Brian P. Schmidt (2015) - The State of the Universe

Our Universe was created in 'The Big Bang' and has been expanding ever since. I will describe the vital statistics of the Universe, including its size, weight, shape, age, and composition. I will also try to make sense of the Universe's past, present, and future - and describe what we know and what we do not yet know about the Cosmos.

Welcome everyone. As we all rearrange ourselves. Today we're going to talk, in this talk, about the state of the Universe. Now, you've had the benefit of several talks of cosmology. I'm going to try to tie it all together. So, in 2015, what is the state of the Universe? Well, the Universe is expanding. The Universe is 13.8 billion years old. The Universe is close to being geometrically flat. And the Universe is composed of a mixture of things, including dark energy, dark matter, atoms, neutrinos, photons, and a few other things of lesser amounts. Now those are words, and I want to explain why we know and think that we understand the state of the Universe so well. So let's first start with the expanding Universe. Now Saul Perlmutter talked about this, but in case people missed that, I figure it's good to review just a little bit. So the expanding Universe goes back a long time. At least to 1929, when Edwin Hubble went out and looked at galaxies, we didn't really know what galaxies were, except for collections of stars, until about this time. And he looked at how bright the stars appeared in those galaxies. And he noticed that the galaxies, some had brighter stars, some had fainter stars. And he attributed that brightness to their distance, of course, the further away an object is, the fainter it's going to appear. Another person, Vesto Slipher, most of you will not have heard of, but he's a great astronomer, and his family gave me a scholarship, it turns out, so that was one of the reasons he's great, for me. Is that Vesto realized that he could go through and see an effect, the Doppler Shift. He thought it was the Doppler Shift, we now call it Red Shift. That galaxies' light was stretched. And some more, some less, but almost all of them had this effect. And if you plotted the amount of stretching of light, which is equivalent to their velocity, or apparent velocity, away from us, you get this plot that Hubble made where you have a trend. And what I love about this plot, is this is the plot that makes us realize the Universe is expanding. And that's not beautiful-looking data. It's data that a biologist might be proud of. But physicists, maybe not so much. Yet it tells you the further away an object is, the faster its apparent motion. So, from that, we learned that the Universe was expanding. Why? Well let's think what it means to be the further, the faster the motion. I have a toy Universe here, which I'm going to expand, alright? So if I take the Universe, and I make it a bit bigger, in between before and after, and then I overlay those two things, what do you see? You see that for nearby objects, their motion has been small, they would have a low velocity. Distant objects, well, they will have moved a lot in that same amount of time. They'll have an apparent high velocity. And it doesn't matter where you are in the Universe, everyone sees the same thing. In a Universe that's expanding, the further away something is, the faster the apparent motion. Now it turns out, this was all predicted, sort of, by theory. Theory from none other than Albert Einstein. Now before we get to that, let's think what it means to be expanding. If I'm expanding, well, you're getting bigger and bigger apart. But I can run the experiment in reverse. What do I get? I get things getting closer and closer and closer, until everything in the Universe is on top of everything else. That's the thing we nominally call the Big Bang. So if you measure how fast the Universe is expanding, that's giving you an idea of how old the Universe is. And this was such an interesting thing to do that I decided to do it for my PhD thesis. And from a graph you can think of it this way. Right now, you look at galaxies, and they have some separation. I run the Universe back in reverse, based on how fast it's expanding. And I can simply read off, when the two objects are on top of each other, to the age of the Universe. And so, here I am, at the end of my PhD thesis, three years, eleven months and four days, but I wasn't counting. Showing my PhD supervisor Bob Kirschner the answer I got. So the answer I got was that the Universe was roughly 14 billion years old. Now I'd like to say that I get credit for measuring the age of the Universe. The answer is, I didn't convince that many people with my thesis. But I did get the correct answer, which is important. Actually it's not that important, but that's OK. OK, so the theory that ties this all together comes from Einstein. Einstein had this revelation in 1907, which was that acceleration due to moving faster and acceleration to gravity, in his mind, must always be essentially the same, they always were equivalent. Kind of a small thought, that took him eight years to sort out. He had to learn a lot of mathematics, which I can still challenging this day, but essentially the idea is, imagine you're in a box, or in a room. Are you being accelerated by 9.8 meters per second by Earth's gravity? Or are you actually in a rocket ship, being accelerated by 9.8 meters per second. There's no way to tell the difference under his assumption. And that assumption has never been shown to be wrong. So astronomers are the ones who actually vindicated Einstein's theory of gravity. How? Well, by looking at eclipses, and this is the real from 1919. It's terrible, it's out of focus, but it was good enough to show that stars next to the Sun were displaced due to the gravity of the Sun and the way that the Sun curved space. Because Einstein, to solve this seemingly small problem, had to say that space was curved by mass. And that was a huge leap forward. Many people were, of course, sceptical. Others weren't. But it's been vindicated, and that basic idea has never been shown to be false. We know it doesn't work with quantum mechanics, so there is at least something that's probably not right somewhere. Alright, so Einstein actually became a household name due to, not special relativity, but to general relativity. He was all over the front pages of the newspapers. And so it was really an idea that came out of pure thought. And that is very, very rare within science. Normally you have an idea, there's a problem, you need to solve it. There was no problem at this point that Einstein was thinking about, he just said, this must be the way world was. So, in the coming years, de Sitter and Einstein first tried to figure out what this meant for cosmology. Newton could not solve cosmology, that is, how the Universe behaves, with his equations of gravity. The only way they made sense is if the Universe had nothing in it. So de Sitter and Einstein tried, and then Alexander Friedmann in St. Petersburg came along and said, let's assume the Universe is the same everywhere. Homogeneous. And isotropic, it doesn't rotate, or something. And he came up with a series of solutions. Einstein knew about those. But, at the same time, Georges Lemaître, a Belgian astrophysicist, came up with them independently. And then said, the mathematics means that the Universe is actually expanding. So, unfortunately for Lemaître, he met up with Einstein in 1927, showed him his work, presented it to him. And Einstein said, your mathematics is correct, it's already been done by Alexander Friedmann, but your understanding of physics is abominable. Lemaître was forgotten, for a while. Hubble came along, and said, the Universe is expanding. He didn't tell Einstein, he just put it on