Im Dezember 2022 bestätigten Astronomen mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) die Entdeckung einer der am weitesten entfernten Galaxien, die jemals beobachtet wurden. Das schwache Radiolicht, das ALMA eingefangen hat, begann seine Reise zu uns, als das Universum weniger als 360 Millionen Jahre alt war. Es ist eine enorm weit entfernte Galaxie, aber wie weit ist sie wirklich entfernt? Die Antwort ist etwas kompliziert und hängt davon ab, was Sie mit Entfernung meinen.
Zunächst einmal können Astronomen die Entfernung von Milliarden von Lichtjahren entfernten Galaxien nicht direkt messen. Stattdessen messen sie die sogenannte Rotverschiebung oder z. In diesem Fall hat das Team eine bestimmte Wellenlänge des von Sauerstoff emittierten Lichts gemessen, das als OIII bekannt ist. Wenn wir die OIII-Emissionslinie in einem Labor hier auf der Erde beobachten, hat sie eine Wellenlänge von 88 Mikrometern. Die OIII-Linie ALMA, die in dieser speziellen Galaxie beobachtet wurde, war viel länger, etwa 1.160 Mikrometer. Da rotes Licht eine längere Wellenlänge als blaues Licht hat, sagen wir, dass die beobachtete OII-Linie ins Rote verschoben oder rotverschoben ist. Angesichts dieser beiden Zahlen ist die Berechnung von z einfach. Es ist nur die relative Rotverschiebung des beobachteten Lichts, also z = (1160 – 88)/88 = 12,2 Je größer das z, desto größer die Rotverschiebung, und z = 12,2 ist die bisher größte bestätigte Rotverschiebung einer Galaxie.
Was hat das mit Distanz zu tun? Es gibt zwei Möglichkeiten, wie das Licht einer Galaxie rotverschoben werden kann. Die erste ist als Doppler-Verschiebung bekannt und wird durch die physikalische Bewegung einer Galaxie durch den Weltraum verursacht. Sie kennen diesen Effekt wahrscheinlich aus dem Klangbereich. Wenn ein Zug an Ihnen vorbeifährt, ertönt sein Horn höher, wenn sich der Zug Ihnen nähert, und niedriger, wenn er an Ihnen vorbeifährt und davonrollt. Die Schallwellen werden gebündelt, wenn der Zug auf Sie zufährt, und haben eine höhere Tonhöhe, und sie werden gestreckt, wenn sich der Zug von Ihnen wegbewegt, also eine niedrigere Tonhöhe. Dasselbe passiert mit Licht. Wenn sich eine Galaxie auf uns zubewegt, ist ihr Licht blauverschoben, und das Licht ist rotverschoben, wenn sie sich von uns wegbewegt.
Die zweite Art, wie Rotverschiebung auftreten kann, ist die kosmische Expansion. Das Universum dehnt sich aus, und das bedeutet, wenn Licht von einer fernen Galaxie zu uns reist, wird seine Wellenlänge durch die Ausdehnung des Weltraums ausgedehnt. Je länger das Licht wandert, desto mehr wird das Licht gestreckt, also desto mehr wird das Licht rotverschoben. Dies ist als kosmologische Rotverschiebung bekannt. Bei entfernten Galaxien ist fast die gesamte Rotverschiebung, die wir beobachten, kosmologischer Natur. Daher wissen wir, dass Galaxien mit hoher Rotverschiebung wie diese sehr, sehr weit entfernt sind.
Aber das sagt uns immer noch nicht die genaue Entfernung. Um das festzustellen, müssen wir uns ansehen, wie sich das Universum im Laufe der Zeit ausdehnt. Im Moment herrscht ein wenig Unsicherheit über die Geschwindigkeit der kosmischen Expansion, die als Hubble-Parameter bekannt ist. Die Beobachtungen der Planck-Mission des kosmischen Mikrowellenhintergrunds beziffern den Wert auf etwa 68 (km/s)/Mpc, während Beobachtungen der Raumsonden Hubble und Gaia ihm einen höheren Wert von etwa 72 (km/s)/Mpc geben. Je größer der Wert, desto schneller dehnt sich das Universum aus und desto weiter entfernt sind entfernte Galaxien. Wenn wir einen mittleren Wert von 70 (km/s)/Mpc auswählen, können wir mithilfe der Allgemeinen Relativitätstheorie eine vernünftige Entfernung berechnen, aber selbst dann hängt unsere Antwort davon ab, wie wir die Entfernung definieren.
Eine Definition wäre zu fragen, wie lange das Licht von der Galaxie zu uns gereist ist. Diese ist als Lichtlaufzeit bekannt und beträgt etwa 13,1 Milliarden Jahre. Da das Universum etwa 13,46 Milliarden Jahre alt ist (basierend auf dem von uns gewählten Hubble-Parameter), bedeutet dies, dass das Licht die Galaxie verließ, als das Universum etwa 360 Millionen Jahre alt war. Diese Definition ist für Astronomen nützlich, da ferne Galaxien uns etwas über das frühe Universum verraten. Für Astronomen ist es wichtiger, den Platz einer Galaxie in der Geschichte zu kennen als ihre Entfernung.
Da das Licht 13,1 Milliarden Jahre gereist ist, bedeutet das, dass die Galaxie 13,1 Milliarden Lichtjahre entfernt ist? Nicht ganz. Aufgrund der kosmischen Expansion reiste das Licht viel länger als ohne Expansion des Universums. Die Galaxie war uns näher, als das Licht seine Reise begann. Viel näher. Wenn wir berechnen, wie weit die Galaxie vor 13,1 Milliarden Jahren von uns entfernt war, erhalten wir 2,4 Milliarden Lichtjahre. Diese Galaxie war also nur 2,4 Milliarden Lichtjahre entfernt, aber das Universum dehnte sich so stark aus, dass sein Licht 13,1 Milliarden Lichtjahre brauchte, um uns zu erreichen.
Natürlich möchten Sie wahrscheinlich wissen, wie weit die Galaxie jetzt entfernt ist. Sicher, die Galaxie war 2,4 Milliarden Lichtjahre entfernt, aber als das Licht begann, sich in unsere Richtung zu bewegen, entfernte sich die Galaxie aufgrund des sich ständig ausdehnenden Universums weiter von uns. Wo ist die Galaxie jetzt? Wenn Sie nachrechnen, stellt sich heraus, dass die Galaxie jetzt etwa 32 Milliarden Lichtjahre entfernt ist. Aber Moment mal? Wie können wir eine 32 Milliarden Lichtjahre entfernte Galaxie sehen, wenn das Universum weniger als 14 Milliarden Jahre alt ist? Die Antwort ist, dass wir es nicht können. ALMAs Blick auf die Galaxie ist so, wie sie aussah, als sie nur 2,4 Milliarden Lichtjahre entfernt war. Wir werden nie sehen können, wie die Galaxie jetzt aussieht. Es ist zu weit weg und das Universum dehnt sich zu schnell aus, als dass dieses Licht uns erreichen könnte. Wir sehen nur das optische Echo, wo es war und wie es früher aussah.
All dies ist seltsam genug, um das Gehirn eines jeden zu verknoten. Aus diesem Grund konzentrieren sich Astronomen auf die Rotverschiebung z und wir sprechen normalerweise davon, wie alt das Universum war, als das galaktische Licht seine Reise begann. Das reicht aus, um uns zu sagen, dass die Galaxie weit entfernt ist und vor langer Zeit gesehen wurde. So lange her und so weit weg, dass seine Entfernung schwer zu bestimmen ist.