Wenn Sie so weit in den Weltraum gehen würden, wie Sie sich vorstellen können, was würden Sie begegnen? Würde es eine Grenze geben, wie weit du gehen könntest, oder könntest du eine unbegrenzte Entfernung zurücklegen? Würdest du irgendwann zu deinem Ausgangspunkt zurückkehren oder würdest du weiterhin den Raum durchqueren, dem du noch nie zuvor begegnet bist? Mit anderen Worten, hat das Universum eine Kante, und wenn ja, wo ist es?

Ob Sie es glauben oder nicht, es gibt tatsächlich drei verschiedene Möglichkeiten, über diese Frage nachzudenken, und jede hat eine andere Antwort. Wenn Sie überlegen, wie weit Sie gehen könnten, wenn Sie:

• heute in einer beliebig starken Rakete zurückgelassen,
• betrachtet alles, was uns jemals kontaktieren oder von uns kontaktiert werden könnte, vom Beginn des heißen Urknalls an,
• oder benutzte deine Vorstellungskraft allein, um auf das gesamte Universum zuzugreifen, einschließlich über das hinaus, was jemals beobachtbar sein wird,

Sie können herausfinden, wie weit es bis zum Rand ist. In jedem Fall ist die Antwort faszinierend.

Das Schlüsselkonzept, das man beachten sollte, ist, dass Raum nicht so ist, wie wir ihn uns normalerweise vorstellen. Herkömmlicherweise betrachten wir den Raum als ein Koordinatensystem — ein dreidimensionales Gitter -, bei dem der kürzeste Abstand zwischen zwei Punkten eine gerade Linie ist und sich die Abstände im Laufe der Zeit nicht ändern.Aber diese beiden Annahmen, die in unserem täglichen Leben so gut sind, scheitern spektakulär, wenn wir anfangen, das größere Universum jenseits unseres eigenen Planeten zu betrachten. Für den Anfang fällt die Idee, dass der kürzeste Abstand zwischen zwei Punkten eine gerade Linie ist, auseinander, sobald Sie anfangen, Massen und energetische Quanten in Ihr Universum einzuführen. Da die Raumzeit einer Krümmung unterliegt, für die das Vorhandensein von Materie und Energie die Ursache ist, hängt der kürzeste Abstand zwischen zwei Punkten inhärent von der Form des Universums zwischen diesen Punkten ab.

Darüber hinaus bleibt das Gewebe der Raumzeit selbst im Laufe der Zeit nicht statisch. In einem Universum, das mit Materie und Energie gefüllt ist, ist ein statisches, unveränderliches Universum (in dem die Abstände zwischen Punkten im Laufe der Zeit gleich bleiben) von Natur aus instabil; Das Universum muss sich entweder ausdehnen oder zusammenziehen. Wenn Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie richtig ist, ist dies obligatorisch.

Beobachtend ist der Beweis, dass sich unser Universum ausdehnt, überwältigend: eine spektakuläre Bestätigung für Einsteins Vorhersagen. Dies hat jedoch eine Reihe von Konsequenzen für Objekte, die durch kosmische Entfernungen voneinander getrennt sind, einschließlich der Tatsache, dass sich der Abstand zwischen ihnen im Laufe der Zeit ausdehnt. Heute sind die entferntesten Objekte, die wir sehen können, mehr als 30 Milliarden Lichtjahre entfernt, obwohl seit dem Urknall nur 13, 8 Milliarden Jahre vergangen sind.