the front page of the New York Times. And so we remember Hubble, we don't remember Lemaître. But you should, because Lemaître did it, as part of his PhD thesis. So what does Friedmann's equations say about the Universe? Well, they say that the Universe is empty, it just keeps on getting bigger and bigger and bigger and nothing really happens. It just, it's on this straight line. Not dissimilar to a ball, if you threw it out in space. On the other hand, if you have a light Universe, gravity is going to slow down the Universe a little bit. But the Universe will be able to expand and expand and expand forever. On the other hand, if you fill it full of stuff that Einstein had already thought about, dark energy, energy that's part of the fabric of space, this stuff makes gravity push rather than pull, and you might get a Universe that would exponentially expand, very very quickly. Finally, there was the, kind of most intriguing model, the heavy Universe. The Universe that has so much gravity, that it expands, stops expanding due to the effects of gravity, goes in reverse. So all the universes seem to start with a Big Bang, but only the one that is heavy ends with a gnaB giB, that's the Big Bang backwards. Alright, so another feature of curved space is that a heavy Universe literally curves around itself in four dimensions. Given enough time, you can imagine heading out in this direction, and eventually coming back to where you stand. What's the Universe bending into? Well, it's bending into this time thing. On the other hand, if the Universe is light, it bends the other way, the shape of a saddle. A Universe that has the shape of a saddle, triangles, for example, and this is an experiment I've always wanted to do, you send a graduate student off this way, another one off that way, and in a billion years, travelling at about 99% of the speed of light, we get together, and we measure the angles of a triangle. And we ask, what are they? In the light Universe they add up to less than 180 degrees. In the heavy Universe, they add up to more than 180 degrees, just like they do if you did this experiment on Earth. Get a globe, if you don't know what I mean. Finally, there's the "just right" Universe. That Universe precariously balanced between the finite and the infinite, where triangles add up to 180 degrees. So there is a geometry to space that is inherent with general relativity. So, when I finished my PhD, I went off to Australia, and on the way to Australia I was able to work with several of my colleagues, and specifically Nick Suntzeff in Chile, to devise an experiment to measure the Universe's past. And that was to look back in time and literally see how the expansion rate of the Universe was changing over time. We can do this, because when we look a long ways away, it takes billions of years for light to reach us. And in 1994 there was new technology, and there were new ideas of how to use supernovae to go through and see the trajectory of the Universe. So this is what Saul Perlmutter talked about in his talk. And essentially we wanted to see how the expansion rate of the Universe changed over time. And we could see whether or not it was going to, for example, exist forever, or collapse into something analogous to the Big Bang in reverse. So the supernovae were the new ideas done by a group in Chile. The technology was developed for six years by Saul Perlmutter, and we sort of married these two together in what was quite a competitive experiment. Saul and I always had a lot of fun with it. I'm not sure that all of our team members did. But competition was great. Because it meant we always knew the other team was going to push us, in terms of how efficient we acted, but also point out any mistake we might make. And so, after several years, we came up, this was our data, and we noticed immediately that the data was in the wrong part. The distant data was in a place of the diagram where the Universe was expanding slower in the past, and seemed to be accelerating. Einstein told us we need something funny for that, stuff we call dark energy. This is the work that produced the two papers of the two teams in 1998. And, of course, Saul and I are here, but we represent about 60 people who did this work, our team and Saul's team are both represented in Stockholm. A great party for us all. Alright, so what's pushing on the Universe? Well, Einstein told us it's this stuff called dark energy. Well, what is dark energy? He called it the cosmological constant. It really is energy that is part of space itself. And it turns out, it does, through his equations, cause essentially gravity to push rather than pull. Now, if you go through and did a detailed analysis, as we did in 1998, you could see that you needed a mix of stuff, you needed about 30% of the Universe to be gravity that pulls, and 70% to be gravity that pushes. Alright, so that was the conclusions there. Now, let's think, again, if we take the Universe, and we compress it, what does that do? Well, if you do that experiment here on Earth, for example you'd take a little piston and I'm going to compress it, or this gentleman is going to compress it, things get hot. So there's a little piece of cotton wool in there, and he just took a glass piston and pushed it, and it heated up, to the point where you could set the cotton wool on fire. The Universe is very similar. It has a certain temperature now, when the Universe was more compact it was hotter. And if you go back in time, you reach a point, to when the Universe was roughly 3,000 degrees. So, 3,000 degrees is when hydrogen becomes ionized, so, before that, the electrons were essentially not attached to their protons, and, to a photon, that means they look like a giant target. Likes to scatter off electrons. So the Universe was opaque. Right now it's not, we can see through it. And so that led to the discovery, which hopefully Bob Wilson, you would've heard him describe, and this is one of the most remarkable discoveries of the twentieth century, where you look out in all directions and the Universe is glowing. And it's glowing because it was opaque and hot, and things that are opaque and hot glow. Not a lot like your stove or the Sun. And so, 13.8 billion years ago, what is what the Universe looked like. And in this image, we see many interesting things. The one thing that we can imagine is imagine that we're bumps and wiggles in the Universe. They're going to create sound waves, and those sound waves are going to move out, at the speed of sound. And they're going to get out to, essentially 380,000 years' time, that's the speed of sound, and they get dragged around a little bit by the Universe, but let's not worry about that. And so those sound waves have a scale, which we can calculate using physics, to about one part in 10^4. It's a ruler of incredible precision. Especially by cosmologists, who normally are used to dealing with factors of two. And so, if you have a ruler, you can look and say, ah, I can figure out how far away that object is. And how does it work? Well, it turns out there are many things that cause that ruler to have a size, but the most important one of interest is the geometry of the Universe. If the Universe is curved, the ruler gets distorted. It's not dissimilar to looking in a rear-view mirror. The entire Universe acts as a lens. If it's flat, it doesn't get distorted. So you can look at those sound waves and you can say, how big are they? Well, you do that experiment, and this was done, starting in 1998, just the same time as our experiment, and you can say, OK, if the sound waves are small, it's a Universe that's light. A heavy Universe, they're big, and somewhere in between, they are somewhere in between. So, when you do that experiment, it turns out the Universe is just right. It has