Bildnachweis: JHU
Astronomen der John Hopkins University gaben vor einigen Wochen bekannt, dass, wenn man die Farbe aller Sterne im Universum berechnet, das Ergebnis eine Aquamarinfarbe wäre. Nun, es stellte sich heraus, dass sie einen Fehler in ihrer Software hatten, der die Farben falsch zusammenmischte. Nachdem sie den Fehler beseitigt und ihre Berechnungen erneut durchgeführt hatten, wurde die durchschnittliche Farbe des gesamten Universums beige.
Welche Farbe hat das Universum? Diese scheinbar einfache Frage wurde von Astronomen nie wirklich beantwortet. Es ist schwierig, eine genaue und vollständige Zählung des gesamten Lichts im Universum durchzuführen.
Mit der 2dF Galaxy Redshift Survey – einer neuen Durchmusterung von mehr als 200.000 Galaxien, die das Licht eines großen Volumens des Universums misst – konnten wir jedoch kürzlich versuchen, diese Frage zu beantworten. Wir haben das konstruiert, was wir „das kosmische Spektrum“ nennen, das die gesamte Summe aller Energie im lokalen Volumen des Universums darstellt, die bei verschiedenen optischen Wellenlängen des Lichts emittiert wird. So sieht das kosmische Spektrum aus:
Dies ist ein Diagramm der im Universum emittierten Energie für verschiedene Lichtwellenlängen (Daten hier). Ultraviolettes und blaues Licht ist links und rotes Licht ist rechts. Dies wird konstruiert, indem alle einzelnen Spektren der einzelnen Galaxien in der 2dF-Durchmusterung addiert werden. Die Summe repräsentiert das Licht aller Sterne. Wir glauben, dass dieses Spektrum wirklich repräsentativ ist, weil die 2dF-Durchmusterung so groß ist (mit einer Reichweite von mehreren Milliarden Lichtjahren). Wir können das kosmische Spektrum auch so darstellen:
Hier haben wir die ungefähre Farbe eingegeben, die das Auge bei jeder Lichtwellenlänge sehen würde (obwohl wir unter etwa 4000 Angström, dem nahen Ultraviolett, nicht wirklich viel Licht sehen können; und streng genommen können Monitore monochromatische Farben, die Farben des Regenbogens, nicht genau darstellen). .
Sie können sich das als das vorstellen, was das Auge sehen würde, wenn wir das gesamte Licht des Universums durch ein Prisma werfen würden, um einen Regenbogen zu erzeugen. Die Intensität der Farbe ist proportional zu ihrer Intensität im Universum.
Was ist also die durchschnittliche Farbe? dh die Farbe, die ein Beobachter sehen würde, wenn er das Universum in einer Box hätte und das gesamte Licht auf einmal sehen könnte (und es bewegte sich nicht, für einen echten Beobachter auf der Erde, je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, desto mehr ist sie) Wir haben unser gesamtes Licht vor dem Kombinieren entrotverschoben).
Um diese Frage zu beantworten, müssen wir die durchschnittliche Reaktion des menschlichen Auges auf diese Farben berechnen. Wie drücken wir diese Farbe aus? Der objektivste Weg ist die Angabe der CIE x,y-Werte, die die Position der Farbe in der CIE-Farbtafel und damit den Stimulus angeben, den das Auge sehen würde. Jedes Spektrum mit dem gleichen x,y muss die gleiche wahrgenommene Farbe ergeben. Diese Zahlen sind (0,345, 0,345) und sie sind robust, wir haben sie für verschiedene Teilstichproben der 2dF-Erhebung berechnet und sie variieren unbedeutend. Wir haben sie sogar für die spektroskopische Durchmusterung von Sloan Digital Sky Survey berechnet (die 2dFGRS irgendwann im Jahr 2002 als größte Rotverschiebungsdurchmusterung überholen wird) und sie sind im Wesentlichen gleich.