Wenn wir messen, wie weit eine Vielzahl von Objekten von ihren physikalischen und leuchtenden Eigenschaften entfernt ist — zusammen mit der Menge, in der ihr Licht durch die Expansion des Universums verschoben wurde — können wir verstehen, woraus das Universum besteht. Unser kosmischer Cocktail besteht derzeit aus:

• 0,01% Strahlung in Form von Photonen,
• 0,1% Neutrinos, einem schwer fassbaren Teilchen mit geringer Masse, das fast so zahlreich ist wie Photonen,
• 4,9% normaler Materie, die größtenteils aus dem gleichen Material besteht, aus dem wir: protonen, Neutronen und Elektronen,
• 27% dunkle Materie, eine unbekannte Substanz, die gravitativ ist, aber weder Licht emittiert noch absorbiert,
• und 68% dunkle Energie, die dem Weltraum innewohnt und entfernte Objekte auf ihrem Weg von uns beschleunigt.

Wenn Sie diese Effekte miteinander kombinieren, erhalten Sie eine einzigartige und eindeutige Vorhersage dafür, wie weit es zu allen Zeiten in der Vergangenheit und Gegenwart bis zum Rand des beobachtbaren Universums ist.

Das ist eine große Sache! Die meisten Menschen gehen davon aus, dass, wenn das Universum seit dem Urknall 13,8 Milliarden Jahre existiert, die Grenze, wie weit wir sehen können, 13,8 Milliarden Lichtjahre betragen wird, aber das ist nicht ganz richtig.

Nur wenn das Universum statisch wäre und sich nicht ausdehnen würde, wäre das wahr, aber Tatsache ist: je weiter wir wegschauen, desto schneller scheinen sich entfernte Objekte von uns zu entfernen. Die Geschwindigkeit dieser Expansion ändert sich in einer Weise, die vorhersehbar ist, basierend auf dem, was im Universum ist, und wiederum, zu wissen, was im Universum ist und zu beobachten, wie schnell Objekte expandieren, sagt uns, wie weit sie entfernt sind. Wenn wir alle verfügbaren Daten zusammenfassen, erhalten wir einen eindeutigen Wert für alles zusammen, einschließlich der Entfernung zum beobachtbaren kosmischen Horizont: 46, 1 Milliarden Lichtjahre.

Diese Grenze ist jedoch keine „Kante“ zum Universum im herkömmlichen Sinne des Wortes. Es ist überhaupt keine Grenze im Raum; wenn wir uns zufällig an einem anderen Punkt im Weltraum befinden würden, wären wir immer noch in der Lage, alles um uns herum innerhalb dieser 46, 1 Milliarden Lichtjahre großen Kugel, die auf uns zentriert ist, zu erkennen und zu beobachten.

Dies liegt daran, dass diese „Kante“ eher eine zeitliche als eine räumliche Grenze ist. Diese Kante stellt die Grenze dessen dar, was wir sehen können, weil die Lichtgeschwindigkeit — selbst in einem expandierenden Universum, das von der Allgemeinen Relativitätstheorie regiert wird — nur Signale so weit über die 13,8 Milliarden Jahre alte Geschichte des Universums reisen lässt. Dieser Abstand ist weiter als 13.8 milliarden Lichtjahre wegen der Expansion des Universums, aber es ist immer noch endlich. Wir können jedoch nicht alles erreichen.

Über eine bestimmte Entfernung hinaus können wir etwas von dem Licht sehen, das bereits vor langer Zeit emittiert wurde, werden aber niemals das Licht sehen, das gerade emittiert wird: 13, 8 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Ab einer bestimmten Entfernung, die (von mir) derzeit etwa 18 Milliarden Lichtjahre entfernt ist, wird uns selbst ein Signal, das sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, niemals erreichen.In ähnlicher Weise bedeutet das, dass, wenn wir in einem beliebig leistungsstarken Raketenschiff wären, alle Objekte, die derzeit in diesem 18 Milliarden Lichtjahre Radius enthalten sind, schließlich von uns erreichbar wären, selbst wenn das Universum weiter expandiert und diese Entfernungen weiter zunehmen. Die darüber hinausgehenden Objekte wären jedoch niemals erreichbar. Selbst wenn wir immer größere Entfernungen zurücklegten, würden sie schneller zurückgehen, als wir jemals reisen könnten, und uns daran hindern, sie für alle Ewigkeit zu besuchen. Bereits jetzt sind 94% aller Galaxien im beobachtbaren Universum außerhalb unserer ewigen Reichweite.

