Gibt es außer der Rotverschiebung noch andere Beweise für das expandierende Universum?

Ja, es gibt direkte Beweise für Expansion ohne Rotverschiebung.

Die vergangene Temperatur der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMBR) wurde direkt gemessen und als wesentlich höher als heute befunden. Die Verringerung der Temperatur im Laufe der Zeit ist ein direkter Beweis für die Ausdehnung. Hier sind die Details:

Laut diesem Papier war der CMBR in der Vergangenheit messbar heißer ( weniger technische Zusammenfassung hier ). Die Forscher beobachteten Absorptionslinien in einer Gaswolke in einer fernen Galaxie und stellten fest, dass das Muster der sichtbaren Linien nur erklärt werden konnte, wenn die CMBR-Temperatur zum Zeitpunkt der Absorption zwischen 6 K und 14 K lag (jetzt sind es 3 K). Diese Temperatur stimmt mit der erwarteten Temperatur für die Rotverschiebung dieser Galaxie (9 K) überein. Beachten Sie, dass die Temperatur anhand des spezifischen Musters der sichtbaren Linien gemessen wurde und nicht anhand der Rotverschiebung der Linien. diese Messung würde auch ohne Rotverschiebung die gleiche Temperatur ergeben. Da eine höhere Temperatur eine höhere Dichte impliziert, ist diese Abkühlung des CMBR im Laufe der Zeit ein direkter Beweis für die Expansion des Universums.

Zusätzliche Kommentare

• Welche Beziehung besteht zwischen Rotverschiebung und Absorptionslinien?

  Inspiriert von einem Gespräch mit uhoh in den Kommentaren:

  In meiner Antwort beziehe ich mich auf ein "Muster" von "Absorptionslinien". Für diejenigen, die sich mit dem Thema nicht auskennen, erlaube ich mir, es zu erklären.

  Wenn ein Licht durch eine Gaswolke scheint, werden bestimmte Lichtfrequenzen absorbiert. Wenn dieses Licht dann durch ein Prisma scheint, erscheinen die blockierten Frequenzen als schwarze Linien im Spektrum (siehe Abbildung unten). Die genauen erscheinenden Linien und ihre Positionen im Spektrum (das "Muster" der "Absorptionslinien") hängen von den im Gas vorhandenen Elementen und der Umgebung des Gases ab. Der Effekt ist am deutlichsten bei einem Licht zu sehen, das Photonen bei allen Frequenzen emittiert; Diese Art von Licht ist als Schwarzkörperstrahlung bekannt . Obwohl ein Schwarzkörperstrahler Licht bei allen Frequenzen emittiert, emittiert er das meiste Licht bei einer bestimmten Wellenlänge; Die Position dieses Peaks wird als Temperatur des schwarzen Körpers bezeichnet. Das in der Frage diskutierte CMBR ist ein Beispiel für Schwarzkörperstrahlung.

  
  ^{Quelle: Doppler Shift , Edward L. Wright
  (Ausgezeichnete Seite Übrigens, die FAQ ist einen Blick wert für weitere Informationen zu Rotverschiebungen und Kosmologie im Allgemeinen)}

  Wenn sich Licht durch den (ausdehnenden) Raum bewegt, dehnt sich seine Wellenlänge und die Wellenlängen der Absorptionslinien mit einer festen Rate für alle Frequenzen aus. Nehmen wir an, dass ein Spektrum zum Zeitpunkt der Emission/Absorption Linien bei Wellenlängen von 1, 3 und 5 nm ¹ zeigt . Nachdem die Photonen eine bestimmte Zeit lang gereist sind, scheinen sich alle Wellenlängen des Spektrums verdoppelt zu haben ² . Die Linie, die früher bei 1 nm lag, ist jetzt bei 2 nm zu sehen, die früher bei 3 nm jetzt bei 6 nm und die ursprünglich bei 5 nm jetzt bei 10 nm. Obwohl sich ihre absoluten Frequenzen mit der Zeit ändern, bleibt das Verhältnis der Wellenlängen (und Frequenzen) der Linien zueinander konstant.

