- Bei der Ausdehnung des Universums werden Objekte mit zunehmender Entfernung nicht immer kleiner; jenseits eines bestimmten Punkts können sie wegen des Umkehrpunkts der Winkeldurchmesserentfernung wieder größer erscheinen
- Im Standardmodell ΛCDM liegt dieser Umkehrpunkt etwa bei einer Rotverschiebung von 1,5, einer Entfernung von rund 15 Milliarden Lichtjahren und einer Lichtlaufzeit von etwa 10 Milliarden Jahren
- Eine Galaxie aus der Zeit 400 Millionen Jahre nach dem Urknall befindet sich heute in einer Entfernung von etwa 32 Milliarden Lichtjahren, kann aber in ihrer scheinbaren Größe einer Galaxie in etwa 2,7 Milliarden Lichtjahren Entfernung ähneln
- Anschaulich: Nahe Galaxien erscheinen groß und hell, weiter entfernte werden kleiner, und extrem weit entfernte erscheinen wieder groß, dunkel und rot
- Diese Entfernungen sind gerundete Werte, die empfindlich von den kosmologischen Expansionsparametern abhängen; die Rechenbeispiele basieren auf Ned Wrights Rechner
Umkehrpunkt der Winkeldurchmesserentfernung
- Ausgangspunkt ist die Frage, ob sehr weit entfernte Objekte vergrößert erscheinen müssten, wenn der Raum selbst expandiert
- Als Beispiel dient eine Galaxie, die JWST aus der Zeit etwa 400 Millionen Jahre nach dem Urknall beobachtet hat
- Ebenfalls behandelt wird, ob der Effekt erst jenseits des beobachtbaren Horizonts auffällt und wie stark sich die Skala des Raums damals von der heutigen unterschied
Referenzwerte im Standardmodell ΛCDM
- In Modellen der kosmischen Expansion ist dieses Phänomen tatsächlich möglich und wird Angular diameter distance turnaround oder Turnover genannt
- Im üblichen ΛCDM-Modell liegt der Umkehrpunkt ungefähr in folgendem Bereich
- Rotverschiebung etwa 1,5
- Entfernung etwa 15 Milliarden Lichtjahre
- Lichtlaufzeit etwa 10 Milliarden Jahre
- Etwa 4 Milliarden Jahre nach dem Urknall
- Diese Entfernung ist wegen des Einflusses der Raumexpansion größer als eine einfache Umrechnung allein anhand der Lichtlaufzeit
- Die Zahlen hängen empfindlich von den kosmologischen Expansionsparametern ab und sollten daher als gerundete Werte verstanden werden
Beispiel einer frühen JWST-Galaxie
- Eine Galaxie aus der Zeit etwa 400 Millionen Jahre nach dem Urknall entspricht heute einer Entfernung von rund 32 Milliarden Lichtjahren
- Rein nach der scheinbaren Größe kann diese Galaxie ähnlich aussehen wie eine Galaxie in etwa 2,7 Milliarden Lichtjahren Entfernung
- Dieser berechnete Wert wird als Beispiel aus Ned Wrights Rechner verwendet
Materialien für das visuelle Verständnis
- xkcd 2622 zeigt dieses Phänomen beispielhaft als Illustration
- In der Zeichnung erscheinen nahe „Galaxien“ groß und hell, weiter entfernte Galaxien klein, und extrem weit entfernte Galaxien groß, dunkel und rot
- Eine ausführlichere Erklärung findet sich unter Understanding The Turnover Point of Angular Diameter Distance
- Auch die Grafik in der Antwort auf Can the difference between a star and a galaxy which are point sources be detected? im selben Forum hilft beim Verständnis dieses Phänomens
1 Kommentare
Meinungen auf Hacker News
Ein lesenswerter Klassiker zu diesem Thema ist das pädagogische Paper „Expanding Confusion“ (2003) [0]https://arxiv.org/pdf/astro-ph/0310808.pdf
