In einem Klima des ständigen technologischen Fortschritts und wo die Geheimnisse des Weltraums Antworten gefunden haben, die zuvor unvorstellbar waren, haben Sie sich wahrscheinlich auch gefragt, wie groß das Universum ist. Wenn der Wettlauf um die Erforschung des Weltraums uns vor Augen geführt hat, dass unser Planet nur ein Fleck in einer grenzenlosen kosmischen Wüste ist, dann weiß nicht jeder, wie groß das Universum tatsächlich ist, zumindest nach dem am weitesten akzeptierten kosmologischen Modell, das auf die gigantische und donnernde Explosion des Urknalls zurückgeht.
Eine Explosion, die sich vor mehr als 13 Milliarden Jahren ereignet haben soll und aus der alles hervorgegangen ist, was wir kennen, aber auch alles, was bis jetzt unbekannt geblieben ist. Mit der Weiterentwicklung der Technologie sind die Astronomen in der Lage, in die Zeit kurz nach diesem entscheidenden Ereignis zurückzublicken, aber sie können die Größe des Kosmos immer noch nur begrenzt quantifizieren, die natürlich von einer Reihe verschiedener Faktoren bestimmt wird, darunter - wenig überraschend - von der Form und der Ausdehnung.
Was ist das Universum
Bevor man herausfindet, wie groß das Universum ist, wenn man es überhaupt weiß, muss man erst einmal verstehen, was mit diesem Begriff eigentlich gemeint ist. In der wissenschaftlichen Literatur, insbesondere in derjenigen, die sich mit astronomischen Phänomenen befasst, wird der Name Universum verwendet, um den gesamten Raum und alles, was darin enthalten ist, zu bezeichnen. Konkret handelt es sich um Materie, Energie, Planeten und Sterne, Galaxien und den Inhalt des intergalaktischen Raums im Allgemeinen. Im Wesentlichen können wir es als "die Gesamtheit aller Dinge, die existieren" definieren, und nur ein sehr kleiner Teil davon ist für das bloße Auge sichtbar.
Ausgehend von unserem lokalen Zeitrahmen entstand das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren durch den bereits erwähnten Urknall, die derzeit von den Wissenschaftlern am besten akzeptierte Hypothese, wenn auch mit ihren offensichtlichen Einschränkungen. Diesem Modell zufolge spielten vier fundamentale Kräfte eine Schlüsselrolle bei der "Raumentstehung": die starke Kernkraft, die schwache Kernkraft, die Gravitationskraft und die elektromagnetische Kraft. All dies war mit der Bildung von Protonen, Elektronen und Neutronen verbunden, aus denen bei sinkenden Temperaturen Heliumkerne, Deuteriumkerne und Atome entstanden.
In dieser Phase kühlte sich das Universum weiter ab und dehnte sich aus, wodurch die richtigen Bedingungen für die Entstehung von Galaxien und Sternen geschaffen wurden. Ein echter Expansionspfad nach dem Urknall, der dank der Gravitationsanziehung, die den Abstand zwischen den Galaxien verringert und eine unendliche Ausdehnung verhindert, sein besonderes Gleichgewicht gefunden hat. Die Wissenschaftler haben heute zwei verschiedene Theorien über die zukünftige Entwicklung des Universums: die Theorie des geschlossenen Universums und die Theorie des offenen Universums.
Nach der ersten Theorie würde sich das Universum tendenziell ausdehnen und dann zu einer sehr kleinen Masse mit hoher Dichte zusammenziehen; nach der zweiten Theorie hingegen würde sich das Universum unendlich ausdehnen, da die vorhandene Materiemenge nicht ausreicht, um die Ausdehnung zu stoppen. Zu Beginn der 1980er Jahre kam ein neues Modell ins Spiel, das so genannte inflationäre Universum, in dem sich das Universum im Vergleich zur weithin akzeptierten traditionellen Theorie rasch um den Faktor 1050 vergrößert haben soll.
Wie groß ist das Universum
Der von der Erde aus mit den uns zur Verfügung stehenden technischen Mitteln beobachtbare Teil des Universums hat einen Gesamtdurchmesser von 93 Milliarden Lichtjahren. Es ist gerade die wissenschaftliche und sorgfältige Beobachtung des Universums und seiner Bewegungen, die es uns ermöglicht hat, zu verstehen, dass es für den größten Teil seiner Geschichte und während seiner gesamten beobachtbaren Ausdehnung von denselben physikalischen Gesetzen und Konstanten beherrscht wird, mit offensichtlichen Rückschlüssen auf seine anfängliche und äußerst heikle Phase. Genauer gesagt, ist das beobachtbare Universum der Bereich des Universums, der von der Erde aus sichtbar ist, und ist ungefähr eine unendlich große Kugel mit einem Radius von 43 Milliarden Lichtjahren.
Um einen Vergleich anzustellen, den auch weniger erfahrene Menschen verstehen können, müssen wir bedenken, dass der Durchmesser einer typischen Galaxie 30.000 Lichtjahre beträgt und der typische Abstand zwischen zwei benachbarten Galaxien 3 Millionen Lichtjahre. Unsere eigene Milchstraße hat beispielsweise einen Durchmesser von etwa 100.000 Lichtjahren, und die unserem Planeten am nächsten gelegene Galaxie, Andromeda, ist etwa 2,5 Millionen Lichtjahre entfernt.
