Gibt es außer der Rotverschiebung noch andere Beweise für das expandierende Universum?

Die Theorie des expandierenden Universums ist so weit verbreitet, dass die Rotverschiebung manchmal als Maß für die Entfernung zu weit entfernten Galaxien verwendet wird.

Aber ist es immer noch möglich, dass die Rotverschiebung durch unbekannte Phänomene verursacht wird und nicht durch Galaxien, die sich voneinander entfernen?

Gibt es einen anderen Beweis (abgesehen von der Rotverschiebung), dass sich das Universum tatsächlich ausdehnt und sich weit entfernte Galaxien von uns entfernen?

Ja, es gibt direkte, nicht rotverschobene Anzeichen für eine Expansion.

Die vergangene Temperatur der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMBR) wurde direkt gemessen und als wesentlich höher befunden als heute. Die zeitliche Temperatursenkung ist ein direkter Beweis für die Expansion. Hier sind die Details:

Nach dieser Arbeit war die CMBR meßbar heißer in der Vergangenheit ( weniger technische Zusammenfassung hier ). Die Forscher beobachteten Absorptionslinien in einer Gaswolke in einer entfernten Galaxie und stellten fest, dass das Muster der Linien nur erklärt werden konnte, wenn die CMBR-Temperatur zum Zeitpunkt der Absorption zwischen 6 K und 14 K lag (jetzt sind es 3 K). Diese Temperatur stimmt mit der erwarteten Temperatur für die Rotverschiebung dieser Galaxie (9 K) überein. Beachten Sie, dass die Temperatur anhand des spezifischen Linienmusters gemessen wurde und nicht anhand der Rotverschiebung der Linien. Diese Messung würde die gleiche Temperatur ergeben, selbst wenn es keine Rotverschiebung gäbe. Da eine heißere Temperatur eine höhere Dichte impliziert, ist diese Abkühlung des CMBR über die Zeit ein direkter Beweis für die Expansion des Universums.

Zusätzliche Kommentare

• Welche Beziehung besteht zwischen Rotverschiebungs- und Absorptionslinien?

  Inspiriert von einem Gespräch mit uhoh in den Kommentaren:

  In meiner Antwort beziehe ich mich auf ein "Muster" von "Absorptionslinien". Für diejenigen, die sich mit dem Thema nicht auskennen, erlauben Sie mir zu erklären.

  Wenn ein Licht durch eine Gaswolke scheint, werden bestimmte Lichtfrequenzen absorbiert. Wenn dieses Licht dann durch ein Prisma scheint, erscheinen die blockierten Frequenzen als schwarze Linien im Spektrum (siehe Abbildung unten). Die genauen Linien, die erscheinen, und ihre Positionen im Spektrum (das "Muster" der "Absorptionslinien") hängen von den im Gas vorhandenen Elementen und der Gasumgebung ab. Der Effekt ist am deutlichsten bei einem Licht zu sehen, das Photonen bei allen Frequenzen emittiert. Diese Art von Licht ist als Schwarzkörperstrahlung bekannt . Obwohl ein Schwarzkörperstrahler Licht bei allen Frequenzen emittiert, emittiert er das meiste Licht bei einer bestimmten Wellenlänge. Der Ort dieses Peaks wird als Schwarzkörpertemperatur bezeichnet.

  
  ^{Quelle: Doppler Shift , Edward L. Wright
  (Ausgezeichnete Seite Übrigens, die FAQ ist einen Blick wert, um weitere Informationen zu Rotverschiebungen und Kosmologie im Allgemeinen zu erhalten.)}

  Während sich Licht durch den (expandierenden) Raum bewegt, ist seine Wellenlänge und die Wellenlängen der Absorptionslinien dehnen sich für alle Frequenzen mit einer festen Rate aus. Angenommen, zum Zeitpunkt der Emission / Absorption zeigt ein Spektrum Linien bei Wellenlängen von 1, 3 und 5 nm ¹ . Nachdem sich die Photonen eine bestimmte Zeit lang bewegt haben, scheinen sich alle Wellenlängen des Spektrums verdoppelt zu haben ² . Die Linie, die früher bei 1 nm lag, ist jetzt bei 2 nm zu sehen, die Linie, die früher bei 3 nm lag, ist jetzt bei 6 nm zu sehen, und die Linie, die ursprünglich bei 5 nm lag, ist jetzt bei 10 nm zu sehen. Obwohl sich ihre absoluten Frequenzen im Laufe der Zeit ändern, bleibt das Verhältnis der Wellenlängen (und Frequenzen) der Linien zueinander konstant.