Es kann schwindelerregend sein, ein Universum, das sich aus Sicht von Objekten beschleunigt ausdehnt [1]https://bigthink.com/starts-with-a-bang/universe-expansion-n..., und eine feste, endliche Lichtgeschwindigkeit gleichzeitig in einem euklidischen Kopfmodell unterzubringen
Man sollte bereit sein, Diagramme zu zeichnen und den mühsamen Prozess zu genießen, kontraintuitive Schlussfolgerungen von Hand herzuleiten
Das erinnert hieran: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Terrell_rotation
Wenn sich etwas mit relativistischer Geschwindigkeit bewegt, erscheint es dem Beobachter so, als würde es rotieren, obwohl es sich tatsächlich geradeaus bewegt, und man kann sogar die Rückseite des Objekts sehen
Der Grund ist, dass Licht von verschiedenen Teilen eines Objekts den Beobachter mit Zeitunterschieden erreicht
Licht von der weiter entfernten Seite braucht länger, und währenddessen bewegt sich das Objekt weiter
Dass man die Rückseite eines Objekts sehen kann, liegt also daran, dass sich der hintere Teil des Objekts aus dem Weg dieses Lichtpfads bewegt, während das von dort ausgesandte Licht unterwegs ist
Das bedeutet, dass ein Objekt, das sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, für den Beobachter nicht flach „zusammengedrückt“ aussieht, sondern eher gedreht
Wäre es sinnvoll, die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung als Grenze dieses Phänomens zu betrachten?
Ich frage mich, ob man sie so sehen kann: als Überbleibsel des Urknalls, maximal vergrößert und bis heute so weit rotverschoben, wie es möglich ist
In dieser Alternative läge der Zeitpunkt, zu dem das Universum für Licht transparent wurde, etwas vor dem Moment, der in der Hintergrundstrahlung erscheint, und alles, was „weiter entfernt“ ist, wäre außerhalb unseres Lichtkegels geschehen
Also im technischen Sinn „elsewhere“ (https://web.phys.ksu.edu/fascination/Interlude1.pdf)
In dieser Alternative könnte man die Expansion des Universums vielleicht auch durch die gravitative Anziehung zwischen Materie außerhalb unseres Lichtkegels und Materie darin erklären
Vermutlich gibt es Argumente, warum das nicht stimmt, aber die kenne ich nicht gut
Man müsste erklären, warum es genau dieser Zeitpunkt in der Geschichte sein sollte
Ist die maximale Entfernung konstant, und verändert sich die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung subtil auf eine Weise, die wir noch nicht bemerkt haben, während der Punkt der „fernsten Vergangenheit“ zeitlich nach vorn wandert?
Oder hat sich die Lichtgeschwindigkeit aus irgendeinem Grund zu diesem Zeitpunkt geändert, sodass der Rest des Universums aus unserem Sichtfeld abgeschnitten wurde
Gut. Es gibt Themen, die man im Unterricht hört und ohne viel Nachdenken abhakt; man merkt gar nicht, wie schwindelerregend sie sind, bis jemand „Moment mal“ sagt und einen anhält
Die Interpretation des Poynting-Vektors ist so ein Beispiel
Gehen wir noch einen Schritt weiter. Angenommen, das Teleskop ist groß genug und der Sensor empfindlich genug: Wie würde die Struktur des tiefsten Universums aussehen?
Gäbe es Strukturen aus der Zeit vor der Entstehung der Galaxien, kleiner als Galaxien, die aber riesige Bereiche des Himmels einnehmen?
Könnten Strukturen aus irgendeinem früheren Zeitpunkt so große Himmelsflächen einnehmen, dass nur ein paar davon „hineinpassen“, und ließe sich das rechnerisch ebenso damit erklären, dass der für uns damals beobachtbare Bereich des Universums entsprechend kleiner war?