  Der genaue Betrag, um den das Spektrum eines bestimmten Objekts verschoben wird, korreliert direkt mit seiner Entfernung. Wie im obigen Diagramm zu sehen ist, zeigen nahe Objekte (wie die Sonne) keine Rotverschiebung. Wenn man weiter und weiter entfernte Objekte betrachtet, sieht man eine zunehmende Rotverschiebung ³ .

  In der Diskussion in der obigen Antwort ist es dieses Muster relativer Positionen in den Linien, das von der CMBR-Temperatur zum Zeitpunkt der Absorption beeinflusst wird, und nicht der Grad, in dem die Linien verschoben wurden.

  ^{1 Technisch ausgedrückt ist dieser Punkt bei$z=0$Wo$z$gibt die Größe der Verschiebung an, positiv für Rotverschiebungen (sich entfernen) und negativ für Blauverschiebungen (annähern). Eine eingehendere Diskussion dieses Themas (einschließlich der genauen Definition von$z$) finden Sie hier .
  2 Der Punkt der Wellenlängenverdopplung (Frequenzhalbierung) liegt bei$z=1$
  3 Es sollte beachtet werden, dass sich Rotverschiebungen nicht auf genau bekannte Entfernungen beziehen, da die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt, etwas ungewiss ist. Daher beziehen sich Astronomen und Kosmologen selten auf die Entfernungen zu entfernten Objekten in absoluten Werten von, sagen wir, Lichtjahren oder Parsecs , sondern ziehen es vor, den Betrag der beobachteten Rotverschiebung (die$z$oben erwähnt).}

  Der Mechanismus hinter der Rotverschiebung ist nicht, dass sich die Photonen selbst verändern, sondern dass der Raum, durch den sich die elektromagnetischen Wellen bewegen, sich ausdehnt. (Photonen sind sowohl Teilchen als auch Wellen; nein, es ist nicht gerade intuitiv.) Diese ständige Ausdehnung des Raums dehnt die Wellenlänge des Lichts aus, was sowohl den Effekt der Rotverschiebung als auch die Zunahme der Rotverschiebung eines bestimmten Photons im Laufe der Zeit hervorruft.

  
  Douglas Hofstadter, CC A-SA 3.0
   

• In welcher Beziehung steht die Rotverschiebung zum CMBR?

  In den Kommentaren fragte Alchimista: "Ist CMBR nicht sowieso die Quintessenz der Rotverschiebung?" (Ich gehe davon aus, dass Sie die allgemeine und nicht kosmologische Bedeutung von "Quintessenz"
  verwenden )

  Ja, die aktuelle CMBR-Temperatur (3 K) ist allgemein anerkannt, dass sie das Ergebnis relativ hochenergetischer Photonen (3000 K) ist, die etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall emittiert wurden und deren Wellenlängen im Laufe der Zeit durch die Expansion des Universums in Richtung gestreckt wurden das rote (dh kühlere oder energieärmere) Ende des Spektrums. Diese Erweiterung wurde von Hubble et al. aus der Beobachtung, dass kleinere und dunklere Galaxien (von der Erde aus gesehen) eine größere Verschiebung in ihren Spektren aufweisen. Je weiter der scheinbare Abstand ist, desto größer ist die beobachtete Verschiebung. Unter Verwendung dieser offensichtlichen entfernungskorrelierten Rotverschiebung können wir schlussfolgerndass das Universum in der Vergangenheit kleiner und damit dichter mit einer höheren Temperatur für den CMBR war. Basierend auf beobachteten Rotverschiebungen entfernter Galaxien können wir dann ableiten, aber nicht direkt messen, wie hoch die CMBR-Temperatur in jeder Entfernung war.

  Was die Autoren des oben genannten Artikels taten, war eine direkte Messung der Temperatur des CMBR zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit. Die gemessene Temperatur ist höher als heute, was auf ein dichteres und damit kleineres Universum hindeutet. Die Forscher fanden außerdem heraus, dass die direkt gemessene Temperatur genau zu der passte, die aus der beobachteten Rotverschiebung der untersuchten Galaxie abgeleitet wurde.