got that perfect amount of material so that space is neither curved on to itself or away from itself. Fantastically accurate experiment. This is why we say the Universe is geometrically flat. Alright, now, this, there's so many things we can do with the cosmic microwave background, it's sort of our best laboratory. One of the things, you know, is that these bumps and wiggles are going to become the galaxies of today. So in Australia, back in the early 2000s, some of my colleagues went out and mapped out 221,000 galaxies. People in the United states did a million galaxies a few years later. But you can go through and measure, essentially, gravity in action, because gravity's going to take those bumps, and it's going to make a pattern. We use computers to see what that pattern looks like. And it depends on, it turns out, what the Universe is made of. And how much gravity it has. So you can look up here, at the real Universe, where it says "Observed", and here are four different universes, made up of different things. And your eye is pretty good at doing the Fourier transforms we really do to compare those data sets, and, if you're looking at that, all figure out which one you think is right. If you said that one, you're right. That is what the data looks like. And that is a mixture of five parts dark matter, which I haven't talked about yet, one part atoms. What's special about dark matter? Dark matter doesn't interact, except for by gravity. It goes right through itself, it goes right through the Earth, it goes right through atoms, it essentially is invisible to itself and everything else in the Universe. It only has gravity. That makes it insanely easy to calculate, because you literally just have to put Newton's laws in, and it works. You don't have to worry about pressure or anything. So it's very convenient that the Universe made the Universe out of this, because if it didn't, it would be really hard to calculate. So, dark matter. Well, we don't quite know what dark matter is. It has gravity, but we think it's probably some undiscovered particle. And we can sort of get a sense to say this stuff really exists. Here are two clusters of galaxies which are made up of atoms and dark matter. When you clash atoms, what do they do? They light up, make x-rays, and they condense in the centre. If you look at where the atoms are in this picture, well, they're in the centre. If you map out the mass, by using how space gets distorted through what we call gravitational lensing, you can see where the mass is. And the dark matter seems to have gone right through itself, as these galaxies have collided, and the atoms are stuck in the centre. Just like we see. Every way we look at it, we see dark matter in this five to one ratio. Not just here, but, again, in the cosmic microwave background. Why? Because those sound waves are dependent. The wave action in the early Universe is dependent on what the Universe is made out of. If you plop something into a pond, and it's made out of honey as opposed to water, the waves look different. And so, the Big Bang essentially, as I'll show you, threw gravel into the pond, those waves fluctuated out, and we get a snapshot as the Universe became transparent. And that's what the Universe looks like. So what does the wave action look like? Well, we measure it in the form of, essentially, how many waves there are at different scales. So you get this very complex curve. The curve is the theory, the dots are the data. You don't get many experiments better than this. And, if you change anything by even small amounts, the theory no longer fits the data. And it says the Universe is 25% dark matter, same answer we get in the other place. It says it's 5% atoms, or baryons, as we like to say. It tells us approximately, it tells it very accurately, but it's roughly, there are 10^9 photons for every atomic nucleus. And that there are 3 low mass neutrinos. Heavy mass neutrinos, 4 neutrinos, all screw things up. Alright, that's what we get by doing that wave action. So, when you put this all together, you get this quite remarkable but unexpected story. Flatness, that means all of the matter in the Universe adds up to 100% of enough to be flat. Turns out about 30% of it, when you look at how much gravity there is, is stuff that's attractive. So we need mystery matter, 70%, the same stuff that the supernovae experiments that Saul and I have been talking about seem to require, to push the Universe apart. So we apparently have our Universe, which we are only 5% of. Because we have all these constituent parts, and we know how they work together, we can very accurately trace the Universe back to the time of the Big Bang. Back to 380,000 years, and then it's a very small extrapolation. And it tells us that the Universe is 3.8 billion years old. Sorry, it's 13.8 billion years old. The best number is 13.82, people get out in a fight if you say it's 13.78 now. So we've really got it aged very accurately. Now let's go before the CMB. You make the Universe smaller, it gets hotter and hotter. Eventually you get to the point where the photons are so hot that they can create things. For example, they might create an electron-positron pair. Now an electron-positron pair get together, they like to get back together and produce two more photons. One of the interesting issues of all of the particle physics people are looking at, is they have this self-contained model, that seems to all work, but we know from astronomy there are a bunch of unanswered questions from this point. Why do atoms exist? Because, in a hot universe, all the equations are such, that every time photons get together, they make and destroy matter evenly. Yet we have this ratio that there's 10^9, a billion photons, per every atom. There is an asymmetry in the equations we don't understand. Because, as they stand now, we aren't here. The entire Universe is just photons. So something's going on we don't understand. We of course haven't discovered dark matter. We think it's a particle, but we haven't seen it. What is this dark energy stuff? We really don't know there. We have learned almost nothing about dark energy since our discovery in 1998. It's a sad state of affairs. Why do neutrinos have mass? There are reasons from astronomy, and from experiments here on Earth, that we're pretty sure they have a little bit of mass, but the equations don't tell us that either. And finally, how does gravity work with other forces? That's sort of the huge question in physics, the big one, of unification. Now, if we run the Universe back to a little more moderate temperature, 800,000 degrees, the whole thing acts as a nuclear reactor. And so you can very clearly predict what the nuclear reactor's going to do. You go through and do the equations, same ones that we use for doing nuclear bombs and other things, and you sort of get a universe that produces a set of elements: hydrogen 75%, helium 25%, and trace amounts of other things. Exactly what we see in the Universe. Everything else, the carbon, all the stuff that makes biologists excited, well that's all happened lately in the stars that we look at. So we know the Universe was hot, it cooled. Here, those little sound waves are only fluctuations, in one part in a hundred thousand. They grew by gravity, and something happened. About probably 100 million years later, first stars formed, and suddenly, 13 billion years ago, we had this really exciting Universe that looks not that dissimilar to today. We're at the point of being able to go and ask questions. So one of the things I've been working in, is taking and looking at every single star in the Milky Way, and asking, can I find stars that only are made up of hydrogen and helium? Those would be the ones made right after the Big Bang. So, we're looking at billions