  Der genaue Betrag, um den das Spektrum eines bestimmten Objekts verschoben wird, korreliert direkt mit seiner Entfernung. Wie im obigen Diagramm zu sehen ist, zeigen nahe Objekte (wie die Sonne) keine Rotverschiebung. Wenn man Objekte immer weiter entfernt betrachtet, sieht man zunehmende Rotverschiebungen ³ .

  In der Diskussion in der obigen Antwort ist es dieses Muster der relativen Positionen in den Linien, das von der CMBR-Temperatur zum Zeitpunkt der Absorption beeinflusst wird und nicht der Grad, in dem die Linien verschoben wurden.

  ^{1 Technisch gesehen liegt dieser Punkt bei wobei die Größe der Verschiebung angibt, positiv für Rotverschiebungen (Wegbewegen) und negativ für Blauverschiebungen (Annäherung). Eine ausführlichere Diskussion dieses Themas (einschließlich der genauen Definition von ) finden Sie hier . $z=0$$z$$z$2 Der Punkt der Wellenlängenverdopplung (Frequenzhalbierung) liegt bei 3 Es ist zu beachten, dass sich Rotverschiebungen nicht auf genau bekannte Entfernungen beziehen, da die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt, ungewiss ist. Daher beziehen sich Astronomen und Kosmologen selten auf die Entfernungen zu entfernten Objekten in absoluten Zahlen, beispielsweise Lichtjahren oder Parsecz = 1 z
  $z=1$
  bevorzugt, lieber das Ausmaß der beobachteten Rotverschiebung zu verwenden (das oben erwähnte ).$z$}

  Der Mechanismus hinter der Rotverschiebung besteht nicht darin, dass sich die Photonen selbst ändern, sondern dass sich der Raum, durch den sich die elektromagnetischen Wellen bewegen, ausdehnt. (Photonen sind sowohl Teilchen als auch Wellen; nein, es ist nicht genau intuitiv.) Diese konstante Dehnung des Raums streckt die Wellenlänge des Lichts und führt sowohl zum Effekt der Rotverschiebung als auch zur Zunahme der Rotverschiebung eines bestimmten Photons im Laufe der Zeit.

  
  Douglas Hofstadter, CC A-SA 3.0
   

• In welcher Beziehung steht die Rotverschiebung zur CMBR?

  In den Kommentaren fragte Alchimista: "Ist CMBR nicht tatsächlich die Quintessenz der Rotverschiebung?"
  (Ich gehe davon aus, dass Sie die übliche und nicht kosmologische Bedeutung von "Quintessenz" verwenden.)

  Ja, die aktuelle CMBR-Temperatur (3 K) ist im Allgemeinen das Ergebnis von relativ energiereichen Photonen (3000 K), die etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall emittiert wurden und deren Wellenlängen sich im Laufe der Zeit durch die Expansion des Universums in Richtung ausgedehnt haben das rote (dh kühlere oder energiearme) Ende des Spektrums. Diese Erweiterung wurde von Hubble et al. aus der Beobachtung, dass kleinere und dunklere Galaxien (von der Erde aus gesehen) eine größere Verschiebung ihrer Spektren aufweisen. Je weiter der scheinbare Abstand ist, desto größer ist die beobachtete Verschiebung. Mit dieser scheinbaren entfernungskorrelierten Rotverschiebung können wir schließendass das Universum in der Vergangenheit kleiner und damit dichter mit einer höheren Temperatur für das CMBR war. Basierend auf den beobachteten Rotverschiebungen entfernter Galaxien können wir dann ableiten, aber nicht direkt messen, wie hoch die CMBR-Temperatur in jeder Entfernung war.

  Die Autoren des obigen Papiers haben eine direkte Messung der Temperatur des CMBR zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit durchgeführt. Die gemessene Temperatur ist höher als heute, was ein dichteres und damit kleineres Universum impliziert. Die Forscher fanden ferner heraus, dass die direkt gemessene Temperatur genau mit der aus der beobachteten Rotverschiebung der untersuchten Galaxie abgeleiteten übereinstimmt.

