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Wissenschaftler haben bestätigt, dass die Zeit nur 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall fünfmal langsamer verlief als heute, 13,8 Milliarden Jahre später. Obwohl Wissenschaftlern seit langem bekannt ist, dass sich die Bedingungen unmittelbar nach dem Urknall radikal von denen im Kosmos unterschieden, den wir heute um uns herum sehen, zeigt die Entdeckung, dass die Zeit auch im Hinblick auf das Alter des Universums relativ ist, genau wie Einstein vorhergesagt hat.
Der Durchbruch ist detailliert beschrieben in ein neues Papier veröffentlicht in Naturastronomie Verfasst von Geraint Lewis, einem Astrophysiker am Sydney Institute for Astronomy der University of Sydney, und Brendon Brewer vom Department of Statistics der University of Auckland, der die lang erwartete Beobachtung der kosmologischen Zeitdilatation im frühen Universum machte.
„Was wir im Wesentlichen beobachtet haben, ist, dass wir das ferne Universum in Zeitlupe ablaufen sehen, wenn wir es betrachten. Es ist, als würde man einen Film ansehen, der verlangsamt wurde; „Was auch immer da draußen vor sich geht, es läuft langsamer“, erklärte Lewis. „Je weiter wir zurückblicken, desto langsamer scheinen die Dinge zu geschehen. Im Kern heißt es: „Einstein hat recht …“ wieder’ Art Forschung.“
Das Ticken von Quasaruhren beweist, dass Zeit relativ ist
Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie von 1915 macht die erstaunliche Vorhersage, dass nicht nur der Raum im frühen Universum radikal anders sein würde, sondern dass die Zeit selbst im jungen Kosmos, der wesentlich heißer und dichter war als das Universum, das wir heute sehen, anders verlaufen würde. Als sich das Universum entwickelte, der Raum sich ausdehnte und die Materie abkühlte und weniger dicht wurde, hätte die Zeit schneller vergehen müssen.
Dies liegt daran, dass die allgemeine Relativitätstheorie, auch als geometrische Gravitationstheorie bekannt, auf der Tatsache beruht, dass die drei Dimensionen des Raums und die eine Dimension der Zeit als eine einheitliche 4D-Einheit namens „Raumzeit“ existieren.
Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass ein Objekt mit Masse, wenn es in der Raumzeit platziert wird, sein Gewebe selbst verformt und eine „Delle“ in dieser 4D-Oberfläche erzeugt – für den Weltraum, die in zwei Dimensionen als gedehnte Gummiplatte mit Kugeln zunehmender Masse visualisiert werden kann darauf gelegt. Eine auf dem Blatt liegende Murmel erzeugt eine stärkere „Delle“ als eine Erbse, eine Bowlingkugel erzeugt mehr Verformungen als eine Murmel und eine Kanonenkugel erzeugt die extremste Verformung von allen.
Das Gleiche gilt für kosmische Objekte und ihre Wirkung auf den Raum. Daher erzeugen Sterne eine stärkere Verzerrung als Planeten, und Schwarze Löcher erzeugen eine größere „Delle“ im Weltraum als Sterne (oder wahrscheinlich alles andere). Obwohl das an sich schon ein überwältigendes Konzept ist, da Raum und Zeit in der Allgemeinen Relativitätstheorie vereint sind, erstreckt sich dieser verzerrende Effekt auch auf die Zeit. Das bedeutet, dass die Zeit in der Nähe eines Objekts mit großer Masse langsamer verläuft.
Dieser als Zeitdilatation bezeichnete Effekt wurde auf der Erde viele Male bestätigt. Beispielsweise würde die GPS-Technologie (Global Positioning System), auf die wir für die Navigation angewiesen sind, nicht funktionieren, wenn die von ihnen verwendeten Satelliten keine Uhren hätten, die der Tatsache Rechnung tragen, dass die Zeit auf der Erdoberfläche langsamer vergeht als auf der Erdoberfläche Position im Orbit. Der Zeitunterschied ist gering, würde sich jedoch schnell summieren und GPS schließlich unbrauchbar machen.
Zeitdilatation sollte im frühen Universum vorhanden sein, als der Kosmos in einem viel dichteren Zustand existierte. Wissenschaftler haben nach dieser kosmologischen Zeitdilatation im Licht von Quasaren gesucht, den aktiven Herzen von Galaxien, die durch die Versorgung supermassereicher Schwarzer Löcher angetrieben werden. Im frühen Universum war sie jedoch schwer zu finden, was Forscher zu der Frage veranlasste, ob dem Gravitationsrezept der Allgemeinen Relativitätstheorie möglicherweise eine Zutat fehlt oder wenn Astrophysiker nicht genau wissen, was Quasare eigentlich sind – bis jetzt.
Lewis betont, dass das Wichtige an dieser Beobachtung darin besteht, dass die von Einstein vorhergesagte Zeitdilatation ein grundlegender Aspekt des Universums ist und genauso funktioniert, wie der große Physiker es vorhergesagt hat.
„Es ist die Ausdehnung des Raums selbst, die die Raumzeit zwischen damals und heute verändert. Und das ist der Schlüssel zu dieser Zeitdilatation“, erklärte Lewis. „Diese Verlangsamung der Zeit kümmert sich nicht um Dinge wie dunkle Energie, dunkle Materie oder irgendetwas anderes im Universum. Es ist eine Eigenschaft der Raumzeit selbst.“
Quasare spielen endlich mit…
Um endlich die kosmologische Zeitdilatation aufzudecken, durchsuchten Lewis und Brewer Daten, die über zwei Jahrzehnte vom Sloan Digital Sky Survey gesammelt wurden, was ihnen die detaillierte Untersuchung von fast 200 Quasaren ermöglichte.