upon billions of objects, and last year we found the closest thing yet. It's an object that has no iron in it whatsoever. Exploding stars make iron, they also make other things. So this object has literally no iron. One part in 100 million. Less than the Sun. And so this is a spectrum where you can identify the iron, there really is nothing there. It does have a little bit of calcium, and other things. So we think this star was created out of the ashes of one of the original stars of the Universe. We only have one, we're going to be, over the next five years, hopefully finding a whole bunch of these. And piecing together how the Universe was formed from the fossil relic. But we can also, with the next generations of telescopes, look literally back to this epic, and hopefully see the objects being created. In real time. With the James Webb space telescope, and the extremely large telescopes. So, we can tell, though, that the Universe right now is 2% made up of heavier atoms. So stars have taken that initial mixture and created 2% of the Universe and transformed it through nuclear reactions, into the things that make, quite frankly, life here on Earth quite interesting. Except for those of you who like to play with helium. OK, another big question, what is the Big Bang? This picture is really funny. It's very lumpy here, but we have incredibly put up the contrast. The temperature is the same on both sides. How can we understand that? When, it turns out, if you go through and make a diagram, or you sort of look at how light looks at, you see, that if I look that direction, and I look the other direction, and I go back to a distance of 380,000 years after the Big Bang, you can go through and then make those light cones and you can say that piece of light and that piece of light, never can see each other, and yet they're the same temperature at one part in 10^4, almost. Alright, so we need a trick. And the trick is something called inflation. And inflation allows a time in the Universe where the Universe exponentially expanded and stopped for some reason. And so that makes that diagram look a little funny. And I seem to have lost one of my slides unfortunately. It also takes tiny fluctuations caused by quantum mechanics, and blows them up to the size of the Universe. Seems crazy? Well, if you don't have this, the Universe, instead of looking like what we see it, it would look like this, there would be no structure in how gravity could grow things. It also turns out, is a way of taking a very lumpy universe and as it accelerates, it flattens it out. It matches all these observations we've made of the Universe. But it does mean that the Universe had this funny time, where we think it essentially expanded by, you know, umpteen orders of magnitude, in a tiny fraction of a second, and then essentially made the Universe as we see it today. So that brings the question, what is the Big Bang? Well, I don't know what the Big Bang is. To me, the Big Bang is whatever caused the Universe to inflate. Now there's a time, probably, before that, but essentially that magnification has washed out almost anything we can know. And it may well be that the Big Bang is the inflation, or maybe there's something before, we don't know yet. So I'm afraid I don't know what the Big Bang is, I only know what happened after the Big Bang. And what's our future? Well, I'm sad to say, that our Sun's nuclear reactor's getting stronger and stronger. In about the next 500 million years it's going to get very hot on Earth. Not the little degree or something we're seeing right now, fluctuation, we're talking 50 degrees hotter. So, in 500 million years, we're going to have to find another home, or we're going to cease to exist. Eventually, 5 billion years from now, the Sun really does run out of nuclear fuel, and we are definitely doomed at that point. So, as the Sun expands and becomes hotter, life's going to be uncomfortable. But I have hope that we will be able to move to another planet, maybe not quite like Interstellar, but we will continue on and probe the Universe. And what are we going to see? Well, it turns out, we have lots of places to go. There's 100 billion stars in our own galaxy. And if you go through and zoom in from our galaxy, and look at a tiny piece of sky, we see literally, in this tiny little piece, postage stamp, you know, 20 thousand galaxies. And so that is a very rich Universe. But it's finite, quite remarkable. Because, if we look over the entire sky, you see essentially everything. And so, if you want to go through and ponder how insignificant we are, when you just do a quick little back-of-the-envelope calculation here. So, how many stars in the Universe? Well there's about 260 billion galaxies, if I add up all those pictures. There's about 100 billion stars in each one of those. It turns out about one in five of them, we think, has an Earth-like planet, from latest measurements. So there's a lot of stars in the Universe. More stars than there are grains of sand on planet Earth. So we are insignificant. But think that we, 17,300 years ago, in a cave not too far away from here, our forefathers made this picture. We have the Pleiades stars, the same ones we see today, almost every human's been able to see them, they have Taurus, the Bull, the same place where it is on the sky today. The same description we use today. We call these the Seven Sisters, the Aboriginals of Australia called them the Seven Sisters, they'd been isolated from Europe for tens of thousands of years. Stars are our history. And what is remarkable is that we have been able to go through, as insignificant humans, and piece together the story I have shown you today. But time is of the essence, both because I've run out, but also because the Universe is exponentially expanding, we're at the beginning of it. And so, the more space expands, the less significant we are. The more space expands, the more dark energy can push it apart. Eventually, the expansion of space is going to happen faster than light's ability to traverse space. So galaxies we see today will be lost in the future. So when you read my grant proposals, please fund now, because we have limited amounts of time. So, to be clear, we're not expanding. I just want to make sure you understand that. We're in a very dense part of the Universe. And gravity has collapsed our part of the Universe, we are not expanding. However, when we look out, as cosmologists, to the rest of the world, the Universe will be accelerated out of sight. Now we don't understand what dark energy is, but unless dark energy suddenly fades away, for some reason we cannot foresee, the Universe will, at an ever increasing rate, expand, fade away, leaving me and my fellow colleagues unemployed. Thank you very much (applause)

