Letzten Monat haben Sie vielleicht den Blogpost gesehen, Schauen Sie nach oben! Den Kosmos nah und fern erkunden . Wir haben uns gefreut, den Bestsellerautor, Professor und theoretischen Astrophysiker vorzustellen, Dr. Katie Mack , und beobachtender Astrophysiker und Professor, Dr.JJ. Hermes , für unsere erste Folge von Statistically Speaking im Jahr 2022. Wir hatten so viele tolle Fragen von unserem Publikum, dass wir nicht alle beantworten konnten. Dr. Mack und Dr. Hermes haben freundlicherweise zugestimmt, einige dieser Fragen in diesem Blogbeitrag zu beantworten.
Haben wir eine Theorie darüber, was die Schwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund verursacht hat?
Dr. Mack: Der kosmische Mikrowellenhintergrund – das Licht aus den entferntesten Winkeln des beobachtbaren Universums, das uns einen Blick auf das ursprüngliche Plasma gibt, das unseren Kosmos in den ersten 380.000 Jahren erfüllte – ist fast vollständig einheitlich. Die Schwankungen der Temperatur (oder Dichte) dieses hell leuchtenden Plasmas liegen nur bei etwa 1 zu 100.000. Diese winzigen Schwankungen sind jedoch entscheidend: Durch langsamen Gravitationskollaps wuchsen kleine Punkte in der Dichte des ursprünglichen Plasmas schließlich zu ganzen Galaxienhaufen heran, die heute sind.
Wir haben einige Theorien darüber, woher diese Schwankungen kamen. Die bekannteste Theorie ist die der kosmischen Inflation: ein Prozess, durch den sich das sehr frühe Universum für kurze Zeit extrem schnell ausdehnte und durch Quantenfluktuationen im Feld, das diese Expansion antreibt, winzige Schwankungen in der Energiedichte im Universum verursachte . Als das Universum mit einer entspannteren Geschwindigkeit weiter wuchs, wuchsen auch diese winzigen Dichteflecken. Dieser Prozess scheint mit unseren Beobachtungen der Verteilung dieser Blips im gesamten Universum übereinzustimmen, aber es gibt immer noch Debatten in der Physik-Community darüber, ob Inflation oder ein anderer Prozess die beste Erklärung ist.
Warum ist der Hitzetod das wahrscheinlichste End-of-Universum-Szenario?
Dr. Mack: Wir wissen nicht genau, wie das Universum enden wird. Das Beste, was wir tun können, ist, aus aktuellen Beobachtungen zu extrapolieren und unsere besten Theorien oder Modelle zu verwenden, um die Daten, die wir jetzt haben, damit zu verbinden, wie wir erwarten, dass sich ein Universum, das wie unseres heute aussieht, in Zukunft entwickeln wird. Wir wissen aus unseren Beobachtungen entfernter Galaxien, dass sich das Universum ausdehnt. Astronomen versuchen seit langem zu bestimmen, ob die Expansion ewig anhält oder sich eines Tages umdreht und das Universum wieder zusammenzieht. Wir können es immer noch nicht mit Sicherheit sagen, aber was wir sagen können, ist, dass die Expansion sich beschleunigt, und das schon seit mehreren Milliarden Jahren, was darauf hindeutet, dass eine Trendwende nicht wahrscheinlich ist. Was auch immer die Expansion beschleunigt (wir nennen es „dunkle Energie“) scheint derzeit die wichtigste Komponente des Universums zu sein, die seine zukünftige Entwicklung vorantreibt. Unsere kosmologischen Modelle sagen uns, dass der Kosmos, solange die Expansion beschleunigt wird, schließlich sehr kalt und leer wird, wobei Materie und Strahlung zunehmend diffus werden. Ein solches Universum entwickelt sich unweigerlich zu einem Hitzetod, bei dem alles, was im Kosmos übrig bleibt, die „Abwärme“ aller astrophysikalischen Prozesse ist, die stattgefunden haben und sich im langsamen Zerfall, der in jedem physikalischen System auftritt, selbst ausgebrannt und zerfallen sind ein Weg.
Irgendwelche Gedanken darüber, was nach dem Ende des Universums passiert? Wird ein neues Universum beginnen oder ist es das Ende der Geschichte?
