränsad ålder, har ljuset från vissa stjärnor helt enkelt inte nått oss ännu.

Utrymmet mellan galaxer är inte helt tomt, utan innehåller inte bara stjärnor och dammmoln utan också vätgas . Detta intergalaktiska medium har en densitet av cirka en atom per kubikmeter. Inne i galaxer är emellertid densiteten mycket högre. På samma sätt varvas utrymmet med fält och strålning . Bakgrundsstrålningens temperatur är 2,7  Kelvin (cirka -270 ° C). Det skapades 380 000 år efter Big Bang. Universum består endast i liten utsträckning av känd materia och energi (5%), varav endast 10% avger ljus och därför är synligt. En större del (27%) består av mörk materia . Mörk materia har indirekt upptäckts av ett stort antal observationer, men dess sammansättning är fortfarande i stort sett inte förstådd. Det mesta är mörk energi (68%) som är ansvarig för den accelererade expansionen. Den mörka energin härleddes från data från avlägsna supernovaexplosioner, dess existens bekräftas av satelliter som COBE , WMAP och Planck , ballongförsök som BOOMERanG samt gravitationella linseffekter och fördelningen av galaxer i universum.

Form och volym

Video: Vilken form är universum?

Det är intuitivt att anta att Big Bang -teorin följer en ”sfärisk form” av universum; Detta är dock bara en av flera möjligheter. Förutom ett platt, oändligt universum har många andra former föreslagits, inklusive till exempel en hypertorusform eller de former som har blivit kända i populärvetenskapliga publikationer som "fotbollsformen" ( dodekaeder ) och "trumpetformen" . Vissa data från WMAP -satelliten tyder också på att universum är en ellipsoid .

I CDM -standardmodellen (CDM från C old D ark M atter, "kall mörk materia") och den nyare Lambda CDM -standardmodellen , som tar hänsyn till den uppmätta accelerationen av universums expansion, är universum plant; det vill säga rymden beskrivs med euklidisk geometri . Ett sådant universum behöver inte nödvändigtvis ha en oändlig volym, eftersom kompakta topologier också är möjliga för rymden. Baserat på tillgängliga observationer kan endast en grov nedre gräns för universums omfattning ges. Enligt Neil J. Cornish från Montana State University visar data från WMAP -satelliten att universum enligt de flesta modeller måste vara minst 78 miljarder ljusår i diameter . I standardmodellen Lambda CDM övervägs därför vanligtvis en platt geometri med oändliga dimensioner.

TV -signaler som sänds från jorden når aldrig kanten av denna bild.

Bakgrunden till den beräknade minsta storleken är att en krökning av universum inte kunde mätas. Mätnoggrannheten är relativt stor med 2%. Om man antar att denna mätnoggrannhet leder till en krökning av universum på högst 2%, kan universum böjas tillbaka till sig självt. Krökningen kan emellertid faktiskt vara noll eller så kan den anta ett värde mellan noll och den maximala tänkbara krökning. I det första fallet skulle universum vara oändligt stort, i det senare skulle det vara större än 78 miljarder ljusår.

Eftersom universum är 13,8 miljarder år gammalt kan endast föremål uppfattas vars ljus sändes ut på ett maximalt avstånd av 13,8 miljarder ljusår. Detta är det observerbara universum . Eftersom rymden har expanderat avsevärt under de senaste 13,8 miljarder åren är platserna från vilka objekt avgav ljus för 13,8 miljarder år sedan mer än 45 miljarder ljusår bort. Objekten själva kan ha flyttat längre bort från dessa platser under en period av 13,8 miljarder år på grund av sin egen rörelse inom rymden.

Skillnaden mellan oändlighet och oändlighet är viktig: Även om universum hade en begränsad volym kan det vara obegränsat. Denna modell kan illustreras tydligt enligt följande: En sfärisk yta (sfär) är ändlig, men har inget centrum på denna yta och är obegränsad (man kan röra sig på den utan att någonsin nå en kant). Precis som en tvådimensionell sfärisk yta omsluter en tredimensionell sfär, kan man, om universum inte är plant utan krökt, föreställa sig det tredimensionella rummet som ytan på ett högre dimensionellt utrymme. Tänk på att detta bara är för illustration, för i klassisk kosmologi är universum inte inbäddat i ett högre dimensionellt utrymme.