Es versteht sich von selbst, dass in der Kosmologie das wahrhaft beobachtbare Universum als ein riesiges Gebiet des Raums "gebürstet" wird, das von einer auf einen Beobachter zentrierten Kugel umschlossen ist. Eine Sphäre, die in der Tat alles umschließt, was er beobachten kann. Im Allgemeinen meinen wir dann den gesamten Teil des Universums, der von der Menschheit erforscht werden kann, und somit die Sphäre, die auf unsere Erde zentriert ist, aber gleichzeitig ist es leicht zu verstehen, dass jede Position im Raum zwangsläufig ihr eigenes spezifisches beobachtbares Universum besitzt.
Wäre das Universum absurderweise nicht, wie bereits erwähnt, in ständiger Expansion begriffen, könnten wir die Frage "Wie groß ist das Universum?" leicht mit einer trivialen Berechnung beantworten: In der Praxis wäre der Radius des beobachtbaren Universums gleich der Strecke, die das Licht in der Zeit zwischen dem Beginn des Universums, also 13,8 Milliarden Lichtjahre, und dem Urknall zurückgelegt hat. Da sich die Expansion jedoch fortsetzt, ist die tatsächliche Entfernung dieses Horizonts heute wesentlich größer und kann nicht mit absoluter Genauigkeit bestimmt werden.
Heute ist dieser Punkt nach den zuverlässigsten Schätzungen 46 Milliarden Lichtjahre entfernt, was das beobachtbare Universum zu einer Kugel mit einem Durchmesser von etwa 93 Milliarden Lichtjahren macht, wie im ersten Absatz behauptet. Diese Größe könnte etwa 7×1022 Sterne enthalten, die in etwa 2×1012 Galaxien oder zwei Billionen Galaxien organisiert sind, die wiederum in Galaxiengruppen und -haufen und Superhaufen zusammengefasst sind.
Neuere und präzisere Beobachtungen haben jedoch neue Schätzungen ergeben, wonach die hypothetische Anzahl der Galaxien im Universum, die aus der Struktur des derzeit bekannten kosmischen optischen Hintergrunds extrapoliert wird, nur einen Bruchteil der tatsächlichen Zahl ausmacht. Die Zahl ist folglich um mindestens eine oder zwei Größenordnungen höher, wenn man die weiteren 90 % der Galaxien im beobachtbaren Universum nicht mitzählt, die mit den uns zur Verfügung stehenden Teleskopen, die leider noch nicht leistungsfähig genug sind, nicht entdeckt werden können.
Das Alter des Universums
Alle diese Überlegungen lassen uns verstehen, dass es nicht einstimmig möglich ist, die Größe des Universums zu bestimmen. Das Universum, das sich in seiner unaufhaltsamen Ausdehnung nun beschleunigt, setzt seinem beobachtbaren Anteil eine Grenze. Die "Grenzen" werden durch den so genannten kosmologischen Horizont markiert, der als die Region des Universums definiert ist, hinter der sich jedes Objekt mit einer Geschwindigkeit größer als das Licht vom Beobachter entfernt. Es versteht sich von selbst, dass dieser Horizont die maximale Entfernung darstellt und abgrenzt, mit der kein kausaler Kontakt mehr hergestellt werden kann: Nach diesem astronomischen Prinzip wird es niemals die Möglichkeit geben, irgendein Signal oder eine Information, die von nun an erzeugt wird, mit Regionen jenseits des Horizonts zu beobachten oder auszutauschen, wobei die Elemente für den Beobachter selbst "aus der Realität herausgehen".
Wie viele von Ihnen bereits wissen, ist der Horizont eine physikalische Grenze, die durch die endliche Geschwindigkeit des Lichts oder jeder anderen von Himmelsobjekten ausgesandten Strahlung gesetzt wird, wobei diese Strahlung eine bestimmte Zeit benötigt, um den Beobachter zu erreichen, und die unendlich viel länger ist als die durchschnittliche menschliche Lebensspanne.
Wirkliche Schwierigkeiten, die mit der Größe des Universums zusammenhängen und die auch auftreten, wenn man versucht, sein Alter zu bestimmen, obwohl wir zu einer ziemlich "genauen" Konvention gelangt sind, so weit wie möglich. Diese Terminologie bezieht sich im Allgemeinen auf die Zeit, die zwischen dem Urknall und dem heutigen Tag vergangen ist, d. h. 13,82 Milliarden Jahre, um genau zu sein, nach dem Urknallmodell. Es gibt jedoch verschiedene Messungen, die es uns zumindest erlauben, das Alter des Universums zu schätzen. Zu den bekanntesten gehören die Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung und der Expansion des Universums. Erstere, um es so einfach wie möglich zu erklären, betrachten die Abkühlungszeit des Universums seit dem Urknall. Studien über die Ausdehnung des Universums hingegen ermöglichen es, ein wahrscheinliches Datum für den Beginn der Ausdehnung selbst zu berechnen.
Sie werden verstehen, dass das tatsächliche Alter des Universums viel höher sein könnte als die heutigen Schätzungen der Wissenschaft, da wir nicht genau wissen, was vor dem Urknall geschah. Andererseits wird der Begriff Universum im allgemeinen Sprachgebrauch gerade wegen der Unvermeidbarkeit des Universums, sowohl in Bezug auf die Zeit als auch auf die Größe, sehr oft fälschlicherweise als Bezeichnung für das beobachtbare Universum verwendet. Wie wir bereits erläutert haben, sind unbeobachtbare physikalische Phänomene für die menschliche Wissenschaft paradigmatisch unbeschreiblich.