Dr. Mack: Wenn ich vom „Ende“ des Universums spreche, meine ich einen Prozess, durch den jedes Objekt oder jede Struktur im beobachtbaren Universum auf die eine oder andere Weise zerstört wird. So etwas wie ein Hitzetod würde dies durch langsamen Zerfall über Billionen und Billionen von Jahren erreichen; ein Prozess wie der Vakuumzerfall wäre viel plötzlicher und heftiger. Auf jeden Fall gibt es Möglichkeiten, dass etwas passiert, nachdem dieser endgültige Zerstörungsprozess stattgefunden hat, obwohl es auch Möglichkeiten gibt, die dies nicht tun. Nicht jedes Ende aller Dinge im Kosmos beendet definitiv die Raumzeit selbst. Es gibt einige Möglichkeiten (von denen ich einige in meinem Buch bespreche), dass es nach der Zerstörung unseres Kosmos zu einem neuen Urknall kommt. Wenn wir uns in Bezug auf dunkle Energie irren und sich herausstellt, dass sie ihre Natur in der Zukunft dramatisch verändern könnte, könnte dies zu einem Big Crunch führen, bei dem der Kosmos in sich zusammenbrechen würde. Das würde nicht zwangsläufig zu einem neuen Urknall führen, aber es gibt einige Sondermodelle, bei denen ein kollabierendes Universum wieder „aufprallen“ würde. (Sie sind eher spekulative Modelle als die ursprüngliche Big Crunch-Idee.) Es gab auch Hinweise darauf, dass nach einem Hitzetod ein neuer Urknall auftreten könnte. Und sogar darüber hinaus gibt es Multiversum-Modelle, in denen es Raumregionen weit jenseits der Grenzen unseres eigenen beobachtbaren Universums gibt, in denen die kosmische Evolution auf völlig andere Weise stattfinden könnte, mit Urknallen und kosmischen Enden auf unterschiedlichen Zeitlinien.
Viele Physiker untersuchen diese Ideen und suchen oft in den Ursprüngen unseres eigenen Kosmos nach Hinweisen auf die Möglichkeit, dass unser Universum nach dem Ende eines früheren Zyklus irgendeiner Art entstanden ist. Eine endgültige Antwort haben wir aber noch nicht.
Welches Teilchen im Standardmodell ist mit der Schwerkraft verbunden?
Dr. Mack: Das Standardmodell der Teilchenphysik enthält kein Teilchen, das mit der Schwerkraft assoziiert ist, weshalb wir wissen, dass es unvollständig ist! Unser bestes Verständnis der Schwerkraft stammt aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Diese Theorie legt nahe, dass die Schwerkraft keine „Kraft“ im gleichen Sinne wie die anderen Kräfte ist, sondern tatsächlich eine Folge der Raumkrümmung selbst ist. Es ist eine schöne Theorie, aber sie passt nicht so einfach in unseren Rahmen mit den anderen Naturkräften wie dem Elektromagnetismus und den Kernkräften des Standardmodells. Diese basieren alle auf der Quantenmechanik (oder genauer gesagt der Quantenfeldtheorie) und beinhalten Teilchen, sogenannte Eichbosonen, die als Kraftträger der fundamentalen Kräfte fungieren. Das Streben, Gravitation und Quantenmechanik zusammenzubringen, war eines der wichtigsten Projekte der theoretischen Physik der letzten hundert Jahre. Die Stringtheorie ist einer der führenden Anwärter auf den Preis der ultimativen Theorie, die Gravitation und Quantenmechanik vereinen würde, aber sie ist weder vollständig akzeptiert noch experimentell verifiziert (und wird es vielleicht nie sein). In jedem Fall enthalten Theorien der Quantengravitation im Allgemeinen ein hypothetisches Teilchen, das die Schwerkraft trägt, ein Graviton genannt. Das Graviton wurde nicht entdeckt, aber wir haben Beobachtungen, die uns etwas darüber sagen können, falls es tatsächlich existiert. Wir wissen zum Beispiel, dass Gravitonen, wenn sie existieren, masselos sein müssen, weil sich die Auswirkungen der Schwerkraft mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, und daher muss auch alles, was Schwerkraft trägt, dies tun, und nur masselose Teilchen können dies tun. Aber wie genau dieses hypothetische Graviton in eine größere, vollständigere Theorie als das Standardmodell passen würde, muss noch bestimmt werden.
Wenn ich weit entfernt von uns auf einem der Sterne stehen würde, würde das Universum genauso aussehen oder würde es so aussehen, als wäre der Rand von einer Seite näher bei uns?
