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THEMA: Verständnisfrage zu Dunkler Energie

Verständnisfrage zu Dunkler Energie 24 Mai 2017 22:29 #14907

Als Youtube gebildeter Hobby-Astronom habe ich die Argumentation, dass es Dunkle Energie gibt, so verstanden:

Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto schneller entfernt die sich von uns, und wenn sie richtig weit weg ist, dann nimmt diese Geschwindigkeit, mit der sie sich entfernt nicht nur linear zu, sondern sogar exponentiell. Das läßt sich mit klassischer Mechanik nicht erklären, also brauchen wir eine Dunkle Energie.

Mein Verständnis des Ganzen ist: Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto länger war ihr Licht zu uns unterwegs, desto weiter schauen wir in die Vergangenheit. Also hat sich das Universum in weiter Vergangenheit schneller ausgedehnt als in näherer Vergangenheit. Das heißt für mich: die Expansionsgeschwindigkeit nimmt ab.

Das läßt sich mit der Idee eines Urknalls, der alles in Bewegung gesetzt hat, und einer Gravitation, die alles wieder zusammenzieht, vereinbaren.

Habe ich was falsch verstanden, oder das Rätsel der Dunklen Energie gelößt :P ?

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Verständnisfrage zu Dunkler Energie 25 Mai 2017 01:35 #14910

mibutec schrieb: Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto schneller entfernt die sich von uns, und wenn sie richtig weit weg ist, dann nimmt diese Geschwindigkeit, mit der sie sich entfernt nicht nur linear zu, sondern sogar exponentiell.


Das ist beinahe richtig. Präziser wäre: "Je weiter die Entfernung, desto höher die Fluchtgeschwindigkeit". Dieses Gesetz erklärt für sich genommen eine exponenzielle Ausdehnung, bei der die Fluchtgeschwindigkeit pro bisher erreichter Entfernung konstant ist.

mibutec schrieb: Mein Verständnis des Ganzen ist: Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto länger war ihr Licht zu uns unterwegs, desto weiter schauen wir in die Vergangenheit. Also hat sich das Universum in weiter Vergangenheit schneller ausgedehnt als in näherer Vergangenheit. Das heißt für mich: die Expansionsgeschwindigkeit nimmt ab.


Nein, die Schlussfolgerungen stimmen nicht. Die Lichtgeschwindigkeit ist konstant, d.h. das Licht benötigt für eine bestimmte Distanz eine gewisse Zeit. D.h. je weiter die Entfernung, desto länger war das Licht unterwegs, bevor es bei uns ankam. Also ist es vor entsprechend langer Zeit ausgesandt worden und spiegelt den Zustand des Objekts zum Zeitpunkt des Aussendens wider, und nicht den derzeitigen. Diese Tatsache ist völlig unabhängig von der kosmologischen Rotverschiebung, die etwas über die Geschwindigkeit aussagt, mit der sich die Strahlungsquelle von uns wegbewegt.

Es ist zwar richtig, dass die Expansionsrate gegenüber den "jungen Jahren" des Universums zurückgegangen ist. Neuerdings steigt sie jedoch anscheinend wieder an.

mibutec schrieb: Das läßt sich mit der Idee eines Urknalls, der alles in Bewegung gesetzt hat, und einer Gravitation, die alles wieder zusammenzieht, vereinbaren.
Habe ich was falsch verstanden, oder das Rätsel der Dunklen Energie gelößt :P ?


Die derzeitige Ausdehnungsgeschwindigkeit beträgt ca. 70km/s/megaparsec. Wenn diese Ausdehnungsgeschwindigkeit konstant wäre, würde das Gesetz (die 1. Friedmannsche Gleichung) schon eine exponenziell steigende Fluchtgeschwindigkeit jeder Galaxie von jeder anderen nahelegen.

Eine klassische Detonation hingegen hätte den Galaxien einmalig einen Impuls verpasst, seitdem müssten sie sich mit konstanter Geschwindigkeit voneinander weg bewegen, bestenfalls noch gebremst durch ihre gegenseitige Anziehungskraft. Wenn das allerdings so wäre, dann gäbe es auch einen klar erkennbaren Mittelpunkt, von alles ausgegangen wäre. Da sich Nichts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit von diesem Ausgangspunkt entfernt haben könnte, könnten wir nicht bis zur selben Entfernung in allen Raumrichtungen Strukturen ausmachen - es sei denn, wir wären genau in der MItte. Wenn wir uns allerdings genau in der Mitte befänden, dann könnte uns heute keine kosmische Hintergrundstrahlung aus den Außenbezirken des Universums mehr erreichen, da die Materie als Quelle der Strahlung sich ja mit Unterlichtgeschwindigkeit dorthin bewegt haben müsste.

