Datei:Worldlines relevant for SPT0418-47.svg

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Beschreibung

Beschreibung
Deutsch: Die Zeichnung zeigt die für das Aussehen der Galaxie SPT0418-47 relevanten Weltlinien an. Die überraschenden Eigenschaften dieser Galaxie wurden im wissenschaftlichen Artikel A dynamically cold disk galaxy in the early Universe erläutert.

Kosmologische Parameter gemäß diesem Artikel sind: H0 = 67,8 km s−1 Mpc−1, Ωm = 0,308, ΛCDM (Planck15). Vom aktuellen Ort (Milchstraße) zur heutigen Zeit gemessene Rotverschiebungen werden durch das Symbol z, Rezessionsgeschwindigkeiten durch die Zeichenfolge vrec umschrieben. c bezeichnet die Lichtgeschwindigkeit. Berechnungen wurden mit dem Kosmologie-Rechner des ICRAR durchgeführt.

Die senkrechte Achse gibt das Weltalter seit dem Urknall in Milliarden Jahren an und nimmt zugleich die Rolle der (z=0)-Weltlinie wahr. Die waagerechte Achse zeigt die Eigendistanz (englisch: proper distance) von dieser Weltlinie in Milliarden Lichtjahren an. Da die Milchstraße zum Zeitpunkt der Emission des heute von SPT0418-47 empfangenen Lichts bereits existierte, kann die (z=0)-Weltlinie als Weltlinie der Milchstraße interpretiert werden - siehe aber den umrahmten Abschnitt zu Pekuliarbewegungen weiter unten. Die waagerechte Achse zeigt damit für jeden Zeitpunkt des Weltalters die Eigendistanz von der Milchstraße an.

Das Licht von SPT0418-47 hat im expandierenden Universum 12,4 Milliarden Jahre benötigt, uns zu erreichen. Die Galaxie weist eine Rotverschiebung von z=4,2248 auf, wobei eine in Sichtlinie befindliche Galaxie bei z=0,263 als Gravitationslinse dienen konnte. Erst diese gravitative Vergrößerung ermöglichte es Forschern, die Galaxie in ihrem Zustand 1,4 Milliarden Jahre nach dem Urknall (dem Emissionszeitpunkt des heute empfangenen Lichts) und einer damaligen Entfernung zur Milchstraße von 4,7 Milliarden Lichtjahren genauer zu untersuchen.

Photonen auf der (auf dem Mantel des Rückwärts-Lichtkegels gelegenen) lichtartigen Geodäte von SPT0418-47 zum Emissionszeitpunkt und der Milchstraße zum heutigen Zeitpunkt haben sich aufgrund der damaligen superluminaren Rezessionsgeschwindigkeit von vrec=2,2c zur Milchstraße zum Emissionszeitpunkt zunächst von der Milchstraße entfernt (mit zunächst vrec-c), bevor sie von der anwachsenden Hubble-Sphäre (Rezessionsgeschwindigkeit der Hubble-Sphäre größer als jene Geschwindigkeit, mit der sich auf die Milchstraße zum heutigen Zeitpunkt gerichtete Photonen auf der Geodäte jenseits der Hubble-Sphäre von der Milchstraße entfernen) überholt wurden. Der Schnittpunkt der Photonen-Laufbahn und der Hubble-Sphäre markiert den Zeitpunkt der maximalen Entfernung der Photonen von der Milchstraße. Bei der anschließenden Annäherung an die Milchstraße passierten die Photonen 10,6 Milliarden Jahre nach dem Urknall jene 2,8 Milliarden Lichtjahre von der Milchstraße entfernte Galaxie, die heute als Gravitationslinse dient. Zum heutigen Zeitpunkt ist jene Galaxie 3,6 Milliarden Lichtjahre von der Milchstraße entfernt. SPT0418-47 hat sich zu allen Zeiten superluminar von der Milchstraße entfernt. Die heutige Eigendistanz der heute jenseits des Ereignishorizonts gelegenen Galaxie SPT0418-47 beläuft sich auf 24,4 Milliarden Lichtjahre bei einer Rezessionsgeschwindigkeit von 1,7c.
English: The drawing shows the worldlines relevant for understanding the appearance of SPT0418-47. The surprising properties of this galaxy are explained in the scientific publication A dynamically cold disk galaxy in the early Universe.
Datum
Quelle Eigenes Werk
Urheber Langealtos
Berechnete Werte mit H0 = 67,8 km s−1 Mpc−1, Ωm = 0,308, ΛCDM (Planck15)
Variable z=0 z=4,2248 z=0,263
Weltalter Mrd Jahre 13,7969 1,4437 10,6332
D0 Eigendistanz Mpc heute (= mitbewegte Distanz) 0 7493,35 1089,67
D0 * (pc/Lj) / 1000 Eigendistanz Mrd Lj heute (= mitbewegte Distanz) 0 24,4400 3,5540
H Hubble-Parameter km s−1 Mpc−1 67,8 453,234 77,678
H0 * D0 / c Rezessionsgeschwindigkeit vrec heute 0c 1,6947c 0,2464c
De = D0 / (1+z) Eigendistanz Mpc Weltalter 0 1434,1889 862,7633
De * (pc/Lj) /1000 Eigendistanz Mrd Lj Weltalter 0 4,6777 2,8140
H * De / c Rezessionsgeschwindigkeit vrec Weltalter 0c 2,1682c 0,2235c
Abkürzungen / Konstanten / Kommentare