Ein herzliches Willkommen an alle. Da wir uns alle umorganisieren, reden wir heute über den Zustand des Universums. Sie kamen bereits in den Genuss verschiedener Vorträge über Kosmologie. Ich werde versuchen, sie alle miteinander zu verbinden. Wie ist der Zustand des Universums im Jahr 2015? Nun, das Universum expandiert. Das Universum ist 13,8 Mrd. Jahre alt. Das Universum ist nahezu geometrisch flach. Und es besteht aus einer Mischung verschiedener Dinge, wie dunkler Energie und Materie, Atomen, Neutronen und Photonen, sowie aus anderen Dingen von geringerer Menge. Da das nur Worte sind, möchte ich erklären, warum wir wissen und denken, dass wir den Zustand des Universums so gut verstehen. Beginnen wir mit der Expansion des Universums. Sollte jemand von Ihnen den Vortrag von Saul Perlmutter zu diesem Thema verpasst haben, denke ich, dass es hilfreich ist, diesen kurz zu besprechen. Der Beginn der Expansion des Universums reicht lange zurück. Zumindest bis 1929, als Edwin Hubble vor die Tür trat und Galaxien anschaute, und wir bis dahin noch nicht wirklich wussten, was Galaxien sind, außer dass es Ansammlungen von Sternen sind. Er betrachtete die Helligkeit der Sterne in diesen Galaxien. Und stellte fest, dass einige der Galaxien hellere und andere schwächere Sterne hatten. Er setzte die Helligkeit selbstverständlich in Zusammenhang mit ihrer Entfernung - je weiter entfernt ein Objekt ist, umso schwächer wird es erscheinen. Vesto Slipher, den viele von Ihnen nicht kennen werden, obwohl er ein großer Astronom ist, und seine Familie gaben mir ein Stipendium, was natürlich einer der Gründe ist, warum ich ihn so schätze. Vesto stellte fest, dass er hindurch gehen kann und einen Effekt sieht: den Dopplereffekt. Er dachte, es ist der Dopplereffekt – heute nennen wir es Rotverschiebung. Das Licht dieser Galaxie dehnte sich aus. In einigen mehr, in anderen weniger, aber in fast allen war dieser Effekt zu beobachten. Wenn Sie die Menge der Lichtausdehnung aufzeichnen, die äquivalent zu ihrer Geschwindigkeit oder scheinbaren Geschwindigkeit von uns weg ist, bekommen Sie die den Entwurf von Hubble und haben hier einen Trend. Was ich an diesem Entwurf so mag, ist die Tatsache, dass wir dadurch die Expansion des Universums darstellen können. Das sind keine schönen Daten. Biologen wären vielleicht stolz auf diese Daten. Aber Physiker sind es nicht wirklich. Dennoch zeigt sie uns, dass je weiter weg ein Objekt ist, umso schneller ist seine scheinbare Bewegung. Daraus haben wir gelernt, dass das Universum expandiert. Warum? Was bedeutet das also, je weiter weg, umso schneller die Geschwindigkeit? Ich habe hier ein Spielzeuguniversum, das ich expandieren werde. Wenn ich das Universum nehme und es zwischen davor und danach etwas größer mache und diese beiden Dinge übereinanderlege, was sehen Sie? Sie sehen, dass die Bewegung der nahen Objekte klein war und sie eine niedrige Geschwindigkeit hätten. Entfernte Objekte hätten sich in derselben Zeit sehr viel bewegt. Sie hätten eine hohe scheinbare Geschwindigkeit. Dabei spielt es keine Rolle, wo im Universum man sich befindet – jeder sieht dasselbe. In einem expandierenden Universum gilt die Regel, dass je weiter weg etwas ist, umso schneller ist die scheinbare Bewegung. Nun wurde das alles schon mehr oder weniger von der Theorie vorhergesagt. Der Theorie von keinem anderen als Albert Einstein. Bevor wir dazu kommen, lassen Sie uns überlegen, was expandieren bedeutet? Wenn ich expandiere, nun, dann werde ich immer größer und größer. Ich kann dieses Experiment aber auch umgedreht ausführen. Welches Ergebnis bekomme ich? Die Dinge kommen immer näher und näher und näher, solange bis das Universum über allem anderen steht. Das ist das, was wir den Urknall nennen. Wenn Sie messen, wie schnell das Universum expandiert, bekommen Sie eine Idee davon, wie alt das Universum ist. Das war so interessant für mich, dass ich entschied, meine Doktorarbeit darüber zu schreiben. Auf einem Graphen können Sie sich das so vorstellen. Im Moment sehen Sie Galaxien, die voneinander getrennt sind. Gemessen an der Geschwindigkeit der Expansion lasse ich das Universum rückwärts laufen. Ich kann einfach ablesen, wann die beiden Objekte übereinander sind und das Alter des Universums bestimmen. Und das ist auch schon das Ende meiner Doktorarbeit – 3 Jahre, 11 Monate und 4 Tage, aber ich habe nicht mitgezählt. Als ich meinem Doktorvater Bob Kirschner meine Ergebnisse zeigte - ich fand heraus, dass das Universum ca. 14 Mrd. Jahre alt ist - würde ich gerne sagen, dass ich Anerkennung für die Bestimmung des Alters des Universums bekam. Die Wahrheit ist, dass ich nicht viele Leute von meinen Ergebnissen überzeugen konnte. Aber ich hatte das richtige Ergebnis und das ist wichtig. Eigentlich ist es nicht so wichtig, aber das ist ok. Ok, die Theorie, die das alles verbindet, kommt von Einstein. Einstein machte die Entdeckung im Jahr 1907, dass Beschleunigung durch schnellere Bewegung und Schwerkraftbeschleunigung, seiner Meinung nach im Wesentlichen immer dasselbe sein müssen und äquivalent waren. Ein relativ bescheidener Gedanke, für den er acht Jahre brauchte. Er musste einiges an Mathematik lernen, was auch heute noch eine Herausforderung ist, aber die essentielle Idee ist: Stellen Sie sich vor, dass Sie in einer Box oder einem Raum sind. Werden Sie von der Erdgravitation um 9,8 Meter/Sekunde beschleunigt? Oder sind Sie eigentlich in einem Raumschiff und werden um 9,8 Meter/Sekunde beschleunigt? Unter seiner Annahme, ist es unmöglich einen Unterschied festzustellen. Diese Annahme hat sich niemals als falsch erwiesen. Astronomen sind also diejenigen, die Einsteins Theorie der Anziehungskraft bestätigen. Wie? Indem sie sich Finsternisse anschauen, und das sind die Daten von 1919. Es ist furchtbar, es fehlt der Fokus, aber es war gut genug, um zu zeigen, dass Sterne in der Nähe der Sonne, auf Grund der Sonnenschwerkraft und ihrer Krümmung des Raumes, verschoben wurden. Um dieses scheinbar kleine Problem zu lösen, musste Einstein sagen, dass der Raum durch die Masse gekrümmt wurde. Und das war ein großer Schritt nach vorne. Viele Leute waren natürlich skeptisch. Andere waren es nicht. Aber er wurde bestätigt und diese Grundidee erwies sich niemals als falsch. Wir wissen, dass dies nicht mit Quantenmechanik funktioniert, so gibt es zumindest etwas, das wahrscheinlich irgendwo einen Fehler hat. Einstein wurde also ein bekannter Name auf Grund der allgemeinen Relativität, nicht der speziellen Relativität. Er war auf den Titelseiten der Zeitungen. Das war in der Tat eine Idee, die rein aus seinen Gedanken entstanden ist. Und das ist sehr, sehr selten in der Wissenschaft. Normalerweise hat man eine Idee, es gibt ein Problem und man muss es lösen. Hier gab es kein Problem, über das Einstein nachdachte. Er sagte einfach, dass die Welt so sein müsste. In den folgenden Jahren versuchten de Sitter und Einstein herauszufinden, was das für die Kosmologie bedeutete. Newton konnte die Kosmologie und das Verhalten des Universums mit seinen Gleichungen der Schwerkraft nicht lösen. Sie würden einzig und allein Sinn machen, wenn das Universum leer wäre. Also versuchten de Sitter und Einstein es und dann tauchte Alexander Friedmann in St. Petersburg auf und sagte, nehmen wir an, dass das Universum überall gleich ist. Homogen. Und isotrop, es rotiert nicht oder ähnliches. Er fand eine Reihe von Lösungen. Einstein kannte diese. Zur selben Zeit kam der belgische Astrophysiker Georges Lemaître unabhängig davon auf die gleichen Lösungen. Er sagte, die Berechnungen sagen aus, dass das Universum tatsächlich expandiert. Zum Unglück von Lemaître traf er sich 1927 mit Einstein und zeigte ihm seine Arbeit. Einstein sagte, dass seine Mathematik korrekt sei, sie aber bereits von Alexander Friedmann angewendet wurde. Sein Verständnis von Physik sei jedoch schrecklich. So gerat Lemaître für eine Weile in Vergessenheit. Hubble kam dann und sagte, dass das Universum expandiert. Zu Einstein sagte er nichts. Er veröffentlichte es einfach auf der Titelseite der NY Times. Darum erinnern wir uns heute an Hubble und nicht an Lemaître. Aber wir sollten uns an ihn erinnern, da Lemaître es in seiner Doktorarbeit herausfand. Was also sagen Friedmanns Gleichungen über das Universum aus? Nun, sie sagen, dass das Universum leer ist und einfach immer größer und größer wird und eigentlich nicht wirklich etwas passiert. Es ist einfach auf dieser Geraden. Nicht unähnlich zu einem Ball, wenn man ihn in den Raum wirft. Im Falle eines leichten Universums, andererseits, verlangsamt die Schwerkraft das Universum ein bisschen. Dennoch wird das Universum für immer in der Lage sein weiter zu expandieren. Wenn man es aber mit Dingen füllt, wie es Einstein schon vorhatte, mit dunkler Energie, die Teil der Weltraumstruktur ist, wird die Schwerkraft eher drücken als