Förhållandet mellan massdensitet, lokal geometri och form

Även om den lokala geometrin i rymdtiden är mycket nära en euklidisk geometri , är en sfärisk eller hyperbolisk geometri inte heller utesluten. Eftersom den lokala geometrin är kopplad till den globala formen ( topologi ) och universums volym är det i slutändan också okänt om volymen är begränsad (i matematiska termer: ett kompakt topologiskt utrymme) eller om universum har en oändlig volym. Vilka geometrier och former som är möjliga för universum, enligt Friedmann -ekvationerna , som beskriver universums utveckling i standard big bang -modellen, beror i sin tur i huvudsak på energitätheten eller massdensiteten i universum:

  • Om denna densitet är mindre än ett visst värde som kallas den kritiska densiteten, kallas den globala geometrin hyperbolisk, eftersom den kan ses som den tredimensionella analogen för en tvådimensionell hyperbolisk yta. Ett hyperboliskt universum är öppet; Det vill säga, ett givet volymelement inom universum fortsätter att expandera utan att någonsin stanna. Den totala volymen i ett hyperboliskt universum kan vara både oändligt och ändligt.
  • Om energitätheten är exakt densamma som den kritiska densiteten är universums geometri platt. Den totala volymen för ett platt universum är i det enklaste fallet, om man tar ett euklidiskt utrymme som den enklaste topologin, oändligt. Men topologier med en begränsad volym kan också komma överens med ett plant universum. Till exempel är en hyper torus möjlig som en form. Ett plant universum, liksom det hyperboliska universum, är öppet, så ett givet volymelement fortsätter att expandera. Dess expansion bromsas märkbart, så att en oändlig expansion uppnås efter oändlig tid.
  • Om energitätheten är större än den kritiska densiteten kallas universum "sfäriskt". Volymen i ett sfäriskt universum är begränsad. I motsats till de platta och hyperboliska universum, stannar universums expansion någon gång för att sedan stanna. Universum "kollapsar" igen.

Nuvarande astronomiska observationsdata tillåter inte att universum skiljs från ett plant universum. Energitätheten i universum mätt hittills är så nära den kritiska densiteten att de experimentella felen inte gör det möjligt att skilja mellan de tre grundläggande fallen.

Mörk energi fortsätter att påverka universums expansionsegenskaper. En stor andel mörk energi innebär att ett sfäriskt universum inte kollapsar, eller att ett plant universum fortsätter att accelerera. Vissa former av mörk energi kan till och med få universum att expandera lokalt snabbare än ljusets hastighet och därmed rivas sönder i en stor ripp , eftersom interaktioner mellan partiklar inte längre kan äga rum.

Konsekvenser av en oändlig volym i tid

Antagandet om ett universum med en oändlig rymd-tidsvolym väcker några frågor om de kunskapsteoretiska konsekvenserna av detta antagande. Den antropiska principen spelar en särskilt viktig roll här, eftersom det t.ex. B. formulerades av Brandon Carter . Enligt detta - i den mest noggranna tolkningen - måste åtminstone nödvändigheten av att en observatör existerar vid tolkningen av astronomiska data beaktas; d. det vill säga observationsdata är inte nödvändigtvis representativa för hela universum.

Exempel på slutsatser som har dragits av detta vid olika tillfällen är till exempel att ett lokalt uppenbarligen livsvänligt universum överlag kan vara extremt fientligt mot livet eller att till och med extremt osannolika men möjliga händelser skulle behöva inträffa oändligt ofta i sådana ett universum. På senare tid har bl.a. Fysikern Max Tegmark hävdar att universums nuvarande standardmodell, tillsammans med kvantteori, innebär att det i genomsnitt måste finnas en ”tvillingvärld” varje meter. Argumenten från Tegmark gäller också ett universum med begränsad, men tillräckligt stor volym. Dessa argument såväl som slutsatserna är emellertid kontroversiella. B. i publikationen About the Infinite Repetition of Histories in Space med meningen " dessa scenarier förblir inte mer än litterära berättelser ".

