Astrophysik
Das frühe Universum - ganz schön flott

Peter Wüst

Man sagt, die Lichtgeschwindigkeit sei die größte aller Geschwindigkeiten! Stimmt – aber nur dort, wo die Expansion des Universums keine Rolle spielt. Alle bedeutenden Kosmologiemodelle sagen für Galaxien mit einer Rotverschiebung z größer als ungefähr 1,5 aus, dass deren Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit überschreitet [1].

Die größte aller gemessenen Rotverschiebungen (z ~ 1100) ist die des kosmischen Mikrowellenhintergrundes, entstanden 380 000 Jahre nach dem ANFANG (Urknall). Dies bedeutet, dass die Expansionsgeschwindigkeit zum damaligen Zeitpunkt noch wesentlich größer als die Lichtgeschwindigkeit gewesen sein muss.

Doch zuerst ein Exkurs zum Thema Entfernungen: Wir sehen heute, d.h. 13,7 Giga-(Milliarden) Jahre nach dem Urknall, eine Galaxie in einer Entfernung dort, wo sie zum Zeitpunkt der Emission des Lichtes war. Da die Entfernungen groß sind und die Lichtgeschwindigkeit endlich, dauert es seine Zeit, bis das Licht bei uns ankommt. In der Zwischenzeit bewegte sich die Galaxie auf Grund der Expansion des Raumes weiter von uns weg. Ihre Entfernung heute ist also wesentlich größer als zum Zeitpunkt der Emission des Lichtes.

Für die Entfernung einer Galaxie gibt es deshalb immer zwei Angaben: Die Entfernung zum Zeitpunkt der Emission und die Entfernung heute. Die Galaxie, die wir heute sehen, sehen wir so, wie sie zum Zeitpunkt der Emission war. Die Galaxie, so wie sie und wo sie heute ist, können wir nicht sehen. Es erreicht uns heute kein Licht von dort. Für geringe Rotverschiebungen sind diese beiden Entfernungen etwa gleich, für große Rotverschiebungen nicht.

Beispiel stationäres Universum

Die Entfernung von Galaxien und die Ausbreitung von Licht im Universum sollen zuerst der Einfachheit halber am Beispiel eines stationären Universums erläutert werden (Abbildung 1). Am besten eignet sich hierfür die Darstellung in einem Raum-Zeit- oder auch Weg-Zeit-Diagramm so, wie man es einmal in der Schule gelernt hat. Dort hatte man sich allerdings daran gewöhnt, den Weg nach oben und die Zeit nach rechts anzuordnen. Die Kosmologen mögen es umgekehrt.

Auf der horizontalen Achse ist die Entfernung in Giga-Lichtjahren, auf der vertikalen Achse die Zeit in Giga-Jahren aufgetragen, beginnend beim Urknall vor 13,7 Giga-Jahren. Beispielhaft ist die Weltlinie einer Galaxie eingezeichnet, die wir heute in einer (Emissions-) Entfernung von 10,7 Giga-Lichtjahren und zum (Emissions-) Zeitpunkt von 3 Giga-Jahren sehen. Da es sich bei dem betrachteten Beispiel um ein stationäres Universum handelt, bleibt die Entfernung der Galaxie konstant.

Die rote Linie, der sogenannte (Vergangenheits-) Lichtkegel, ist die Weltlinie des von unserer Beispielgalaxie in unsere Richtung ausgesandten Lichts, welches uns heute erreicht. Die Steigung einer Linie in einem Weg-Zeit-Diagramm ist ein Maß für die Geschwindigkeit. Licht bewegt sich mit einem Lichtjahr pro Jahr. Kein Wunder also, dass die Steigung des Lichtkegels den Wert eins besitzt bzw. dessen Neigung einen Winkel von 45° aufweist.

Aber wir sehen heute nicht nur unsere Beispielgalaxie: Wir sehen heute alle Galaxien, die Licht in unsere Richtung aussenden, bei denen Emissionsentfernung und Emissionszeitpunkt des ausgesandten Lichtes auf dem Lichtkegel liegen.