Und doch gibt es eine andere „Kante“, die wir vielleicht in Betracht ziehen möchten: jenseits der Grenzen dessen, was wir heute beobachten können, oder sogar dessen, was wir möglicherweise willkürlich weit in die Zukunft beobachten können, wenn wir unsere theoretische Uhr in Richtung Unendlichkeit laufen lassen. Wir können überlegen, wie groß das gesamte Universum ist – das nicht beobachtbare Universum – und ob es sich in sich selbst faltet oder nicht.

Die Art und Weise, wie wir dies beantworten können, basiert auf einer Extrapolation dessen, was wir beobachten, wenn wir versuchen, die räumliche Krümmung des Universums zu messen: die Menge, die der Raum auf der größten Skala gekrümmt ist, die wir möglicherweise beobachten können. Wenn das Universum positiv gekrümmt ist, laufen parallele Linien zusammen und die drei Winkel eines Dreiecks summieren sich auf mehr als 180 Grad. Wenn das Universum negativ gekrümmt ist, divergieren parallele Linien und die drei Winkel eines Dreiecks summieren sich auf weniger als 180 Grad. Und wenn das Universum flach ist, bleiben parallele Linien parallel und alle Dreiecke enthalten genau 180 Grad.

Die Art und Weise, wie wir dies tun, besteht darin, die entferntesten Signale von allen zu nehmen, wie das Licht, das vom Urknall übrig geblieben ist, und im Detail zu untersuchen, wie die Fluktuationen strukturiert sind. Wenn das Universum entweder in eine positive oder eine negative Richtung gekrümmt ist, werden die Fluktuationsmuster, die wir beobachten, verzerrt, um entweder auf größeren oder kleineren Winkelskalen zu erscheinen, im Gegensatz zu einem flachen Universum.

Wenn wir die besten verfügbaren Daten nehmen, die sowohl aus den Fluktuationen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds als auch aus den Details stammen, wie sich Galaxien in großen Maßstäben in einer Vielzahl von Entfernungen zusammenschließen, kommen wir zu einer unausweichlichen Schlussfolgerung: Das Universum ist nicht von perfekter räumlicher Ebenheit zu unterscheiden. Wenn es gekrümmt ist, ist es auf einem Niveau, das nicht mehr als 0 ist.4%, was bedeutet, dass, wenn das Universum wie eine Hypersphäre gekrümmt ist, sein Radius mindestens ~ 250 mal größer ist als der Teil, der für uns beobachtbar ist.

Wenn Sie den Rand des Universums als das am weitesten entfernte Objekt definieren, das wir jemals erreichen könnten, wenn wir unsere Reise sofort beginnen würden, dann ist unsere gegenwärtige Grenze eine bloße Entfernung von 18 Milliarden Lichtjahren, die nur 6% des Volumens unseres beobachtbaren Universums umfasst. Wenn Sie es als die Grenze dessen definieren, von was wir ein Signal beobachten können — von wem wir sehen können und wer uns sehen kann —, dann geht die Kante auf 46, 1 Milliarden Lichtjahre hinaus. Aber wenn Sie es als die Grenzen des nicht beobachtbaren Universums definieren, ist die einzige Grenze, die wir haben, dass es mindestens 11.500 Milliarden Lichtjahre groß ist, und es könnte sogar noch größer sein.

Dies bedeutet jedoch nicht unbedingt, dass das Universum unendlich ist. Es könnte flach sein und sich immer noch auf sich selbst krümmen, mit einer donutartigen Form, die mathematisch als Torus bekannt ist. So groß und expansiv das beobachtbare Universum auch ist, es ist immer noch endlich, mit einer endlichen Menge an Informationen, die uns lehren können. Darüber hinaus sind uns die ultimativen kosmischen Wahrheiten noch unbekannt.