anziehen, und das Universum könnte sehr, sehr schnell exponentiell expandieren. Zuletzt gab es dann noch das faszinierendste Modell des schweren Universums. Das Universum, das auf Grund der vielen Schwerkraft expandiert, hört wegen der Schwerkrafteffekte auf zu expandieren, und schrumpft. Es scheint also, dass alle Universen mit einem Urknall beginnen, aber nur das schwere Universum mit einem umgekehrten Urknall aufhört. Ein anderer Fehler des gekrümmten Weltraumes ist, dass sich das Universum in vier Dimensionen um sich selbst krümmt. Sie können sich vorstellen, dass man sich bei genügend Zeit in diese Richtung bewegt und irgendwann zu seinem Ausgangspunkt zurückkommt. Wohin krümmt sich das Universum? Nun, es krümmt sich in der Zeit. Wenn das Universum allerdings leicht ist, krümmt es sich andersherum in Form eines Sattels. Ein Universum in der Form eines Sattels, z.B. ein Dreieck, dieses Experiment wollte ich schon immer einmal machen: Schicken Sie zwei Hochschulabsolventen auf entgegengesetzte Wege und in einer Milliarde Jahren, wenn wir mit 99% der Lichtgeschwindigkeit gereist sind, treffen wir uns und messen die Winkel eines Dreieckes. Und wir fragen uns, was sie sind? In einem leichten Universum betragen sie in Summe weniger als 180 Grad. Im schweren Universum summieren sie sich auf mehr als 180 Grad, geradeso als wenn man das Experiment auf der Erde machen würde. Nehmen Sie sich einen Globus, wenn Sie mich nicht verstehen. Zuletzt gibt es das “genau richtige” Universum. Dieses Universum balancierte bedenklich zwischen dem Endlichen und Unendlichen, wo Dreiecke eine Summe von 180 Grad haben. Es gibt also eine Weltraumgeometrie, die inhärent zur allgemeinen Relativität ist. Nach meiner Promotion bin ich nach Australien gegangen. Auf dem Weg dorthin konnte ich mit einigen Kollegen zusammenarbeiten, insbesondere mit Nick Suntzeff in Chile, um ein Experiment zur Messung der Vergangenheit des Universums zu entwerfen. Inhalt war, in der Zeit zurückzugehen und zu sehen, wie sich die Expansionsrate des Universums im Laufe der Jahre verändert. Das ist möglich, weil das Licht Milliarden von Jahren braucht, um uns zu erreichen, wenn wir weit zurückblicken. um durchzugehen und die Flugbahn des Universums zu sehen. Darüber also hat Saul Perlmutter in seinem Vortrag geredet. Wir wollten im Wesentlichen sehen, wie sich die Expansionsrate des Universums im Laufe der Zeit veränderte. Und wir konnten feststellen, dass egal ob es z.B. für immer existieren sollte, in etwas kollabieren würde, das dem umgekehrten Urknall entspricht. Die Supernovae waren also neue Ideen einer Gruppe in Chile. Die Technologie wurde von Saul Perlmutter innerhalb von sechs Jahren entwickelt und wir haben diese beiden vereinigt in einem relativ kompetitiven Experiment. Saul und ich hatten dabei sehr viel Spaß. Ich bin mir nicht sicher, ob es allen im Team so ging. Aber der Wettbewerb war großartig. Wir wussten, dass uns das andere Team immer antreiben würde, um effizienter zu arbeiten, aber uns auch auf mögliche Fehler hinweisen würde. So kamen wir dann nach einigen Jahren zu unseren Ergebnissen und mussten sofort feststellen, dass die Daten im falschen Teil waren. Die Entfernungsdaten waren in einem Teil des Diagramms, wo das Universum in der Vergangenheit langsamer expandierte und schienen beschleunigend zu sein. Einstein sagte uns, dass wir etwas Lustiges bräuchten, Zeug, das wir dunkle Energie nennen. Das ist die Forschungsarbeit der beiden Teams im Jahre 1998. Natürlich sind Saul und ich hier, aber wir repräsentieren ca. 60 Leute, die diese Arbeit gemacht haben. Unser Team und Sauls Team sind beide in Stockholm repräsentiert. Eine großartige Party für uns alle. Ok, was also treibt das Universum voran? Einstein sagte uns, dass es das ist, was wir dunkle Energie nennen. Aber was ist dunkle Energie? Er nannte es die kosmologische Konstante. Es ist tatsächlich Energie, die Teil des Weltraumes selbst ist. Seine Gleichungen zeigen, dass sie im Wesentlichen Schwerkraft erzeugt, die eher drückt als anzieht. Wenn Sie eine detaillierte Analyse machen, so wie wir im Jahre 1998, könnten Sie sehen, dass Sie einen Mix an Dingen brauchen. Ca. 30% des Universums müssen Schwerkraft sein, die anzieht, und 70% drückende Schwerkraft. Ok, das waren also die Ergebnisse. Lassen Sie uns noch einmal nachdenken: Wenn wir das Universum komprimieren, was passiert dann? Wenn Sie dieses Experiment auf der Erde machen, z.B. indem Sie einen kleinen Kolben zusammendrücken, oder dieser Herr ihn zusammendrückt, geht es heiß her. Darin befindet sich ein kleines Stück Baumwolle und er hat nur einen Glaskolben zusammengedrückt und dieser erhitzte sich bis zu dem Punkt, an dem man die Baumwolle in Brand setzen könnte. Das Universum ist sehr ähnlich. Es hat jetzt eine bestimmte Temperatur und wenn das Universum kompakter wäre, wäre es heißer. Wenn wir in der Zeit zurückgehen, kommt irgendwann ein Punkt, an dem das Universum ca. 3.000 Grad hatte. Bei 3.000 Grad ionisiert Wasserstoff. Davor waren die Elektronen nicht an ihre Protonen gebunden und für einen Photon heißt das, dass sie wie ein riesiges Ziel aussehen, das gerne Elektronen verstreut. Das Universum war also undurchsichtig. Im Moment ist es das nicht, wir können hindurchsehen. Das führte zur Entdeckung, die Sie hoffentlich von Bob Wilson gehört haben, und das ist eine der bemerkenswertesten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts: Egal in welche Richtung man blickt, das Universum leuchtet. Es leuchtet, weil es undurchsichtig und heiß war und Sachen, die undurchsichtig und heiß sind, leuchten. Nicht wie ihr Ofen oder die Sonne. Wie sah das Universum also vor 13,8 Milliarden Jahren aus? In diesem Bild sehen wir viele interessante Dinge. Wir können uns vorstellen, dass es Dellen und Wellen im Universum gibt. Dadurch entstehen Schallwellen, die sich in Schallgeschwindigkeit ausdehnen. Im Wesentlichen bis auf 380.000 Jahre, das ist die Schallgeschwindigkeit, und sie werden ein bisschen herumgezogen werden vom Universum, aber machen wir uns darüber keine Gedanken. Diese Schallwellen haben eine Skala, die wir mit Hilfe der Physik auf ein Zehntausendstel bestimmen können. Ein Maßstab von unglaublicher Präzision. Insbesondere unter Kosmologen, die normalerweise nur mit dem Faktor 2 rechnen. Wenn Sie ein Lineal haben, können Sie herausfinden, wie weit entfernt ein Objekt ist. Wie funktioniert das? Viele Faktoren sind dafür verantwortlich, dass das Lineal einen Maßstab hat, aber der wichtigste Punkt ist die Geometrie des Universums. Ist das Universum gekrümmt, wird das Lineal verfälscht. Nicht unähnlich dem Blick in einen Rückspiegel. Das gesamte Universum fungiert als Linse. Wenn es flach ist, wird es nicht verfälscht. Wir können also die Schallwellen betrachten und bestimmen, wie groß sie sind. Sie machen also dieses Experiment, und das wurde in 1998 schon einmal gemacht, genau zur selben Zeit wie unserer Experiment, und Sie können sagen, wenn die Schallwellen klein sind, ist das ein Universum das leicht ist. In einem schweren Universum sind sie groß und irgendwo dazwischen. Wenn Sie also dieses Experiment machen, kommt heraus, dass das Universum genau richtig ist. Es hat eine perfekte Menge an Material, so dass der Weltraumraum weder in sich noch von sich weg gekrümmt ist. Ein fantastisch akkurates Experiment. Darum sagen wir, dass das Universum geometrisch flach ist. Gut, da sind so viele Sachen, die wir mit der kosmischen Hintergrundstrahlung machen können. Sie ist eigentlich unser bestes Labor. Eines dieser Dinge ist, dass die Dellen und das Wellen die Galaxien von heute werden. In den frühen 2000ern haben einige meiner Kollegen in Australien 221.000 Galaxien aufgezeichnet. In den USA erfasste man ein paar Jahre später 1 Million Galaxien. Man kann durchgehen und die Schwerkraft messen, da sie diese Dellen