Die Position des genauen Zentrums des beobachtbaren Universums

Zu der Zeit, als ich diese Antwort schrieb, weisen andere Antworten darauf hin, dass das Universum kein einzigartiges Zentrum hat, aber ich nehme an, dass Sie dies wissen und nach etwas anderem fragen. Ich denke, Sie fragen danach, wie sich das beobachtbare Universum auf den gesamten Kosmos bezieht (den wir nicht vollständig beobachten können) und ob es von Ihrem Bewegungszustand abhängt.

Das "beobachtbare Universum" wird normalerweise als jene physikalischen Dinge (wie Galaxien) definiert, deren Weltlinien den vergangenen Lichtkegel des betreffenden Beobachters schneiden. Nach dieser Definition befindet sich jeder Beobachter im Zentrum dessen, was das "beobachtbare Universum" für ihn ist. Beobachter, die weit genug voneinander entfernt sind, haben unterschiedliche vergangene Lichtkegel und finden daher verschiedene Teile des gesamten Kosmos beobachtbar. (Diese Aussage geht davon aus, dass der gesamte Kosmos größer ist als der von irgendjemand beobachtbare Teil; dies ist nicht unbedingt der Fall, aber es ist ein vernünftiger Ausgangspunkt, um über Kosmologie nachzudenken, und es scheint wahrscheinlich richtig zu sein.)

Du befindest dich im Zentrum deines beobachtbaren Universums und ich befinde mich im Zentrum meines Universums.

Die Frage lautet, ob das beobachtbare Universum (für Sie) ein anderer Teil des gesamten Kosmos wäre, wenn Sie eine andere Bewegung hätten. Die Antwort ist nein, denn Ihr vergangener Lichtkegel hängt nicht von Ihrem Bewegungszustand ab. Indem Sie sich jedoch schnell bewegen, können Sie beginnen, verschiedene Teile des Kosmos zu erkunden, und während Sie sich bewegen, bewegt sich Ihr vergangener Kegel. Nachdem Sie sich eine Weile schnell bewegt haben, wird Ihr beobachtbares Universum dann ein anderer Teil des Kosmos sein als Ihr heutiges beobachtbares Universum.

Ja, per Definition befinden Sie sich genau im Zentrum Ihres beobachtbaren Universums ohne Fehler. Beachten Sie jedoch, dass dieses Zentrum einige Meilen vom Zentrum meines beobachtbaren Universums entfernt ist.

Tatsächlich nehmen wir die von Ihnen vorgeschlagene Messung zumindest irgendwie vor. Durch die Messung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds beobachten wir Licht aus allen Richtungen, das gleichzeitig emittiert wurde.

(Das selbst bedeutet nicht unbedingt, dass es die gleiche Entfernung zurückgelegt hat, aber in unserem kosmologischen Standardmodell sind diese beiden Begriffe gleich; auf jeden Fall glaube ich, dass sich der Geist der Frage nicht um diese Subtilität kümmert.)

Was wir feststellen, ist, dass der CMB nicht in allen Richtungen gleich ist, sondern dass es einen starken Dipol gibt. Das heißt, nachdem Sie die durchschnittliche CMB-Temperatur subtrahiert und eine Gesamthimmelskarte des Residuums erstellt haben, sieht es so aus (in galaktischen Koordinaten, Bild vom COBE-Satelliten):

Die Standarderklärung ist, dass dieser Dipol von der Tatsache herrührt, dass wir mit unserer Erde eine signifikante Eigenbewegung durch das Universum haben, die diese beobachtete Dopplerverschiebung verursacht.

Jetzt kann Ihre Frage umformuliert werden: Wenn Sie die Eigenbewegung der Erde durch das hintergrundgemittelte Universum auf andere Weise messen, dann können Sie aus der entsprechenden Dopplerverschiebung den erwarteten Dipol auf dem CMB berechnen. Was ich behaupte, ist, dass dieser berechnete Dipol genau das ist, was wir beobachten, oder mit anderen Worten, dass die Eigenbewegung in Ihrem Gedankenexperiment tatsächlich existiert, aber keine Auswirkung auf die (schlussfolgernde) Isotropie des beobachtbaren Universums hat. Ihre erste Frage ist also mit „Ja“, die zweite mit „Nein“ zu beantworten.

