Kosmologische Rotverschiebung und Entfernung

Mit der Expansion des Universums wird Licht von entfernten Quellen zu längeren Wellenlängen gedehnt, die kosmologische Rotverschiebung, und der Begriff der Entfernung selbst spaltet sich in mehrere unterschiedliche, expansionsabhängige Maße auf.

Definition

Die kosmologische Rotverschiebung ist die Zunahme der Wellenlänge des Lichts um den Faktor, um den der Skalenfaktor während seiner Reise gewachsen ist, und kosmologische Entfernungen sind beobachter- und methodenabhängige Größen (mitbewegte, Leuchtkraft-, Winkeldurchmesser-Entfernung), die sich nur im nahen, niedrig-rotverschobenen Bereich auf eine einzige euklidische Entfernung reduzieren.

Scope

Dieses Thema behandelt die kosmologische Rotverschiebung als Dehnung der Wellenlängen durch das Wachstum des Skalenfaktors, ihre Unterscheidung von der Doppler- und Gravitationsrotverschiebung sowie die Familie der Entfernungsmaße – mitbewegte, eigentliche, Leuchtkraft- und Winkeldurchmesser-Entfernung –, die in einer expandierenden Raumzeit entstehen, zusammen mit der Art und Weise, wie jede mit der Rotverschiebung und der Expansionsgeschichte zusammenhängt.

Core questions

• Warum ist die kosmologische Rotverschiebung nicht einfach eine Doppler-Verschiebung?
• Wie hängt die Rotverschiebung mit der Expansionsgeschichte des Universums zusammen?
• Warum gibt es in der Kosmologie mehrere verschiedene Definitionen von Entfernung?

Key concepts

• Kosmologische Rotverschiebung
• Skalenfaktor bei Emission
• Mitbewegte Entfernung
• Leuchtkraftentfernung
• Winkeldurchmesser-Entfernung
• Standardkerzen und Standardlineale

Key theories

Rotverschiebung durch Skalenfaktorwachstum

Die beobachtete Wellenlänge des Lichts wird proportional dazu gedehnt, wie stark der Skalenfaktor seit der Emission gewachsen ist, sodass die Rotverschiebung direkt die relative Expansion des Universums zwischen Emission und Beobachtung misst und nicht eine lokale Geschwindigkeit.

Mehrere Entfernungsmaße

In einem expandierenden Universum unterscheiden sich die Leuchtkraftentfernung (aus beobachteter Helligkeit) und die Winkeldurchmesser-Entfernung (aus beobachteter Größe) voneinander und von der mitbewegten Entfernung, die alle durch Rotverschiebung und die Expansionsgeschichte miteinander verbunden sind, sodass die abgeleitete Entfernung davon abhängt, was gemessen wird.

Clinical relevance

Diese Beziehungen verwandeln Beobachtungen in Kosmologie: Die Messung der Helligkeit von Standardkerzen-Supernovae im Verhältnis zu ihrer Rotverschiebung offenbart die beschleunigte Expansion, und Winkeldurchmesser-Entfernungen zum kosmischen Mikrowellenhintergrund und zu Galaxienhaufen-Merkmalen schränken die Geometrie und den Inhalt des Universums ein.

History

Slipher maß in den 1910er Jahren die ersten Galaxienrotverschiebungen, und Hubble kombinierte 1929 Rotverschiebungen mit Entfernungsschätzungen, um die lineare Rotverschiebung-Entfernungs-Beziehung aufzudecken; das Verständnis dieser Verschiebungen als kosmologische Expansion und nicht als gewöhnliche Bewegung ergab sich aus der Friedmann-Lemaître-Interpretation der allgemeinen Relativitätstheorie.

Key figures

• Edwin Hubble
• Georges Lemaitre
• Vesto Slipher

Seminal works

• weinberg2008
• hogg1999

Frequently asked questions

Sind Galaxien rotverschoben, weil sie sich von uns wegbewegen?

Auf kosmologischen Skalen entsteht die Rotverschiebung durch die Expansion des Raumes, die das Licht auf seinem Weg dehnt, nicht durch Bewegung durch den Raum; in der Nähe kann sie als Rezessionsgeschwindigkeit angenähert werden, aber bei hoher Rotverschiebung ist die Expansionsinterpretation wesentlich, und Rezessions-'Geschwindigkeiten' können sogar c überschreiten, ohne die Relativitätstheorie zu verletzen.

Warum kann ein weiter entferntes Objekt in einigen Fällen größer erscheinen?

Da die Winkeldurchmesser-Entfernung in einem expandierenden Universum ein Maximum erreicht und dann bei hoher Rotverschiebung abnimmt, können sehr weit entfernte Objekte einen größeren Winkel einnehmen als etwas nähere, ein kontraintuitiver Effekt, der in der alltäglichen euklidischen Geometrie nicht vorhanden ist.