Früher haben Forscher explodierende Sterne in Form von Supernovas verwendet, um die Zeitdilatation bis in die Hälfte des Universumsalters zu untersuchen, aber Quasare sind nützlicher, um weiter in die Vergangenheit zu reisen. Dies liegt daran, dass sich das Licht von Quasaren im Gegensatz zu den einzelnen Lichtblitzen von Supernovas im Laufe der Zeit entwickelt. Das Problem sei bislang, erklärte Lewis, dass Quasare sich einfach geweigert hätten, mit Wissenschaftlern zusammenzuarbeiten.
„Da war also ein Geheimnis; Warum spielten Quasare nicht mit? Warum haben sie sich nicht an die Regeln des Universums gehalten?“ er sagte. Während viele Wissenschaftler glaubten, dass dies auf einen Mangel an Daten zurückzuführen sei, bestand die Möglichkeit, dass Quasare tatsächlich nähere und weniger helle Objekte seien, was die Astronomen zu der Annahme verleitet hatte, sie seien weiter entfernt.
„Das war meine Motivation, auf diesen Datensatz zurückzukommen. Ich dachte, dass die Daten des Sloan Digital Sky Survey derzeit wahrscheinlich der beste Datensatz sind, der verfügbar ist, weil sie über Daten aus 20 Jahren verfügen und es Regionen mit wirklich sehr guten Quasar-Proben gibt“, sagte Lewis. „Und in der Zwischenzeit, in den letzten zehn Jahren, haben die Menschen die statistische Natur der Lichtkurven von Quasaren wirklich in den Griff bekommen.“
Lewis erklärte, dass das Aufhellen und Verblassen des Quasarlichts, bekannt als ihre Variabilität, wie die Stockmark sei, an der Oberfläche unvorhersehbar, aber mit statistischen Eigenschaften, die eine Modellierung über die Zeit ermöglichen. Diese Variabilität kann wie das Ticken einer kosmischen Uhr genutzt werden. Dieses Verständnis und das komplexe Quasar-Feuerwerk von 190 dieser speisenden supermassereichen Schwarzen Löcher ermöglichten es dem Team, die Zeitdilatation zu erkennen, als das Universum gerade einmal 1,5 Milliarden Jahre alt war, also weniger als 10 % seines heutigen Alters.
Wie würde ein Zeitreisender Erleben Sie Zeitdilatation?
Die kosmologische Zeitdilatation lässt sich deutlich erkennen, wenn man mit leistungsstarken Teleskopen in die Zeit zurückblickt und dabei Licht nutzt, das seit etwa 12,3 Milliarden Jahren von alten Quasaren zu uns gelangt. Aber wie würde ein Mensch, der in die kosmische Epoche zurückreisen könnte, den Verlauf der Zeit erleben?
„Wir haben von Einstein das ganze Bild, dass alle Uhren eigentlich relativ sind, aber wenn ich Sie tatsächlich 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall zurückversetzen könnte, würde die Zeit völlig normal erscheinen“, sagte Lewis. „Eine Sekunde würde sich anfühlen, als würde sich in einer Sekunde alles um einen herum mit der Geschwindigkeit bewegen, die die Physik vorhersagt.“
In diesem Zeitreiseexperiment wäre es nur möglich, den Effekt der Zeitdilatation zu erkennen, wenn zwei synchronisierte Uhren, eine, die mit dem Zeitreisenden in die frühe Epoche des Universums reist, und eine, die in unserer Zeit bleibt, wieder zusammengebracht werden.
Glücklicherweise macht die Möglichkeit, mithilfe entfernter Quasare in die Vergangenheit zu blicken, ein solch wahrscheinlich unmögliches Zeitreiseexperiment überflüssig. Es kann jedoch eine Weile dauern, bis Wissenschaftler noch früher in der kosmischen Geschichte nach einer kosmologischen Zeitdilatation suchen können. Denn für Untersuchungen wie die von Lewis und Brewer müssen viele Quasare jahrzehntelang beobachtet werden, um eine Lichtkurve zu entwickeln.
„Wir befinden uns hier in der Astronomie tatsächlich in einer Art Übergang“, sagte er. „Wir werden in den nächsten Jahren all diese neuen Einrichtungen in Betrieb nehmen, und das James-Webb-Weltraumteleskop beginnt, Quasare und Galaxien in lächerlich großen Entfernungen zu finden, aber wir brauchen auch die Lichtkurven und wir müssen wissen, wie sich die Dinge im Laufe der Zeit ändern.“ Zeit, und das dauert Jahrzehnte.“
Während Lewis zum Ausdruck brachte, dass er als Kosmologe gerne neue und überraschende Elemente des Universums entdeckt, sagte er in diesem Fall, dass er froh sei, nicht überrascht zu werden.
„Wir wollen zu unserer nächsten Generation von Theorien gelangen, daher ist es eine Erleichterung, dass wir nicht zurückgehen und die Kosmologie und Relativitätstheorie und alles andere, was mit der Schwerkraft zusammenhängt, aus einem Jahrhundert neu schreiben müssen“, schloss er.
Referenz: GF Lewis., BJ Brewer., Nachweis der kosmologischen Zeitdilatation von Quasaren mit hoher RotverschiebungNature Astronomy, 2023, DOI: 10.1038/s41550–023–02029–2
Bildnachweis des Beitrags: Daniele Levis Pelusi auf Unsplash
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