Mrd = Milliarde(n); Lj = Lichtjahr(e); pc = Parsec; Mpc = Megaparsec
1 pc = 3,261563776944 Lj; c= 299792,458 km/s (Lichtgeschwindigkeit)
Vom Kosmologie-Rechner bereitgestellt. Rest gemäß erster Spalte berechnet.
Der Skalenfaktor ist dimensionslos und für den heutigen Zeitpunkt auf 1 normiert.
Die Rezessionsgeschwindigkeit berechnet sich als Produkt von Hubble-Parameter und Eigendistanz. Rechnet man mit der Eigendistanz in Mpc, so heben sich im Produkt mit H die beiden Mpc-Terme auf, und das Ergebnis ist in km/s. Durch c wird abschließend geteilt, damit man das Ergebnis als Vielfaches von c schreiben kann.
Weitere vom ICRAR-Kosmologie-Rechner verwendete Werte: ΩR=0.00009150327; ΩΛ=1-ΩRm.

Schnittpunkt zwischen Photonen-Weltlinie und Hubble-Sphäre

Der Schnittpunkt wird bei einem Weltalter von ti=4,05 Milliarden Jahren (entsprechend einer Rotverschiebung von zi=1,596) angenommen. Die zugeordnete maximale Eigendistanz di zwischen der Weltlinie der Milchstraße und der Photonen-Weltlinie beträgt 5,85 Milliarden Lichtjahre. Die Rezessionsgeschwindigkeit vreci von potentiellen Galaxien im Schnittpunkt beträgt 1,000c. (Der Index i steht für engl. intersection.) Die Rotverschiebung von zi=1,596 ist übrigens genau jener Wert, bei dem unter den Parametern von Planck15 die Winkeldurchmesser-Entfernung ihren maximalen Wert, nämlich di=5,85 Milliarden Lichtjahre, annimmt.

Pekuliarbewegungen

Die theoretischen Berechnungen basieren allein auf der Expansion des Universums. Gravitativ bedingte Pekuliarbewegungen werden nicht erfasst. Allerdings sind diese Pekuliarbewegungen einschließlich der damit verbundenen Korrektur der Rezessionsgeschwindigkeiten für große Entfernungen - wie sie hier für SPT0418-47 und die als Gravitationslinse dienende Galaxie behandelt werden - vernachlässigbar.

Allerdings stand die Milchstraße zu den erwähnten Emissionszeitpunkten bei der Berücksichtigung von Pekuliarbewegungen über 12,4 bzw. 3,2 Milliarden Jahre mit unbekannter Abweichung nicht auf der (z=0)-Weltlinie. Man kann die durch Pekuliarbewegungen bedingte Ungenauigkeit bei der Definition der Weltlinie der Milchstraße vermeiden, indem man anstatt dessen definiert, dass die (z=0)-Weltlinie die Weltlinie eines im Hubble-Flow treibenden Beobachters beschreibt, dessen heutiger Ort in der Milchstraße (z.B. auf der Erde) gelegen ist. Die im obigen Text oft erwähnte Entfernung zur Milchstraße zu einem bestimmten Zeitpunkt nach dem Urknall muss dann in die Entfernung zu diesem Beobachter zum gegebenen Zeitpunkt uminterpretiert werden.

Bemerkungen zur Terminologie und den zugrundeliegenden kosmologischen Eigenschaften