Das heißt, der Urknall erklärt für sich genommen nicht die Expansion des Universums im Sinne einer Detonation. Er stellt lediglich das Ergebnis einer Rückwärtsrechnung dar, ausgehend von dem, was wir heute im Universum beobachten.

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Verständnisfrage zu der Expansion des Universums 25 Mai 2017 14:40 #14915

Hallo Reisender,

vielen Dank für deine schnelle und ausführliche Antwort. Ein paar Sachen werden mir aber noch nicht ganz klar.

Reisender schrieb: Es ist zwar richtig, dass die Expansionsrate gegenüber den "jungen Jahren" des Universums zurückgegangen ist. Neuerdings steigt sie jedoch anscheinend wieder an.

Woher weiß man das? Kann man das schon über die kurzen Zeiträume, in denen man in der Lage ist, entfernte Glaxien zu vermessen sehen, im Sinne von "Gestern hat sich die Galaxie mit 20km/s von uns wegbewegt, heute sind es 20.000000001km/s. Oha, die Expansion nimmt zu"?

Reisender schrieb: Eine klassische Detonation hingegen hätte den Galaxien einmalig einen Impuls verpasst, seitdem müssten sie sich mit konstanter Geschwindigkeit voneinander weg bewegen, bestenfalls noch gebremst durch ihre gegenseitige Anziehungskraft. Wenn das allerdings so wäre, dann gäbe es auch einen klar erkennbaren Mittelpunkt, von alles ausgegangen wäre. Da sich Nichts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit von diesem Ausgangspunkt entfernt haben könnte, könnten wir nicht bis zur selben Entfernung in allen Raumrichtungen Strukturen ausmachen - es sei denn, wir wären genau in der MItte. Wenn wir uns allerdings genau in der Mitte befänden, dann könnte uns heute keine kosmische Hintergrundstrahlung aus den Außenbezirken des Universums mehr erreichen, da die Materie als Quelle der Strahlung sich ja mit Unterlichtgeschwindigkeit dorthin bewegt haben müsste.


Da habe ich auch noch so meine Probleme mit: Also, ich sehe eine Sopernova 1a, diese leuchtet so schwach, dass ich weiß, dass diese 8 Mrd. Jahre entfernt sein muss. Also weiß ich auch, dass das Licht 8 Mrd. Jahre gebraucht hat, bis es bei mir ankommt. Da beim Urknall alles in einem Punkt konzentriert war, hätten diese Galaxie und die Milchstraße selbst bei Lichtgeschwindigkeit 8 Mrd. Jahre gebraucht, um sich so weit zu entfernen. Dann müsste das Universum mindestens 16 Mrd. Jahre alt sein. Also muss es eine Zeit gegeben haben, in der sich das Universum mit Über-Lichtgeschwindigkeit ausgedehnt hat. Ist die Inflations-Phase die Erklärung dafür?

Reisender schrieb: Das heißt, der Urknall erklärt für sich genommen nicht die Expansion des Universums im Sinne einer Detonation. Er stellt lediglich das Ergebnis einer Rückwärtsrechnung dar, ausgehend von dem, was wir heute im Universum beobachten.

Unabhängig davon, ob der Begriff "Detonation" die Bewegung der Galaxien richtig beschreibt: Ist es falsch, wenn ich mir vorstelle, dass das Universum expandiert, indem Materie und Strahlung immer weiter ins Nichts vordringen? Ich kann mir sowas leichter vorstellen, als eine Universum-Blase, die im Nicht-Denkbaren wächst.

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Verständnisfrage zu der Expansion des Universums 25 Mai 2017 15:12 #14917

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Ich glaub die Crux beim "dass das Universum expandiert, indem Materie und Strahlung immer weiter ins Nichts vordringen" ist, dass die Vorstellung, dass gewissermassen eine Universumsblase in ein Nichts hineinwächst, unterstellt, dass es eben etwas außerhalb des Universums gibt. Das Universum ist aber schon alles.

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Verständnisfrage zu der Expansion des Universums 25 Mai 2017 15:59 #14918

mibutec schrieb: Hallo Reisender,
vielen Dank für deine schnelle und ausführliche Antwort. Ein paar Sachen werden mir aber noch nicht ganz klar.