  Kurz gesagt, die Folgerungskette wird vertauscht:

  • Zur Begründung auf Basis der Rotverschiebung:
    Zunehmende Rotverschiebung mit scheinbarer Entfernung (direkt gemessen) ⇒ Ausdehnung ⇒ Dichteres Universum in der Vergangenheit ⇒ Höhere CMBR-Temperatur in der Vergangenheit.
  • Für eine direkte Messung der vergangenen Temperatur (wie bei diesem Artikel):
    Höhere CMBR-Temperatur in der Vergangenheit (direkt gemessen) ⇒ Dichteres Universum in der Vergangenheit ⇒ Expansion ⇒ Beobachtete Rotverschiebung.
     

  Diese beiden Schlussfolgerungsketten, die auf unterschiedlichen Beweisen basieren, ergänzen und stützen sich gegenseitig.

  Eine Sache, die zu beachten ist, ist, dass der CMBR nicht durch Expansion (zumindest nicht direkt) erzeugt wurde , sondern seine Expansion, die seine aktuelle Temperatur und Gleichmäßigkeit erklärt. Nach der Urknalltheorie war das frühe Universum sehr dicht; so dicht und heiß, dass alle Materie ein Plasma aus subatomaren Teilchen war, undurchlässig für Photonen. Etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall war das Universum (durch Expansion) so weit abgekühlt, dass sich Protonen und Elektronen zu neutralem Wasserstoffgas (das transparent ist) verbinden konnten. Das CMBR ist das Licht, das zu dieser Zeit freigesetzt wurde und sich seitdem abkühlt.

Aber ist es trotzdem möglich, dass die Rotverschiebung durch unbekannte Phänomene verursacht wird und nicht durch Galaxien, die sich voneinander entfernen?

In der Geschichte wurden einige alternative Theorien vorgeschlagen, wie die Hypothese des müden Lichts , das Steady-State-Universum usw. Aber die Beobachtung schloss diese und andere Theorien aus .

Siehe auch Alternative Kosmologie

Es gibt keine anderen einigermaßen direkten Methoden, aber es gibt definitiv indirekte Methoden. Erstens, in der Antwort von @Alex Hajnal sind die weiter außen gemessenen höheren CMB-Temperaturen ein sehr schönes indirektes Maß.

Ein weiterer indirekter Beweis, den noch niemand bemerkt hat, ist, dass das Universum, je weiter wir hinausblicken, immer jünger und jünger aussieht und immer weniger dem entspricht, was wir in unserer Nachbarschaft sehen. Sie sind ziemlich gezwungen, das wissenschaftlich zu erklären, indem Sie sagen, dass das Universum ungefähr vor 10 Milliarden Jahren seinen Anfang hatte und dass sich Sterne und Galaxien erst damals zu bilden begannen. (Dies ist kein spezieller Beweis für einen Urknall, aber es eliminiert die meisten Alternativen dazu. Das Steady-State-Modell zum Beispiel ist verfälscht.) Es ist sehr, sehr schwer zu erklären, was wir sehen, außer dass es auf die Expansion eines Universums zurückzuführen ist aus einem heißen dichten Zustand ca. 10 Vor ¹⁰ Jahren.

Weitere indirekte Beweise stammen aus der Allgemeinen Relativitätstheorie, einer Theorie über Raum, Zeit und Gravitation, die sehr gut verifiziert ist – sie wird seit einem Jahrhundert getestet und von unzähligen anderen Theorien herausgefordert, und nur GR hat alle experimentellen Tests bestanden. GR sagt robust voraus, dass ein statisches Universum unmöglich ist und dass es sich entweder ausdehnen oder zusammenziehen muss. Dies ist ein indirekter Beweis aus meist lokalen Experimenten.

Noch mehr indirekte Beweise stammen aus Nukleosynthese-Berechnungen, die zeigen, dass die H/He/Li-Verhältnisse, die wir in den ältesten und am wenigsten entwickelten Sternen beobachten, genau das sind, was wir vorhersagen, basierend auf der Anwendung der gemessenen Eigenschaften von Kernen auf einen Big-Ban-Feuerball.

Es gibt so viel andere Wissenschaft als die Rotverschiebungen, die darauf hindeuten, dass sich das Universum von einem anfänglich sehr heißen, dichten Zustand aus ausdehnt, dass wir selbst ohne die Beobachtung von Rotverschiebungen schließlich zu dieser Schlussfolgerung gezwungen wären.