Strukturer inom universum

På den största observerbara skalan hittar man galaxkluster som går samman för att bilda ännu större superkluster . Dessa bildar i sin tur trådliknande trådar som sträcker sig över enorma, bubblliknande, praktiskt taget galaxfria hålrum ( tomrum , tomrum = tomt). Ibland talar man om universums bikakestruktur ( kosmiska väv ). Följande rangordning resulterar från de största till de minsta strukturerna i det observerbara universum :

The Milky Way
  1. Large Quasar Group (LQG) (t.ex. U1.27 , diameter: cirka 4 miljarder ljusår)
  2. Filament och hålrum (t.ex. Great Wall , diameter: cirka 1 miljard ljusår)
  3. Supercluster (t.ex. Virgo superclusters , diameter: cirka 200 miljoner ljusår)
  4. Galaxkluster (t.ex. lokal grupp , diameter: cirka 10 miljoner ljusår)
  5. Galaxer (t.ex. Vintergatan , diameter: cirka 100 000 ljusår)
  6. Stjärnhopar ( klotformiga stjärnglas , öppna stjärnglas , diameter: tiotals till hundratals ljusår)
  7. Planetära system (t.ex. vårt solsystem , diameter: ca 300  AU = 41 ljus timmar)
  8. Stjärnor ( t.ex. sol , diameter: 1 392 500 km)
  9. Exoplaneter och planeter ( t.ex. jorden , diameter: 12 756,2 km)
  10. Månar (t.ex. jordens måndiameter: 3476 km)
  11. Asteroider , kometer (diameter: några kilometer till flera 100 km)
  12. Meteoroider (diameter: från mätaren ner till millimeterområdet)
  13. Dammpartiklar
  14. Molekyler
  15. Atomer
  16. Protoner
  17. Elektroner

Obs: Storleksskalorna överlappar delvis. Till exempel finns det månar som är större än planeter, eller asteroider som är mycket större än vissa månar.

Karta över de astronomiska föremålen

Illustration av avståndsförhållandet mellan olika astronomiska objekt i en representation som inte ska skala - himmelkropparna verkar för stora, avstånden skalas logaritmiskt.

Se även

litteratur

webb-länkar

Commons : Universe  - samling av bilder, videor och ljudfiler
Wiktionary: Universe  - förklaringar av betydelser, ordets ursprung, synonymer, översättningar
Wikibooks: Wikijunior Solar System / Space Research  - Inlärnings- och undervisningsmaterial

Videoklipp:

Individuella bevis

  1. ^ J. Richard Gott III et al.: En karta över universum. I: The Astrophysical Journal. Utgåva 624, nr 2, arxiv : astro-ph / 0310571 .
  2. Planck Collaboration, bland annat: Planck 2015 -resultat. XIII. Kosmologiska parametrar I: Astronomy & Astrophysics 594, A13 (2016), arxiv : 1502.01589v3 , sidan 32.
  3. Hubble avslöjar observerbart universum innehåller 10 gånger fler galaxer än tidigare tänkt. I: NASA. Hämtad 22 januari 2018 .
  4. Kenneth R. Lang: En följeslagare till astronomi och astrofysik. Kronologi och ordlista med datatabeller. Springer, 2006, sid. 242 .
  5. Christa Pöppelmann: 1000 fel i allmän utbildning . Compact-Verlag, januari 2009, ISBN 978-3-8174-6689-4 , s.191.
  6. Astronomi - planeter, stjärnor, galaxer. GEO Bibliografiska institutet & F. A. Brockhaus AG. GEO ämneslexikon. Vol. 5. GEO, Gruner + Jahr, Mannheim 2007. ISBN 3-7653-9425-4 .
  7. Universum kan vara fotbollsformat på: nature.com , 9 oktober 2003, öppnas 30 mars 2021.
  8. Universum - en Ellipsoid? På: Astronews.com. 27 september 2006, öppnade 23 juni 2008.
  9. Neil J. Cornish, doktorand - professor. ( Memento den 4 februari 2012 i Internetarkivet ).
  10. Hur stort är vårt platta universum? På: welt.de. 21 januari 2015, åtkomst 1 mars 2020.
  11. B. Carter: Stort antal tillfälligheter och den antropiska principen i kosmologi. I: Konfrontation av kosmologiska teorier med observationsdata. Copernicus Symposium 2nd IAU Symposium. Volym 63. Reidel, Dordrecht 1974, 291-298. ISBN 90-277-0456-2 .
  12. Nick Bostrom: Anthropic Bias Observation Selection Effects in Science and Philosophy. Routledge, New York 2002. ISBN 0-415-93858-9 .
  13. ^ Max Tegmark : Parallella universum. 2003; Publicerad förkortad i Scientific American , maj 2003.
  14. ^ Francisco José Soler Gil , Manuel Alfonseca : About the Infinite Repetition of Histories in Space (2013) , öppnades 31 maj 2020.