  Kurz gesagt, die Inferenzkette wird getauscht:

  • Begründung basierend auf
    Rotverschiebung : Zunehmende Rotverschiebungen mit scheinbarer Entfernung (direkt gemessen) ⇒ Expansion ⇒ dichteres Universum in der Vergangenheit ⇒ höhere CMBR-Temperatur in der Vergangenheit.
  • Für eine direkte Messung der vergangenen Temperatur (wie in diesem
    Artikel ): Höhere CMBR-Temperatur in der Vergangenheit (direkt gemessen) ⇒ dichteres Universum in der Vergangenheit ⇒ Expansion ⇒ beobachtete Rotverschiebung.
     

  Diese beiden Inferenzketten, die auf unterschiedlichen Beweisen basieren, ergänzen und unterstützen sich gegenseitig.

  Eine Sache zu beachten ist , dass der CMBR nicht wurde erstellt durch Expansion (zumindest nicht direkt) sondern es ist die Expansion, die ihre aktuelle Temperatur und Gleichförmigkeit erklärt. Nach der Urknalltheorie war das frühe Universum sehr dicht; so dicht und heiß, dass alle Materie ein Plasma aus subatomaren Teilchen war, das für Photonen undurchsichtig war. Etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall hatte sich das Universum (durch Expansion) so weit abgekühlt, dass sich Protonen und Elektronen zu neutralem Wasserstoffgas (das transparent ist) verbinden konnten. Das CMBR ist das Licht, das zu diesem Zeitpunkt freigesetzt wurde und seitdem abkühlt.

Aber ist es immer noch möglich, dass die Rotverschiebung durch unbekannte Phänomene verursacht wird und nicht durch Galaxien, die sich voneinander entfernen?

In der Geschichte wurden einige alternative Theorien vorgeschlagen, wie die Hypothese des müden Lichts , das Universum im stationären Zustand usw. Aber die Beobachtung schloss diese und andere Theorien aus .

Siehe auch Alternative Kosmologie

Es gibt keine anderen einigermaßen direkten Methoden, aber es gibt definitiv indirekte Methoden. Zum einen sind in der Antwort von @Alex Hajnal die weiter außen gemessenen höheren CMB-Temperaturen ein sehr schönes indirektes Maß.

Ein weiterer indirekter Beweis, den noch niemand bemerkt hat, ist, dass das Universum, wenn wir immer weiter nach außen schauen, immer jünger aussieht und immer weniger dem entspricht, was wir in unserer Nachbarschaft sehen. Sie sind ziemlich gezwungen, dies wissenschaftlich zu erklären, indem Sie sagen, dass das Universum vor etwa 10 Milliarden Jahren einen Anfang in der groben Größenordnung hatte und dass sich erst dann Sterne und Galaxien bildeten. (Dies ist kein spezifischer Beweis für einen Urknall, aber es eliminiert die meisten Alternativen dazu. Das Steady-State-Modell ist beispielsweise gefälscht.) Es ist sehr, sehr schwer zu erklären, was wir sehen, außer dass es sich um ein expandierendes Universum handelt aus einem heißen dichten Zustand ca. 10 vor ¹⁰ Jahren.

Weitere indirekte Beweise stammen aus der Allgemeinen Relativitätstheorie, einer Theorie von Raum, Zeit und Schwerkraft, die sehr gut verifiziert ist. Sie wurde seit einem Jahrhundert getestet und von unzähligen anderen Theorien in Frage gestellt, und nur GR hat alle experimentellen Tests bestanden. GR sagt robust voraus, dass ein statisches Universum unmöglich ist und sich entweder ausdehnen oder zusammenziehen muss. Dies ist ein indirekter Beweis aus meist lokalen Experimenten.

Noch indirektere Beweise stammen aus Nukelosyntheseberechnungen, die zeigen, dass die H / He / Li-Verhältnisse, die wir in den ältesten und am wenigsten entwickelten Sternen beobachten, genau das sind, was wir basierend auf der Anwendung der gemessenen Eigenschaften von Kernen auf einen Big Ban-Feuerball vorhersagen.