Aber was ist die eigentliche Farbe? Dazu müssen wir einige Annahmen über das menschliche Sehvermögen und den Grad der Allgemeinbeleuchtung treffen. Wir müssen auch wissen, welchen Monitor Sie als Leser verwenden! Natürlich ist dies unmöglich, aber wir können eine durchschnittliche Vermutung anstellen. Hier also die Farben:
Was sind all diese Farben? Sie repräsentieren die Farbe des Universums für verschiedene Weißpunkte, die die Anpassung des menschlichen Auges an unterschiedliche Beleuchtungsarten darstellen. Wir werden unter verschiedenen Umständen unterschiedliche Farben wahrnehmen und die Art des Spektrums, das „weiß“ erscheint, wird variieren. Ein üblicher Standard ist „D65“, der dem Tageslicht (bei leicht bedecktem Himmel) nahe kommt und das Universum rötlich erscheint. „Beleuchtungsart E“ (Equal Energy White Point) ist vielleicht das, was Sie bei Dunkeladaption für Weiß sehen würden. „Leuchtmittel A“ steht für Innenbeleuchtung, im Vergleich dazu ist das Universum (und das Tageslicht) sehr blau. Außerdem zeigen wir die Farbe mit und ohne Gammakorrektur von 2,2 an, was für die Darstellung auf typischen Monitoren am besten geeignet ist. Wir stellen die lineare Datei zur Verfügung, sodass Sie bei Bedarf Ihr eigenes Gamma anwenden können.
Mit ziemlicher Sicherheit müssen Sie sich die Farbfelder mit der Bezeichnung „Gamma“ ansehen, aber nicht alle Anzeigen sind gleich, sodass Ihre Laufleistung variieren kann.
Was ist mit „Türkis“ passiert?
Wir haben einen Fehler in unserem Code gefunden! In unserer ursprünglichen Berechnung, die Sie vielleicht in der Presse gelesen haben, haben wir (nach Treu und Glauben) Software mit einem nicht standardmäßigen Weißpunkt verwendet. Vielmehr sollte ein D65-Weißpunkt verwendet werden, der jedoch nicht angewendet wurde. Das Ergebnis war ein effektiver Weißpunkt, der etwas röter ist als Leuchtmittel E (als ob einige rote Neonlichter in der Nähe wären) bei 0,365,0,335. Obwohl die XY-Werte des Universums gegenüber unserer ursprünglichen Berechnung unverändert sind, ließ die Verschiebung des Weißpunkts das Universum „türkis“ erscheinen. (d. h. x, y bleibt gleich, aber die entsprechenden effektiven RGB-Werte verschieben sich).
Unnötig zu erwähnen, dass wir seit dieser ersten Berechnung viel Korrespondenz mit Farbwissenschaftlern hatten und jetzt unsere eigene Software geschrieben haben, um einen genaueren Farbwert zu erhalten. Wir geben zu, dass die Farbe des Universums so etwas wie eine Spielerei war, um zu versuchen, unsere Geschichte über Spektren zugänglicher zu machen. Trotzdem ist es eine tatsächlich berechenbare Sache, daher glauben wir, dass es wichtig ist, es richtig zu machen.
Wir möchten darauf hinweisen, dass unsere ursprüngliche Absicht nur eine amüsante Fußnote in unserer Zeitung war, die ursprüngliche Pressegeschichte sprengte unsere kühnsten Erwartungen! Es dauerte einige Zeit, den Fehler zu erkennen und aufzuspüren. Nur eine Handvoll Farbwissenschaftler verfügten über das Fachwissen, um den Fehler zu erkennen. Eine Moral dieser Geschichte ist, dass wir dem Aspekt der „Farbwissenschaft“ mehr Aufmerksamkeit hätten schenken und auch diesen begutachten sollen.
Genug Gerede. Welche Farbe hat das Universum?
Wirklich, die Antwort ist so nah an Weiß, dass es schwer zu sagen ist. Deshalb hatte ein so kleiner Fehler eine so große Wirkung. Die häufigste Wahl für Weiß ist D65. Würde man jedoch einen Strahl des kosmischen Spektrums in einen nur von Glühbirnen (Lichtart A) stark beleuchteten Raum einbringen, würde er sehr blau erscheinen, wie oben gezeigt. Insgesamt ist Illuminant E wahrscheinlich die korrekteste, um das Universum unter dunklen Bedingungen aus der Ferne zu betrachten. Unsere neue beste Vermutung lautet also:
BEIGE
Obwohl es fraglich ist, dass es rosafarbener aussehen könnte (wie D65 oben). Viel Glück, wenn Sie den Unterschied zwischen dieser Farbe und Weiß sehen können! Sie sollten es nur sehen können, aber wenn wir den Seitenhintergrund schwarz gemacht hätten, wäre es sehr schwierig! Uns wurden zahlreiche Vorschläge für diese Farbe per E-Mail zugesandt. Wir haben eine Top-Ten-Liste und halten 'Cosmic Latte' für den Gewinner, da er koffeinvoreingenommen ist!