ausbilden und eine Struktur bilden wird. Mit Hilfe von Computern können wir sehen, wie diese Struktur aussieht. Es zeigt sich, dass diese von den Bestandteilen des Universums abhängt Und davon wie viel Schwerkraft es hat. Sehen Sie sich das reale Universum an, dort wo “observed” steht, und wir sehen vier verschiedene Universen, die aus verschiedenen Dingen bestehen. Ihr Auge ist ziemlich gut in Fouriertransformationen, die wir nutzen, um diese Daten zu vergleichen. Wenn Sie sich das anschauen, was ist ihrer Meinung nach das Richtige? Wenn Sie an das hier dachten, sind Sie richtig. So sehen die Daten aus. Das ist ein Mix aus 5 Teilen dunkler Materie, wovon ich noch nicht geredet habe, und 1 Teil Atome. Was ist das Besondere an dunkler Materie? Dunkle Materie interagiert nicht, außer mit der Schwerkraft. Sie geht mitten durch sich selbst, durch die Erde, durch die Atome, sie ist unsichtbar gegenüber sich selbst und allem anderen im Universum. Sie hat nur Schwerkraft. Dadurch ist sie so verrückt einfach zu berechnen, da man einfach nur Newtons Gesetz anwenden muss und es funktioniert. Sie müssen sich keine Sorgen um Druck oder ähnliches machen. Es ist also sehr bequem, dass das Universum dieses Universum daraus gemacht hat. Hätte es das nicht getan, wäre es sehr schwer zu berechnen. Also, dunkle Materie. Nun, wir wissen nicht wirklich was dunkle Materie ist. Sie besitzt Schwerkraft, aber wir vermuten, dass sie ein unentdecktes Teilchen ist. Und wir können irgendwie sagen, dass diese Sache tatsächlich existiert. Hier haben wir zwei Galaxienhaufen, die aus Atomen und dunkler Materie bestehen. Was passiert, wenn zwei Atome aufeinander treffen? Sie leuchten auf, senden Röntgenstrahlen aus und kondensieren im Zentrum. Wenn Sie schauen, wo die Atome in diesem Bild sind: Nun, sie sind im Zentrum. Wenn Sie die Masse abbilden, indem Sie den Gravitationslinseneffekt nutzten, der den Weltraum verzerrt, können Sie sehen, wo die Masse ist. Es scheint, als ob die dunkle Materie durch sich selbst hindurchgegangen ist. Diese Galaxien sind kollidiert und die Atome sind in der Mitte steckengeblieben. Genauso wie wir hier sehen. Wie wir es auch betrachten, wir sehen dunkle Materie in diesem Verhältnis von 5:1. Nicht nur hier, sondern auch in der kosmischen Hintergrundstrahlung. Warum? Weil diese Schallwellen abhängig sind. Der Wellenschlag im frühen Universum war von den Bestandteilen des Universums abhängig. Wenn Sie etwas in einen Teich plumpsen lassen und dieser aus Honig anstatt Wasser ist, sehen die Wellen anders aus. So hat der Urknall im Wesentlichen, wie ich Ihnen zeige werde, Kies in den Teich geworfen, die Wellen fluktuierten und wir bekommen eine Momentaufnahme von der Transparentwerdung des Universums. Und so sieht das Universum aus. Wie sieht also der Wellenschlag aus? Wir messen ihn in der Form wie viele Wellen in verschiedenen Maßstäben vorhanden sind. So kommt man zu dieser komplexen Kurve. Die Kurve ist die Theorie, die Punkte sind die Daten. Es gibt nicht viele Experimente, die besser sind als dieses. Wenn Sie irgendwas auch in kleinen Mengen ändern, dann passt die Theorie nicht länger zu den Daten. Es zeigt uns, ebenso wie schon an anderer Stelle, dass das Universum zu 25% aus dunkler Materie besteht. Und zu 5% aus Atomen oder Baryonen, wie wir gerne sagen. Es zeigt uns ungefähr, auch akkurat, aber es ist annähernd zu sehen, dass es 10^9 Photonen für jeden atomaren Nucleus gibt. Außerdem gibt es 3 leichte Neutrinos. Die 4 schweren Neutrinos vermasseln das Ganze. Ok, das passiert also, wenn wir diesen Wellenschlag machen. Wenn wir das alles zusammennehmen, kommt man zu dieser wirklich bemerkenswerten Geschichte. Flachheit heißt, dass alle Materie im Universum sich auf 100% summiert, um flach zu sein. Wenn man untersucht, wie viel Schwerkraft dort vorhanden ist, stellt man fest, dass 30% der Dinge anziehend sind. Daher brauchen wir 70% “geheimnisvolle” Materie; dieselben Sachen wie im Supernovae-Experiment, über das Saul und ich geredet haben, scheinen nötig zu sein, um das Universum auseinander zu drücken. So haben wir offenbar unser Universum, von dem wir nur 5% ausmachen. Da wir alle diese Bestandteile haben und wir wissen, wie diese zusammen funktionieren, können wir das Universum sehr genau bis zum Urknall zurückverfolgen. b Um 380.000 Jahre zurück und dann ist es eine sehr kleine Hochrechnung. Diese zeigt uns, dass das Universum 3,8 Mrd. Jahre alt ist. Entschuldigung, es sind 13,8 Mrd. Jahre. Die genaue Zahl ist 13,82 Mrd. und die Leute werden wahnsinnig, wenn man sagt, dass es heute 13,78 Mrd. sind. Wir konnten das Alter also sehr akkurat bestimmen. Gehen wir in die Zeit vor der kosmischen Hintergrundstrahlung. Wenn man das Universum kleiner macht, wird es heißer und heißer. Schließlich kommt man an den Punkt, wo die Photonen so heiß sind, dass sie Dinge kreieren können. So zum Beispiel ein Elektron-Positron-Paar. Wen ein Elektron-Positron-Paar sich trifft, kommen sie gerne wieder zusammen und produzieren zwei weitere Photonen. Ein interessanter Punkt bei allen Teilchen, die sich Physiker anschauen, ist, dass sie dieses eigenständige Modell haben, das zu funktionieren scheint. Aus der Astronomie wissen wir aber, dass es da eine Reihe unbeantworteter Fragen gibt. Warum existieren Atome? Da in einem heißen Universum, wie alle Gleichungen sagen, jedes Mal wenn Photonen zusammenkommen, diese gleichermaßen Materie schaffen und zerstören. Dennoch haben wir dieses 10^9 Verhältnis, 1 Mrd. Photonen pro Atom. Hier gibt es eine Asymmetrie in den Gleichungen, die wir nicht verstehen. Da sie so, wie sie jetzt sind, nicht auf unserem Stand sind. Das Universum besteht allein aus Photonen. Hier geht also etwas vor sich, dass wir nicht verstehen. Natürlich haben wir die dunkle Materie noch nicht entdeckt. Wir glauben, dass es ein Teilchen ist, aber wir haben es nicht gesehen. Was ist diese Dunkle Energie? Wir wissen es wirklich nicht. Seit unserer Entdeckung im Jahr 1998 haben wir fast nichts über Dunkle Energie gelernt. Das ist eine traurige Angelegenheit. Warum besitzen Neutrinos Masse? Es gibt Gründe aus der Astronomie und aus Experimenten hier auf der Erde, die ziemlich sicher davon ausgingen, dass sie ein bisschen Masse haben. Die Gleichungen sagen uns das aber auch nicht. Und zu guter Letzt, wie verhält sich die Schwerkraft mit anderen Kräften? Das ist die große Frage in der Physik, die Frage der Vereinigung. Wenn wir das Universum zurückbringen auf eine etwas moderatere Temperatur von 800.000 Grad fungiert das Ganze als nuklearer Reaktor. So kann man sehr klar vorhersagen, was der nukleare Reaktor tun wird. Gehen wir das durch und machen die Gleichungen, dieselben wie für Atombomben oder ähnliche Dinge, Und wir bekommen ein Universum, das eine Reihe von Elementen produziert: Genau das, was wir im Universum sehen. Alles andere, Kohlenstoff und all das Zeug, das Biologen begeistert, das passierte alles erst später in den Sternen, die wir sehen. Daher wissen wir, dass das Universum heiß war und abkühlte. Hier sind diese kleinen Schallwellen nur Fluktuation, ein Hunderttausendstel. Sie wuchsen durch die Schwerkraft und irgendetwas passierte. Ungefähr 100 Mill. Jahre später formten sich die ersten Sterne und plötzlich, vor 13 Mrd. Jahren, hatten wir dieses wirklich aufregende Universum, das dem heutigen nicht so unähnlich ist. Nun können wir also weitergehen und beginnen Fragen zu stellen. Eines dieser Dinge, mit denen ich mich beschäftige, ist jeden einzelnen Stern der Milchstraße zu betrachten und zu fragen, ob ich Sterne finden kann, die nur aus Wasserstoff und Helium bestehen. Diese wären dann unmittelbar nach dem Urknall entstanden. Also betrachteten wir Milliarden über Milliarden Objekte und fanden etwas, dass der Sache bis jetzt am Nächsten kommt. Es ist ein Objekt, das überhaupt kein Eisen in sich