Entfernte Galaxien und ihre Weltlinien werden durch jene Rotverschiebung identifiziert, unter der die Galaxie heute sichtbar ist, also zum Beispiel z=4.2248 für SPT0418-47 und (z=4,2248)-Weltlinie für die Weltlinie von SPT0418-47. Die Weltlinie der ohne Rotverschiebung sichtbaren Milchstraße (genauer: eines im Hubble-Flow treibenden Beobachters, dessen heutiger Ort in der Milchstraße gelegen ist) wird entsprechend als (z=0)-Weltlinie bezeichnet. Das Licht aller Galaxien, die heute mit der gleichen Rotverschiebung (unter verschiedenen Raumwinkeln) sichtbar sind, wurde zum gleichen Zeitpunkt emittiert, und die Entfernung zum Beobachter aller dieser Galaxien war zum Emissionszeitpunkt gleich. Mehr noch: Bei Nichtberücksichtigung von Pekuliarbewegungen sind (unter der Annahme ihrer schon bestehenden und fortbestehenden Existenz) Entfernung vom Beobachter und Rezessionsgeschwindigkeit aller dieser Galaxien zu jedem Zeitpunkt in Vergangenheit und Zukunft gleich, und deren Weltlinien schneiden den Ereignishorizont zum gleichen Zeitpunkt. Zum Emissionszeitpunkt auf den Beobachter gerichtete Lichtstrahlen aller dieser Galaxien sind auf dem Mantel des Rückwärts-Lichtkegels des heutigen Zeitpunkts gelegen, alle diese Lichtstrahlen schneiden, sofern die heute sichtbaren Galaxien zum Emissionszeitpunkt außerhalb der Hubble-Sphäre gelegen waren, unter der Annahme von Planck15 die Hubble-Sphäre zum Zeitpunkt ti= Weltalter 4,05 Milliarden Jahre mit der gleichen maximalen Eigendistanz di = 5,85 Milliarden Lichtjahre (siehe umrahmten Abschnitt "Schnittpunkt zwischen Photonen-Weltlinie und Hubble-Sphäre") vom Beobachter.

Wahl der Koordinatenachsen

Als senkrechte Achse wird das Weltalter seit dem Urknall aufgeführt, wobei die Zeit im Sinne der Allgemeinen Relativitätstheorie als Eigenzeit von mit dem Hubble-Flow treibenden Beobachtern (mit synchronisierten Uhren) verstanden wird.

Aufgrund der Annahme von Homogenität und Isotropie des Universums spricht im räumlich flachen ΛCDM-Modell nichts dagegen, den zuvor erwähnten Beobachter im Ursprung eines Eigendistanz-bezogenen Koordinatensystems anzunehmen und die Koordinatenachse mit Raumwinkel NULL in Richtung des radialen Pfads zu SPT0418-47 zu wählen. Die radialen Koordinaten geben dann zugleich die physikalische (mit einem nicht dehnbaren Maßband messbare) Entfernung zum Beobachter an. Zu jedem Zeitpunkt der kosmischen Zeit beschreibt die radiale Koordinate den mitbewegten Abstand dieser Koordinate vom Beobachter, multipliziert mit dem (nur von der kosmischen Zeit abhängigen) Skalenfaktor des jeweiligen Zeitpunkts. Die Weltlinien von SPT0418-47 und der Gravitationslinse sowie die lichtartige Geodäte von SPT0418-47 zum Beobachter sind sämtlich auf der Koordinatenachse gelegen.

Aktualisiertes Modell mit H0 = 67,4 km s−1 Mpc−1, Ωm = 0,315, ΛCDM (Planck18)
Variable z=0 z=4,2248 z=0,263
Weltalter Mrd Jahre 13,7907 1,4361 10,6124
Eigendistanz Mrd Lj heute (= mitbewegte Distanz) 0 24,4073 3,5703
Rezessionsgeschwindigkeit vrec heute 0c 1,6824c 0,2461c
Hubble-Parameter km s−1 Mpc−1 67,4 455,545 77,4300
Eigendistanz Mrd Lj Weltalter 0 4,6714 2,8269
Rezessionsgeschwindigkeit vrec Weltalter 0c 2,1763c 0,2239c
Abkürzungen / Konstanten / Kommentare

Mrd = Milliarde(n); Lj = Lichtjahr(e); Mpc = Megaparsec; c= 299792,458 km/s (Lichtgeschwindigkeit)
Ergebnisse ermittelt via WELTTABELLEN - Weltlinien des Standardmodells der Kosmologie (ΛCDM-Modell) in Tabellenform Weitere von WELTTABELLEN verwendete Werte: ΩR=0,00009210 (berechnet via Stefan-Boltzmann-Konstante); ΩΛ=1-ΩRm.

Schnittpunkt zwischen Photonen-Weltlinie und Hubble-Sphäre

Der Schnittpunkt wird bei einem Weltalter von ti=4,0534 Milliarden Jahren (entsprechend einer Rotverschiebung von zi=1,5876) angenommen. Die zugeordnete maximale Eigendistanz di zwischen der Weltlinie des Beobachters und der Photonen-Weltlinie beträgt 5,8514 Milliarden Lichtjahre.

Schnittpunkt zwischen der Weltlinie der Galaxie SPT0418-47 und dem Ereignishorizont

Die Weltlinie der Galaxie SPT0418-47 schneidet den Ereignishorizont tEH=7,7083941 Mrd. Jahre nach dem Urknall. Die Eigendistanz dEH am Schnittpunkt beträgt 14,9805 Mrd. Lichtjahre.

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Kurzbeschreibungen

Für Galaxie SPT0418-47 relevante Weltlinien

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