Reisender schrieb: Es ist zwar richtig, dass die Expansionsrate gegenüber den "jungen Jahren" des Universums zurückgegangen ist. Neuerdings steigt sie jedoch anscheinend wieder an.

Woher weiß man das? Kann man das schon über die kurzen Zeiträume, in denen man in der Lage ist, entfernte Glaxien zu vermessen sehen, im Sinne von "Gestern hat sich die Galaxie mit 20km/s von uns wegbewegt, heute sind es 20.000000001km/s. Oha, die Expansion nimmt zu"?


Nein, wir vergleichen nicht die Entfernungsgeschwindigkeit einer Galaxie heute vs. gestern. Sondern wir vergleichen die Rotverschiebung verschiedener Supernovae miteinander, deren Abstand wir jeweils aus ihrer scheinbaren Helligkeit ermitteln. Aus der Rotverschiebung lässt sich unmittelbar der Skalenfaktor zum Zeitpunkt der Supernova-Explosion ablesen, und aus der Helligkeit die Entfernung. Beide Werte gegeneinander aufgetragen, gemittelt über sämtliche beobachteten Supernovae, lassen den Schluss zu, dass das Weltall heute schneller expandiert als früher.

Allerdings gibt es in jüngster Zeit Zweifel an der Verlässlichkeit der Beobachtungen, vgl. hierzu www.nature.com/articles/srep35596

Außerdem unterstellen die Rechenmodelle schon im Grundsatz, dass die Entwicklung des Kosmos einer Differenzialgleichung erster Ordnung (exponenzielles Wachstum) und zweiter Ordnung (beschleunigtes Wachstum) gehorcht. Die Forscher stellen das Rechenmodell selbst überhaupt nicht in Frage. Sie versuchen lediglich aus den Daten die Parameter zu ermitteln, die am besten zu den Beobachtungen passen.

mibutec schrieb:

Reisender schrieb: Eine klassische Detonation hingegen hätte den Galaxien einmalig einen Impuls verpasst, seitdem müssten sie sich mit konstanter Geschwindigkeit voneinander weg bewegen, bestenfalls noch gebremst durch ihre gegenseitige Anziehungskraft. Wenn das allerdings so wäre, dann gäbe es auch einen klar erkennbaren Mittelpunkt, von alles ausgegangen wäre. Da sich Nichts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit von diesem Ausgangspunkt entfernt haben könnte, könnten wir nicht bis zur selben Entfernung in allen Raumrichtungen Strukturen ausmachen - es sei denn, wir wären genau in der MItte. Wenn wir uns allerdings genau in der Mitte befänden, dann könnte uns heute keine kosmische Hintergrundstrahlung aus den Außenbezirken des Universums mehr erreichen, da die Materie als Quelle der Strahlung sich ja mit Unterlichtgeschwindigkeit dorthin bewegt haben müsste.


Da habe ich auch noch so meine Probleme mit: Also, ich sehe eine Supernova 1a, diese leuchtet so schwach, dass ich weiß, dass diese 8 Mrd. Jahre entfernt sein muss. Also weiß ich auch, dass das Licht 8 Mrd. Jahre gebraucht hat, bis es bei mir ankommt. Da beim Urknall alles in einem Punkt konzentriert war, hätten diese Galaxie und die Milchstraße selbst bei Lichtgeschwindigkeit 8 Mrd. Jahre gebraucht, um sich so weit zu entfernen. Dann müsste das Universum mindestens 16 Mrd. Jahre alt sein. Also muss es eine Zeit gegeben haben, in der sich das Universum mit Über-Lichtgeschwindigkeit ausgedehnt hat. Ist die Inflations-Phase die Erklärung dafür?


Richtig, wenn das eine so wäre, dann müsste das andere so sein. Die Voraussetzung (nämlich, dass sich das Material, aus dem die Supernova entsteht, erstmal 8 Mrd. Jahre lang durch den Raum bewegt hat), stimmt jedoch nicht. Die Supernova, die sich vor 8 Mrd. Jahren ereignet hat, ist selbstverständlich passiert, als das Universum ca. 5.8Mrd. Jahre alt war. Damals hat sich das Licht auf den Weg gemacht. Basierend auf der damaligen Entfernung zwischen dem Ort der Supernova und uns hätte das Licht vielleicht 5 Mrd. Jahre unterwegs sein müssen, um uns zu erreichen. Aus heutiger Sicht sind die Abstände jedoch gewachsen, vielleicht auf einen Wert von 10 Mrd. Lichtjahren. Da das Universum expandiert, *während* das Licht unterwegs ist, benötigt das Licht für seine Reise zu uns eine Zeit, die irgendwo zwischen der Zeit liegt, die sich aus der damaligen Distanz ergeben hätte, und der Zeit, die es bei der heutigen Entfernung brauchen würde.