Seltsamerweise wissen wir das aber noch nicht genau! Siehe dieses Papier für Details, zusammen mit der Vorhersage, dass bevorstehende Beobachtungen mit SKA diese Vorhersage und damit unser kosmologisches Standardmodell bestätigen können. Ich werde mein Bier für diese Antwort abholen, sobald SKA dieses Ergebnis veröffentlicht hat;)

Nehmen Sie einen idealen Ballon, bevor Sie ihn aufblasen, sein Zentrum bei (0,0,0) und seine gesamte Masse vor dem Aufblasen dort sitzen (Gedankenexperiment). Blasen Sie es bei (0,0,0) zu einer sphärischen Oberfläche auf, einer idealen Kugel mit einem Radius r. Alle Punkte auf der Oberfläche waren zum Zeitpunkt 0 vor dem Aufblasen des Ballons bei (0,0,0). Es gibt keinen Mittelpunkt auf der Oberfläche des Ballons, alle Punkte sind gleichwertig.

Es ist das zweidimensionale Analogon des Urknall-Modells , des aktuellen Modells der Kosmologie, das drei Raumdimensionen und eine Zeitdimension hat, ausgedrückt in vier Vektoren. . Die Hypothese, dass das Universum vor 13,8 Milliarden Jahren von einer Singularität aus zu expandieren begann, passt gut zu allen gegenwärtigen Beobachtungen, und so befanden sich alle gegenwärtigen Punkte des Universums an diesem ursprünglichen Expansionspunkt und können als Zentrum des beobachtbaren Universums betrachtet werden.

Edit nach Kommentar:

Wenn ich gleichzeitig in alle Richtungen die Entfernung zum Rand des beobachtbaren Universums (nicht: des physikalischen Universums) genau messen würde

Da es in der Ballonanalogie keine einzelne Kante gibt, würde jeder zweidimensionale Beobachter die gleiche Entfernung auf der Oberfläche seines beobachtbaren Universums messen (unabhängig von den Instrumenten des Beobachters). Da sich alle unsere gegenwärtigen Punkte am Urknallpunkt befanden (unter der Annahme, dass das Modell zuverlässig ist), wäre auf analoge Weise keine Kante zu finden, die über die Empfindlichkeit unserer Instrumente hinausgeht. Mit denselben Instrumenten würde von allen dieselbe Entfernung gemessen Punkte unseres beobachtbaren Universums.

Würde es einen Unterschied machen, wenn ich in Bezug auf einen Punkt im Universum fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt würde?

Solange die Lorentz-Transformation in unserem beobachtbaren Universum strikt gilt, nein.

Da hat Anna V genau recht. Hier ist eine andere Denkweise, die eine zusätzliche Hilfe sein könnte.

Wenn der Urknall wahr ist (viele Beweise deuten darauf hin), aber das Universum hatte ein Zentrum, dann würde dieser Punkt den Ursprungspunkt des Urknalls darstellen. Das bedeutet, dass der kosmische Mikrowellenhintergrund nicht jenseits der entferntesten Galaxien zu entstehen scheint, die wir in alle Richtungen erkennen können, sondern von diesem einen Punkt auszugehen scheint (oder von einer Region im Weltraum, die so groß ist wie das Universum, als die Rekombination stattfand).

Das bedeutet, dass wir, wenn wir in diese spezielle Richtung schauen, in unsere Vergangenheit schauen würden – und wenn wir von dieser Richtung wegschauen, würden wir keinen Mikrowellenhintergrund sehen, weil die Mikrowellen nicht von dort kommen würden.

Wie könnten wir nun beweisen, dass das Universum ein Zentrum hat, und es dann im Weltraum lokalisieren? Eine Möglichkeit, wie Sie vorschlagen, wäre, den Abstand zum "Rand" (was auch immer das sein würde) in alle Richtungen zu messen und dann mithilfe der Geometrie zu bestimmen, wo sich das tatsächliche Zentrum befand.

Aber eine andere Möglichkeit wäre, einen Zauberstab zu haben, der uns sagt, wie schnell wir uns relativ zum Zentrum bewegen, und diesen dann in alle verschiedenen Richtungen zeigt. Diese unterschiedlichen Richtungen würden dann alle auf das wahre Zentrum des Universums zeigen, das übrigens mit der oben beschriebenen Mikrowellenquelle zusammenfallen würde.

Aber leider schließt die spezielle Relativitätstheorie die Existenz eines solchen Geräts aus, mit dem wir feststellen könnten, ob wir relativ zu einem sich bewegenden Objekt stillstehen oder ob es stillsteht und wir uns relativ dazu bewegen.

Wenn das Universum unendlich ausgedehnt ist, kann es weder einen Mittelpunkt der von der Erde aus beobachtbaren Region noch einen Mittelpunkt des gesamten Universums geben.

Wenn das Universum endlich, kugelförmig ist und sich in alle Richtungen gleichmäßig ausdehnt, dann kann es theoretisch ein Zentrum des gesamten Universums geben, aber kein Zentrum der von der Erde aus beobachtbaren Region.