Zusätzlich zu den Indizienbeweisen der anderen Antworten ergibt sich eine starke Bestätigung dafür, dass sich Galaxien voneinander entfernen, durch die Tatsache, dass wir sehen, wie physikalische Prozesse – wie die Abnahmezeit für die Helligkeit von Supernovae – zunehmen, je weiter sie entfernt sind Ist. Für eine Quelle mit einer Rotverschiebung von$z$, der Betrag dieser Zeitdilatation wird als beobachtet$(1+z)$, genau in Übereinstimmung mit dem, was von der allgemeinen Relativitätstheorie in einem expandierenden Universum erwartet wird.

Das heißt, eine Supernova, die mit einer Rotverschiebung von beobachtet wird$1$Es dauert doppelt so lange, bis es als lokale Supernova untergeht.

Beachten Sie jedoch, dass dies keine Bestätigung des expandierenden Universums ist, sondern nur von Galaxien, die sich voneinander entfernen. Wenn das Universum statisch wäre, aber die Galaxien sich durch den Raum bewegen würden, würden Sie die Prozesse um denselben Faktor erweitert beobachten, wie es die spezielle Relativitätstheorie vorhersagt. Es gibt jedoch auch andere Hinweise darauf, dass sich die Galaxien nicht durch einen statischen Raum bewegen, sondern mehr oder weniger still in einem sich ausdehnenden Raum liegen.

Ja:

1. Verteilung von 1a-Supernova-Daten
2. WMAP-Messungen des CMB
3. Sloan Galactic Sky Survey (Katalog der Galaxien)

Wichtig ist, dass diese Ergebnisse nicht nur dasselbe aussagen, sondern auch miteinander korrespondieren .

OK, diese Antwort beinhaltet Rotverschiebungen, aber hör mir zu.

Unter der Allgemeinen Relativitätstheorie können mehrere Mechanismen Rotverschiebungen erzeugen: Ausdehnung des Raums, Objekte, die sich relativ zu einem Beobachter (dh uns) bewegen, und Licht, das sich gut aus der Schwerkraft bewegt. Die letztere Option liegt außerhalb des Rahmens dieser Frage und die erstere wird auf Wunsch des Fragestellers von der Prüfung ausgeschlossen. Damit bleibt nur die zweite Option (relative Bewegung, auch bekannt als relativistischer Doppler-Effekt) in Betracht; Diese Verschiebung kann (und wurde) hier auf der Erde getestet und es wurde gezeigt, dass sie existiert.

Rotverschiebung wird in allen scheinbar weit entfernten Objekten beobachtet (dunkel, geringe Metallizität usw.). Aus der Rotverschiebung der Spektren eines bestimmten Objekts können wir bestimmen, wie schnell es sich von uns entfernt. Beispielsweise ein Objekt mit einer gemessenen Rotverschiebung von$z=0.5$bewegt sich mit etwa halber Lichtgeschwindigkeit von uns weg. So weit, ist es gut. Das Problem entsteht, wenn wir Objekte mit beobachten$z>1$. Viele solcher Objekte wurden gefunden; aktueller Rekordhalter ist GN-z11 mit einer Rotverschiebung von$z=11.09$. Anders ausgedrückt, wenn nur relativistische Verschiebungen im Spiel wären, würde sich dieses Objekt mit über 11-facher Lichtgeschwindigkeit von uns entfernen.

Da kein Objekt mit Masse Lichtgeschwindigkeit erreichen kann, ist klar, dass die beobachteten Rotverschiebungen nicht durch relativistische Bewegung verursacht werden können. Da es außer den drei oben aufgeführten Mechanismen keine bekannten Mechanismen gibt, die Rotverschiebungen in den Spektren verursachen können (vergleiche Extinktion ), ist die einzige Erklärung, die zu diesen Beobachtungen passt, die Ausdehnung des Raums. Kurz gesagt, die Tatsache, dass überhaupt superluminale Rotverschiebungen beobachtet werden, ist ein Beweis dafür, dass sich der Weltraum ausdehnt.