Dr. Mack: Soweit wir das beurteilen können, hat das Universum keinen Rand. Es gibt eine Grenze, wie weit wir in das Universum sehen können, und die wird dadurch bestimmt, wie lange es den Kosmos schon gibt. Im Wesentlichen, wenn da draußen Dinge so weit entfernt sind, dass das Licht von diesen Dingen länger als das Alter des Universums (13,8 Milliarden Jahre) brauchen würde, um uns zu erreichen, ist es jenseits des Randes unseres beobachtbaren Universums. Wir leben also in einer Art Blase in einem viel größeren Raum, wobei diese Blase durch die Entfernung definiert ist, über die wir nicht einmal im Prinzip hinaussehen können. Wir sehen keinen Hinweis auf einen realen, physischen Rand oder eine dramatische Veränderung des Weltraums an verschiedenen Orten – es ist nur eine Frage der Perspektive, wie der Horizont, wenn Sie auf der Erde stehen. Wo immer Sie gerade stehen, der Horizont definiert einen Kreis um Sie herum, über den Sie nicht hinaussehen können. Dieser Kreis hängt von Ihrer Perspektive ab, wo Sie sich befinden, und wird durch die Erdkrümmung bestimmt, aber wenn Sie ein paar Meilen entfernt reisen, würde der Horizont einen anderen Kreis zeichnen. Es ist die gleiche Idee im Kosmos. Eine Galaxie, die 10 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt ist, ist keinem Rand näher. Es hat seine eigene beobachtbare Universumsblase, die auf sich selbst zentriert ist, und es kann Teile des Kosmos sehen, die wir nicht sehen können. Soweit wir das beurteilen können, ist das Universum in breiten Pinselstrichen überall, wo wir hinschauen, ziemlich gleich. Was jemand von dieser fernen Galaxie um sich herum sehen würde (in Bezug auf die Verteilung von Galaxien, die allgemeine Struktur der Materie im Universum usw.), würde also wahrscheinlich sehr ähnlich aussehen wie das, was wir von hier aus sehen.
Wenn etwas vor einem Stern vorbeizieht, wie können Sie feststellen, ob es sich um ein winziges Ding handelt, das weit vorne ist, oder um ein RIESIGES DING, das super nah am Stern ist?
Dr. Hermes: Da Sterne so weit entfernt sind, können wir ihre Oberflächen fast nie wirklich auflösen, sodass alle Sterne auf unseren Detektoren dieselbe Fläche abdecken! Es spielt also keine Rolle, ob ein Planet sehr nah am Stern oder weit entfernt vor dem Stern vorbeizieht, die Fläche des Planeten blockiert immer die gleiche Fläche wie der Wirtsstern und verursacht die gleiche Tiefe des Transits eines Planeten . Das macht die Sache etwas einfacher.
Aber Ihre Frage kommt zu einer Komplikation, die wir haben: Woher wissen wir, ob es sich um einen kleinen Planeten handelt, der vor einem kleinen Stern vorbeizieht, oder ob ein großer Planet einen Schatten über einen großen Stern wirft? Das ist fast immer ein Problem in der Astronomie: Ist etwas klein und nah oder groß und weit weg? Wenn wir nicht die Größe (Radius) des Wirtssterns bestimmen können, können wir nicht unterscheiden, ob ein kleines Ding vor einem kleinen Stern vorbeizieht oder ein großes Ding vor einem großen Stern! Glücklicherweise haben wir ziemlich zuverlässige Möglichkeiten, den Radius eines Sterns zu bestimmen, entweder indem wir seine Entfernung bestimmen und daraus den Radius abschätzen, der für die Übereinstimmung mit seiner beobachteten Helligkeit erforderlich ist, oder in einigen Spezialfällen Sternbeben verwenden, um unsere Schätzung des Radius des Wirtssterns zu verbessern. Wir können den Radius eines Sterns und damit seines Exoplaneten typischerweise mit einer Unsicherheit von wenigen Prozent messen.
Es gibt eine ganze Reihe heißer Jupiter. Was würde ihr Schicksal in der Roten-Riesen-Phase sein?
Dr. Hermes: Heiße Jupiter gehörten zu den ersten gefundenen Planeten, da es sich um Riesenplaneten handelt, die sehr nahe am Mutterstern kreisen, viele Male näher als Merkur in unserem Sonnensystem. Mit ziemlicher Sicherheit wird keiner der heißen Jupiter, die wir derzeit kennen, überleben, wenn sich ihr Wirtsstern zu einem Riesenstern entwickelt. Tatsächlich gibt es mehrere Forscher da draußen, die versuchen, Riesenplaneten um Riesensterne herum zu finden, und letzten Monat haben sie eine Reihe von Planeten angekündigt, die dazu bestimmt sind, sehr bald von ihrem Wirtsstern verschlungen zu werden:
https://keckobservatory.org/doomed-planets .