Es gibt so viel andere Wissenschaft als die Rotverschiebungen, die darauf hindeuten, dass sich das Universum von einem anfänglichen sehr heißen, dichten Zustand aus ausdehnt, dass wir selbst ohne die Beobachtung von Rotverschiebungen schließlich zu dieser Schlussfolgerung gezwungen wären.

Zusätzlich zu den Indizien, die durch die anderen Antworten geliefert werden, ist eine starke Bestätigung der Galaxien, die sich voneinander entfernen, durch die Tatsache gegeben, dass physikalische Prozesse - wie die Abnahmezeit für die Helligkeit von Supernovae - zunehmen, je weiter sie entfernt sind ist. Für eine Quelle mit einer Rotverschiebung von wird ein Betrag dieser Zeitdilatation von , genau in Übereinstimmung mit dem, was von der allgemeinen Relativitätstheorie in einem expandierenden Universum erwartet wird.$z$( 1 + z )$(1+z)$

Das heißt, eine mit einer Rotverschiebung von beobachtete Supernova benötigt doppelt so viel Zeit, um als lokale Supernova abzunehmen.$1$

Beachten Sie jedoch, dass dies keine Überprüfung des expandierenden Universums ist, sondern nur der Galaxien, die sich voneinander entfernen. Wenn das Universum statisch wäre, aber die Galaxien sich durch den Raum bewegen würden, würden Sie die Prozesse beobachten, die um denselben Faktor erweitert werden, wie dies durch die spezielle Relativitätstheorie vorhergesagt wird . Es gibt jedoch andere Hinweise darauf, dass sich die Galaxien nicht durch einen statischen Raum bewegen, sondern mehr oder weniger still in einem expandierenden Raum liegen.

Ja:

1. Verteilung von 1a Supernova-Daten
2. WMAP-Messungen des CMB
3. Sloan Galactic Sky Survey (Katalog der Galaxien)

Wichtig ist, dass diese Ergebnisse nicht nur dasselbe aussagen, sondern sich auch gegenseitig entsprechen .

OK, diese Antwort beinhaltet Rotverschiebungen, aber hör mir zu.

Unter der Allgemeinen Relativitätstheorie können mehrere Mechanismen Rotverschiebungen erzeugen: Raumausdehnung, Objekte, die sich relativ zu einem Beobachter (dh uns) bewegen, und Licht, das sich gut aus der Schwerkraft herausbewegt. Die letztere Option fällt nicht in den Geltungsbereich dieser Frage, und die erstere wird auf Antrag des Fragestellers von der Prüfung ausgeschlossen. Damit bleibt nur die zweite Option (Relativbewegung, auch bekannt als relativistischer Doppler-Effekt) in Betracht; Diese Verschiebung kann (und wurde) hier auf der Erde getestet werden und es wurde gezeigt, dass sie existiert.

Rotverschiebung wird bei allen scheinbar entfernten Objekten (schwach, geringe Metallizität usw.) beobachtet. Anhand der Rotverschiebung der Spektren in einem bestimmten Objekt können wir bestimmen, wie schnell es sich von uns entfernt. Zum Beispiel bewegt sich ein Objekt mit einer gemessenen Rotverschiebung von mit etwa der halben Lichtgeschwindigkeit von uns weg. So weit, ist es gut. Das Problem entsteht, wenn wir Objekte mit . Viele solcher Objekte wurden gefunden; Der aktuelle Rekordhalter ist GN-z11 mit einer Rotverschiebung von . Anders ausgedrückt, wenn nur relativistische Verschiebungen im Spiel wären, würde sich dieses Objekt mit mehr als der elffachen Lichtgeschwindigkeit von uns entfernen.$z=0.5$$z>1$z = 11,09$z=11.09$

Da kein Objekt mit Masse Lichtgeschwindigkeit erreichen kann, ist klar, dass die beobachteten Rotverschiebungen nicht durch relativistische Bewegung verursacht werden können. Da über die drei oben aufgeführten Mechanismen hinaus keine Mechanismen bekannt sind, die zu Rotverschiebungen in den Spektren führen können (vergleiche Extinktion ), ist die einzige Erklärung, die diesen Beobachtungen entspricht, die Erweiterung des Raums. Setzen Sie kurz und bündig, dass die Tatsache , superluminal Rotverschiebungen beobachtet werden überhaupt gibt Hinweise darauf , dass der Raum expandiert.