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Expandierendes Universum: Lichtwege in der Kosmologie. Raum-Zeit-Diagramme und Lichtbirne

Was sehen wir eigentlich von unserem Universum? Die endliche Lichtgeschwindigkeit und die Ausdehnung des Kosmos bewirken, dass wir zu jedem Zeitpunkt nur ausgewählte Lichtteilchen empfangen können. Wir überblicken insgesamt nur einen kleinen Ausschnitt des Universums, der eine eigenartige, zeitlich veränderliche Form hat. Welche Wege nimmt das Licht von kosmischen Objekten zu uns, und wie weit sind sie entfernt?
Galaxienzoo, Herkules, Welteninseln

An Weihnachten 2021 ist der Nachfolger des Weltraumteleskops Hubble, benannt nach James Webb, erfolgreich gestartet und hat im vergangenen Jahr die ersten Bilder an uns übermittelt. Schon jetzt ist klar, dass die neuen Messungen uns bei der Beantwortung einiger Fragen über unser Universum helfen können. Sie werden jedoch auch das ein oder andere Kopfkratzen hervorrufen. Zum einen, weil kosmologische Beobachtungen hin und wieder an sich für Verwirrung sorgen, zum anderen aber auch, weil sie unsere bisherigen Erkenntnisse tatsächlich in Frage stellen könnten: Noch nie zuvor war ein Teleskop in der Lage, kosmisch derart junge, aus heutiger Sicht alte, Galaxien zu beobachten. Aber warum alt? Müsste es nicht »weit entfernt« heißen? Tatsächlich geht in der Kosmologie beides eng miteinander einher. Warum und wie genau, werden wir etwas später besprechen.

Auf den Sensoren des James-Webb-Teleskops (JWST) kommen in jedem Moment unzählige Lichtteilchen (Photonen) an, deren Ursprungsrichtung wir über die Orientierung des Teleskops und die Position des entsprechend helleren Pixels in der Kamera feststellen können. Außerdem können wir über die Farbe der ankommenden Strahlung Auskunft erhalten, denn das JWST ist zusätzlich mit Instrumenten ausgestattet, die eintreffende Lichtstrahlen in ihre farblichen Bestandteile zerlegen können – in ein Spektrum.

Kennen Sie schon …

Spektrum - Die Woche – Von der Entropie zur Quantengravitation

Die Verbindung von Schwerkraft und Quanten ist ein zentrales Rätsel der Physik. Die Informationstheorie liefert Antworten – und vielleicht den Schlüssel zur Quantengravitation. Außerdem: Eine Revolution des Bauens? Carbonbeton benötigt im Vergleich zu Stahlbeton nur einen Bruchteil des Materials.

Sterne und Weltraum – Raumzeit: Experimente zur Quantennatur

Die Relativitätstheorie Albert Einsteins ist das Meisterwerk zur Beschreibung der Schwerkraft. Seit Jahrzehnten steht aber die Frage im Raum, ob die Gravitation auf submikroskopischen Längenskalen modifiziert werden muss. Gibt es quantenhafte Austauschteilchen, die Gravitonen? In unserem Titelbeitrag stellen wir Überlegungen vor, wie man experimentell eine Quantennatur der Raumzeit testen könnte. Im zweiten Teil unseres Artikels zur Urknalltheorie beleuchten wir alternative Ansätze zur Dunklen Energie: das Local-Void- und das Timescape-Modell. Außerdem: Teil zwei unserer Praxistipps für die Astrofotografie mit dem Smartphone – Mond und Planeten im Fokus, die Ordnung im Chaos des Dreikörperproblems und woher stammen erdnahe Asteroiden?

Spektrum der Wissenschaft – Eine Theorie von allem: Lassen sich Quantenphysik und Schwerkraft vereinen?

Lassen sich Quantenphysik und Schwerkraft vereinen? In der aktuellen Ausgabe der PMT haben wir Beiträge für Sie zusammengestellt, in denen Forscherinnen und Forscher über die Ergebnisse ihrer Suche nach einer fundamentalen Theorie unserer Welt berichten. Entstanden ist eine erkenntnisreiche Sammlung an Beiträgen über die Quantennatur der Raumzeit, denkbaren Experimenten zum Nachweis von Gravitonen, Schwarzen Löchern, der Theorie der Quantengravitation, teleparalleler Gravitation und vielem mehr. Lesen Sie, welche Fortschritte es in den letzten Jahren gab, die Gesetze der Quantenwelt mit den geometrischen Konzepten von Raum und Zeit zu vereinigen, und welche Hürden dabei noch zu überwinden sind.

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