Eine Simulation des Universums
Aufgrund all dieser Komplexitäten haben wir uns entschieden, uns selbst davon zu überzeugen. Mark Fairchild von den Munsell Color Laboratories in Rochester, NY, arbeitet mit uns an einer Simulation des kosmischen Spektrums. Sie können Lichtquellen so steuern, dass sie genau die gleiche rote/grüne/blaue Augenstimulation wie im kosmischen Spektrum erzeugen. Wir werden dann in der Lage sein, dies unter verschiedenen Lichtverhältnissen zu sehen, vielleicht den Weltraum zu simulieren, und selbst die wahre Farbe des Universums sehen.
Die wahre Wissenschaftsgeschichte
Unser eigentliches Motiv für die Berechnung des kosmischen Spektrums war natürlich viel mehr, als diese hübschen Farbbilder zu produzieren. Die Farbe ist interessant, aber tatsächlich ist das kosmische Spektrum reich an Details und sagt uns viel mehr über die Geschichte der Sternentstehung im Universum. Sie haben vielleicht oben bemerkt, dass das kosmische Spektrum dunkle Linien und helle Bänder enthält, diese entsprechen der charakteristischen Emission und Absorption verschiedener Elemente:
Diese erinnern vielleicht an Fraunhofer-Linien im Sonnenspektrum. Genau der gleiche Prozess der Atomabsorption ist am Werk. Die Stärke der dunklen Linien wird durch die Temperaturen der Sterne bestimmt, die zum kosmischen Spektrum beitragen. Ältere Sterne haben eine kühlere Atmosphäre und produzieren andere Linien als heiße junge Sterne. Durch die Analyse des Spektrums können wir die relativen Proportionen von diesen berechnen und versuchen, daraus abzuleiten, wie hoch die Sternentstehungsrate in vergangenen Zeitaltern des Universums war. Die blutigen Details dieser Analyse sind in Baldry, Glazebrook et al. 2002. Ein einfaches Bild unserer abgeleiteten wahrscheinlichsten Geschichte der Sternentstehung im Universum ist hier gezeigt:
Alle diese Modelle geben das korrekte kosmische Spektrum in der 2dF-Durchmusterung an und alle sagen, dass die Mehrheit der Sterne im heutigen Universum vor mehr als 5 Milliarden Jahren entstanden ist. Dies impliziert natürlich, dass die Farbe des Universums in der Vergangenheit anders gewesen wäre, als es mehr heiße junge blaue Sterne gegeben hätte. Tatsächlich können wir aus unserem am besten passenden Modell berechnen, was dies wäre. Die Entwicklung der Farbe von vor 13 Milliarden Jahren bis zu 7 Milliarden Jahren in der Zukunft sieht unter unseren verschiedenen Annahmen wie folgt aus:
Das Universum begann jung und blau und wurde allmählich röter, als sich die Population der entwickelten 'roten' Riesensterne aufbaute. Die Rate der Bildung neuer Sterne ist in den letzten 6 Milliarden Jahren aufgrund des Rückgangs der Reserven an interstellarem Gas für die Bildung neuer Sterne stark zurückgegangen. Wenn die Sternentstehungsrate weiter abnimmt und mehr Sterne zu roten Riesen werden, wird die Farbe des Universums immer röter. Irgendwann werden alle Sterne verschwinden und nichts wird übrig bleiben außer schwarzen Löchern. Auch diese werden schließlich durch den Hawking-Prozess verdampfen und nichts wird übrig bleiben außer altem Licht, das sich selbst rötet, wenn sich das Universum für immer ausdehnt (im aktuellen kosmologischen Modell).
Originalquelle: Pressemitteilung der JHU