Wäre die Expansion des Raumes eine einfache Relativbewegung mit konstanter Geschwindigkeit, dann gäbe es keine derartige Verlängerung der Laufzeit des Lichts, denn die spezielle Relativitätstheorie besagt, dass die Vakuumlichtgeschwindigkeit unabhängig vom Bezugssystemen immer gleich c=299.792.458 m/s ist.

mibutec schrieb:

Reisender schrieb: Das heißt, der Urknall erklärt für sich genommen nicht die Expansion des Universums im Sinne einer Detonation. Er stellt lediglich das Ergebnis einer Rückwärtsrechnung dar, ausgehend von dem, was wir heute im Universum beobachten.

Unabhängig davon, ob der Begriff "Detonation" die Bewegung der Galaxien richtig beschreibt: Ist es falsch, wenn ich mir vorstelle, dass das Universum expandiert, indem Materie und Strahlung immer weiter ins Nichts vordringen? Ich kann mir sowas leichter vorstellen, als eine Universum-Blase, die im Nicht-Denkbaren wächst.


Ja. Zutreffender wäre die Vorstellung, dass zwischen den Elementarteilchen der Raum selbst "aufquillt". Das passiert nicht nur zwischen Elementarteilchen, sondern auch zwischen den Wellenbergen und -tälern der Wellenfunktionen masseloser Teilchen. Der Prozess findet dem Modell zufolge überall gleich schnell statt. Daher erhöht sich die Wellenlänge der Lichtquanten. Erhöhung der Wellenlänge bedeutet: Verringerung der Energie. Die Gesamtenergie, die in den Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung steckt, verringert sich also mit der Zeit.

Die Ruhemasse von Teilchen ändert sich jedoch nicht, d.h. die Energie, die gemäß E=mc*2 in Materie gebunden ist, wird im Verhältnis zu der Energie, die in Wellen bzw. Kraftfeldern steckt, mehr. Da sich jedoch auch die Skalen vergrößern, wird die Lichtgeschwindigkeit selbst im Verhältnis zu den Skalen geringer. Das "c" in der Formel ist also einer Art "Wertverfall" unterworfen, so dass sich am Ende doch wieder alles ausgleicht.


Allerdings verletzt dieser Umstand den Energieerhaltungssatz für geschlossene Systeme, die man über einen sehr langen Zeitraum beobachtet. Nehmen wir an, eine Maschine verwandelt Materie in Strahlung. Schickt sie auf eine lange Reise, fängt sie wieder ein, und verwandelt sie wieder zurück in Materie.

Am Ende hätte so eine Maschine, wenn sie gelaufen wäre, weniger Masse, als wenn sie nicht gelaufen wäre. Wo ist die Masse hin?

?
Folgende Benutzer bedankten sich: ClausS, mibutec

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Verständnisfrage zu Dunkler Energie 25 Mai 2017 23:16 #14928

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Reisender schrieb: Außerdem unterstellen die Rechenmodelle schon im Grundsatz, dass die Entwicklung des Kosmos einer Differenzialgleichung erster Ordnung (exponenzielles Wachstum) und zweiter Ordnung (beschleunigtes Wachstum) gehorcht.

Grundsätzlich sind die "Rechenmodelle" Friedmann-Kosmologie, also mechanische Analogie-Modelle. Einerseits kinetische Energie(Urknall, Skalenfaktor), andrerseits Potential(Energiedichte).
Wenn du einen Stein wirfst mit bestimmter kinetischer Energie, wird er ja nicht per se den Orbit verlassen und auf ewig durch das All fliegen. Vielmehr kommt es drauf an, mit wieviel Kraft du einerseits den Stein losgeworfen hast und andrerseits, wie stark das Potential der Erde dagegen arbeitet.
Folgende Benutzer bedankten sich: Reisender

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Verständnisfrage zu Dunkler Energie 26 Mai 2017 16:04 #14941

Und wieder was dazu gelernt. Danke euch allen

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