Echte Bilder davon findet man leicht
Das Problem ist: Zwar sind das die ältesten Photonen, die wir sehen können, aber sie stammen trotzdem aus einer Zeit, als das Universum etwa 400.000 Jahre alt war, und damals hatte das Universum eine Breite von ungefähr 100 Millionen Lichtjahren
Dieses Bild zeigt, dass das Universum nahezu vollständig homogen war; Strukturen der von dir beschriebenen Art gab es im Grunde nicht
Um weiter zu sehen, müsste man Photonen ganz aufgeben und das sehr frühe Universum vermutlich mit Gravitationswellen untersuchen
Gravitationswellen sollten uns bis in das davor vollständig undurchsichtige Universum blicken lassen können
Derzeit können wir mit Gravitationswellen-Observatorien nur die hellsten und lautesten Ereignisse im Universum „sehen/hören“, aber schon die Tatsache, dass das möglich ist, ist erstaunlich
Die Menschheit hat damit gewissermaßen einen neuen Sinn geschaffen, den kein bekanntes Lebewesen besitzt, und das LISA-Projekt wird noch mehr hören können
Interessant. Ich habe eine verwandte Frage. Wenn wir Andromeda mit einem Durchmesser von 220.000 Lichtjahren betrachten, sehen wir sie leicht von der Seite
Da sich die Galaxie während dieser 220.000 Jahre relativ zu uns bewegt hat, müssten die Sterne am hinteren Rand am Himmel doch relativ zu den Sternen am vorderen Rand an anderen Positionen stehen, oder?
Was mich bei der Beobachtung so ferner Objekte immer stört, ist die Zeitverzögerung
Wenn Licht 4 Lichtjahre braucht, um in eine Richtung zu reisen, dann gilt das aus Sicht eines Beobachters am Startpunkt; aus Sicht des Photons, das wir beobachten, ist es doch viel kürzer als 4 Jahre, oder? Kann man überhaupt von „Jahren“ sprechen?
Sehen wir Alpha Centauri durch ein Teleskop also wirklich so, wie es vor 4 Jahren war? Ist es nicht viel aktueller?
Oder: Wenn ein 30-jähriger Mensch mit Lichtgeschwindigkeit von Alpha Centauri zur Erde reist, ist er bei der Ankunft etwa 31, kommt 4 Jahre später an und ist im Grunde in die Zukunft gereist? Wenn er sofort zurückkehrt, treffen die Menschen auf Alpha Centauri dann 8 Jahre später einen etwa 32-Jährigen wieder?
Dann war Supermans Idee, sehr schnell um die Erde zu fliegen, um durch die Zeit zu reisen, vielleicht gar nicht falsch, nur war die Richtung die Zukunft statt die Vergangenheit
Irgendwann wird vielleicht ein Milliardär jahrzehntelang sehr schnell um das Sonnensystem kreisen, um etwa ein Jahrhundert zu überspringen
Ein Photon, das zwischen Alpha Centauri und der Erde unterwegs ist, erlebt keine Zeit und kommt daher gewissermaßen sofort an
Wir als Beobachter sehen diese Reise jedoch als etwas, das 4 Jahre dauert
Ob das aktuell ist oder nicht, ist eine relative Frage und hat nicht viel Bedeutung
Aus Sicht des Photons ist es aktuell; aus unserer Sicht ist dieses Licht 4 Jahre alt
Dann dürfte ein solches Objekt schwerer zu detektieren sein. Das Licht verteilt sich über einen größeren Bereich, sodass weniger Licht auf jeden Pixel des Detektors fällt als ohne Vergrößerung
Umgekehrt bedeutet das aber auch, dass man Detailstrukturen sehen kann, die sonst nicht sichtbar wären
Das ist ziemlich verblüffend. Der verlinkte xkcd zeigt diesen Effekt hervorragend, vielleicht sogar übertrieben
Objekte im Spiegel können weiter entfernt sein, als sie erscheinen
Helligkeit hochdrehen und reinzoomen