hat. Explodierende Sterne produzieren Eisen und auch andere Sachen. Dieses Objekt hat buchstäblich kein Eisen. Ein Hundertmillionstel. Weniger als die Sonne. Das ist ein Spektrum, in dem man das Eisen identifizieren kann; da ist wirklich nichts. Es hat ein bisschen Calcium und andere Sachen. Daher denken wir, dass dieser Stern aus der Asche eines der Ausgangssterne des Universums entstanden ist. Bis jetzt haben wir nur einen, aber in den kommenden fünf Jahren finden wir hoffentlich noch einen ganzen Haufen davon. Und können zusammensetzen, wie das Universum aus fossilen Relikten geformt wurde. Aber wir können mit der nächsten Generation von Teleskopen aber auch zurückschauen in die Geschichte und hoffentlich sehen, wie die Objekte geschaffen werden. In Echtzeit. Mit Hilfe des James Webb Weltraumteleskops und den extrem großen Teleskopen. So können wir sagen, dass das heutige Universum zu 2% aus schwereren Atomen besteht. Die Sterne haben diese ursprüngliche Mischung aufgenommen, 2% des Universums geschaffen und es durch Kernreaktionen transformiert zu den Dingen, die das Leben hier auf der Erde ziemlich interessant machen. Außer für diejenigen unter ihnen, die gerne mit Helium spielen. Ok, eine andere große Frage – Was ist der Urknall? Dieses Bild ist wirklich witzig. Es ist sehr verklumpt hier, aber wir haben den Kontrast unglaublich herausgearbeitet. Die Temperatur ist auf beiden Seiten gleich. Wie können wir das verstehen? Es stellt sich heraus, wenn man hindurchgeht und ein Diagramm macht oder es so betrachtet wie das Licht, dann sieht man, wenn ich in diese Richtung blicke und dann in die andere Richtung und zurück zu einer Entfernung von 380.000 Jahren nach dem Urknall gehe, dass man hindurchgehen und diese Lichtkegel machen kann. Dann kann man sagen, dass dieser Teil des Lichtes und dieser Teil einander niemals sehen können. Und doch haben sie fast dieselbe Temperatur zu einem Zehntausendstel. Ok, also brauchen wir einen Trick. Der Trick nennt sich Inflation. Die Inflation ermöglicht eine Zeit im Universum, zu der das Universum exponentiell expandierte und aus irgendeinem Grund stoppte. Darum sieht das Diagramm etwas lustig aus. Und es scheint so, als ob ich bedauerlicherweise eine Folie verloren habe. Es nimmt auch kleine Fluktuationen auf, die von Quantenmechanik verursacht werden, und vergrößert sie auf die Größe des Universums. Das scheint verrückt? Wenn wir das nicht haben und das Universum anstelle so auszusehen, wie wir es sehen, so aussehen würde, gäbe es keine Struktur dafür, wie die Schwerkraft Dinge zum Wachsen bringt. Außerdem stellt sich heraus, dass ein verklumptes Universum im Moment der Beschleunigung abflacht. Das trifft auf alle Beobachtungen zu, die wir vom Universum gemacht haben. Aber es bedeutet auch, dass das Universum diese witzige Zeit hatte, in der es, wie wir glauben, um zahlreich Größenordnungen wesentlich expandierte, in einem winzigen Bruchteil einer Sekunde und das Universum dann so machte, wie wir es heute sehen. Das bringt uns zu der Frage, was der Urknall ist? Nun, ich weiß nicht, was der Urknall ist. Für mich ist der Urknall, was immer das Universum dazu brachte sich aufzublähen. Da gibt es eine Zeit, wahrscheinlich davor, aber diese Vergrößerung hat alles ausgewaschen, was wir wissen. Es kann gut sein, dass der Urknall dieses Aufblasen, oder vielleicht gibt es etwas davor, das wissen wir noch nicht. Daher befürchte ich, dass ich nicht weiß, was der Urknall ist. Ich weiß nur was danach passiert ist. Wie sieht unsere Zukunft aus? Bedauerlicherweise muss ich sagen, dass die Kernreaktionen unserer Sonne immer stärker werden. In den nächsten 500 Mill. Jahren wird es sehr heiß auf der Erde werden. Nicht in dem kleinen Maße, wie wir es heute erleben: Wir reden hier von einer Fluktuation von 50 Grad plus. In 500 Mill. Jahren müssen wir also ein anderes Zuhause finden oder wir werden nicht mehr existieren. Letzten Endes wird die Sonne in 5 Mrd. Jahren wirklich keinen Kernbrennstoff mehr haben. Wir sind dann definitiv dem Untergang geweiht. Mit der Expansion und Erhitzung wird das Leben unangenehm werden. Aber wir haben die Hoffnung, dass wir auf einen anderen Planeten gehen können. Vielleicht nicht ganz so wie in Interstellar, aber wir werden weitermachen und das Universum erforschen. Und was werden wir sehen? Es zeigt sich, dass es viele Orte gibt, an die wir gehen können. Es gibt 100 Mrd. Sterne in unserer eigenen Galaxie. Wenn man hindurchgeht und von unserer Galaxie nah herangeht und ein winziges Stück des Himmels betrachtet, sehen wir in diesem winzigen Stück, buchstäblich in Briefmarkengröße, zwanzigtausend Galaxien. Das ist also ein sehr dichtes Universum. Aber es ist endlich, was äußerst bemerkenswert ist. Wenn wir aber über den gesamten Himmel blicken, sehen wir im Wesentlichen alles. Wenn Sie also hindurchgehen und überlegen wollen, wie unbedeutend wir sind, wenn sie nur eine schnelle kleine Überschlagsrechnung machen. Wie viele Sterne gibt es im Universum? Nun, es gibt ca. 260 Mrd. Galaxien, wenn ich all diese Bilder zusammenzähle. Es gibt ca. 100 Mrd. Sterne in jedem dieser Bilder. Es zeigt sich, dass ein Fünftel dieser, wie wir aus letzten Messungen annehmen, einen erdähnlichen Planeten hat. Es gibt also eine Menge Sterne im Universum. Mehr Sterne als es Sandkörner auf der Erde gibt. Wir sind also unbedeutend. Denken Sie daran, dass unsere Vorfahren in einem nicht weit entfernten Käfig vor 17.300 Jahren dieses Bild machten. Wir haben die Sterne der Plejaden, dieselben wie wir heute sehen, fast alle Menschen konnten diese bisher sehen, Wir haben den Taurus, den Stier, an derselben Stelle am Himmel wie heute. Dieselbe Beschreibung, die wir heute nutzen. Wir nennen sie die Sieben Schwestern, die australischen Ureinwohner nannten sie die Sieben Schwestern. Sie waren für zehntausende Jahre von Europa isoliert. Sterne sind unsere Geschichte. Das Erstaunliche ist, dass wir, als unbedeutende Menschen, fähig waren durchzugehen, und die Geschichte zusammenzusetzen, die ich Ihnen heute gezeigt habe. Zeit ist von äußerster Wichtigkeit. Zum einen, weil ich keine mehr habe, zum anderen, weil das Universum expandiert. Wir befinden uns gerade am Anfang davon. Je mehr der Weltraum expandiert, umso unbedeutender sind wir. Je mehr der Weltraum expandiert, umso mehr dunkle Energie kann ihn auseinander drücken. Schließlich wird die Expansion des Weltraumes schneller stattfinden als das Licht fähig ist den Weltraum zu durchqueren. Daher werden die Galaxien, die wir heute sehen, in der Zukunft nicht mehr da sein. Wenn Sie meine Anträge auf Förderung lesen, finanzieren Sie mich bitte jetzt, denn wir haben nur begrenzt Zeit. Um das klarzumachen, wir expandieren nicht. Ich wollte nur sicherstellen, dass sie das verstehen. Wir befinden uns in einem sehr dichten Teil des Universums. Die Schwerkraft hat unseren Teil des Universums zum Kollabieren gebracht, wir expandieren nicht. Dennoch wenn wir, als Kosmologen, den Rest der Welt betrachten, wird das Universum außer Sichtweite beschleunigt werden. Wir verstehen nicht, was dunkle Energie ist, doch nur wenn die dunkle Energie nicht plötzlich verschwindet, aus einem Grund, den wir nicht vorhersehen können, wird das Universum stetig weiter expandieren und verschwinden, womit ich und meine Kollegen arbeitslos wären. Vielen herzlichen Dank. (Applaus)

Brian P. Schmidt (2015)

The State of the Universe

Brian P. Schmidt (2015)

The State of the Universe

Abstract

Our Universe was created in 'The Big Bang' and has been expanding ever since. I will describe the vital statistics of the Universe, including its size, weight, shape, age, and composition.
I will also try to make sense of the Universe's past, present, and future - and describe what we know and what we do not yet know about the Cosmos.

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