Wieso beschleunigte Expansion im All?

Yochen

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Hallo,

bin neu im Forum :) und mir ist unklar, wieso das Universum beschleunigt expandieren soll.

Bei sehr weit entfernten Sternen mit starker Rotverschiebung findet man, daß sie eine größere Entfernung haben, als ihnen aufgrund der Rotverschiebung zustehen würde.
Wie in diesem Artikel: Der Knall wird immer schneller
am Beispiel von Supernoven vom Typ Ia als "Standardkerzen".
Deshalb wird das Modell einer beschleunigten Expansion angenommen, also eine dunkle Energie zieht die Sterne schneller nach außen, also nimmt die Geschwindigkeit überproportional mit der Entfernung zu. Richtig ?

Es müßte aber genau das Gegenteil sein, wie folgendes Beispiel zeigt:

Betrachten wir 4 Radfahrer, die alle zum selben Zeitpunkt vom selben Ort abfahren (so wie Materie beim Urknall).
Alle Radler fahren eine Stunde (Zeitpunkt der Beobachtung).

Radler 1: fährt konstant mit v = 10 km/h, a = 0.
Radler 2: fährt konstant mit v = 20 km/h, a = 0.
Radler 3: startet mit v = 10 km/h und beschleunigt konstant in t = 1 h auf 20 km/h: a = 10 km/h^2.
Radler 4: startet mit v = 20 km/h und verzögert konstant in t = 1 h auf 10 km/h: a = -10 km/h^2.

Mit der einfachen Formel: s = v * t + a/2 * t * t
ergeben sich nach 1 h folgende Werte:
Radler: . . . . 1 .2 .3 .4
Strecke in km: 10 20 15 15
Tempo in km/h: 10 20 20 10

Radler 1 und 2 folgen der Hubble-Konstante.

Radler 2 und 3 haben dieselbe "Rotverschiebung", da sie mit 20 km/h gleich schnell sind. Radler 3, der konstant beschleunigt, ist aber NÄHER als erwartet! 15 anstatt 20 km. Das heißt, wenn die Sterne im All beschleunigt expandieren, sollten sie näher sein, als ihre Rotverschiebung vermuten läßt. Sie hatten ja vorher eine geringere Geschwindigkeit, können also noch nicht so weit gekommen sein, als wenn sie die jetzige Geschwindigkeit von Anfang an gehabt hätten.

Im Gegensatz dazu:
Radler 1 und 4 haben auch dieselbe "Rotverschiebung", beide mit 10 km/h. Radler 4 ist aber WEITER weg als erwartet! 15 anstatt 10 km. Das heißt, wenn sich die Expansion der Sterne mit der Zeit verlangsamt, sollten sie weiter weg sein als ihre Rotverschiebung vermuten läßt. Und genau das wird ja auch beobachtet! Die zusätzliche Entfernung können sie ja nur durch eine frühere, höhere Geschwindigkeit erreicht haben.

Somit sollten die Beobachtungen eine Abnahme der Expansionsgeschwindigkeit der Sterne beschreiben.

Also wie kommt man jetzt auf eine sich beschleunigende anstatt eine sich verzögernde Expansion?

Bin gespannt,
Yochen
 

mac

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Yochen

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Hallo MAC,

vielen Dank für den Link, den hab ich gelesen.

So wie ich das verstehe, geht man also davon aus, daß die kosmologische Konstante, also die Hubble-Konstante, immer auch konstant ist und eine größere Entfernung eine beschleunigte Expansion bedeutet.

Nehmen wir mal an, die heute beobachteten entfernten Ia Supernovas waren früher noch schneller und wurden, z.B. durch Gravitationskräfte, auf den heutigen Wert ihrer Rotverschiebung verlangsamt. Auch dann wären sie weiter entfernt als nach der Hubble-Konstante berechnet. Würde man dann nicht dasselbe beobachten wie heute?

Oder anders gefragt:
Wie müßten denn die Beobachtungs-Ergebnisse sein, die ein Modell der Verlangsamung entfernter Sterne unterstützen würden, ohne eine beschleunigte Expansion anzunehmen?

Herzliche Grüße,
Yochen
 

Orbit

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Hallo Yochen
...daß die kosmologische Konstante, also die Hubble-Konstante, immer auch konstant ist und eine größere Entfernung eine beschleunigte Expansion bedeutet.
Die Hubble-Konstante (H) und die Kosmologische Konstante (Omega Lambda) sind zwei verschiedene Dinge.
H ist nach dem Standardmodell nur bis zu einer Entfernung von etwas 450 Millionen Lichtjahren konstant. Sie gibt, wie schnell sich gravitativ gebundene Systeme von einander entfernen. Diese Geschwindigkeit nimmt proportional zur Entfernung konstant zu. Allerdings gilt diese konstante Zunahme ab 450E6 LJ nicht mehr.
Omega Lambda ist ein konstanter Dichteparameter. Man nimmt an, dass er ca. 0,7 sei, was bedeutet, dass das Universum aus 70% (neuere Berechnungen ergeben einen etwas höheren Wert) Dunkler Eneregie bestehe, die für die beschleunigte Expansion des Universums verantwortlich sei.

Vielleicht müsstest Du nun Deine restlichen Fragen nochmals neu formulieren.

Gruss Orbit
 

jonas

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In dem Zusammenhang hätte ich auch mal eine Frage: Bis zu welcher Entfernung kann man eigentlich eine SN1A noch messen und sie zum direkten Vergleich mit der Rotverschiebung noch heranziehen? Geht das bis zum Rand des sichtbaren Universums, oder ist bereits lange vorher eine Grenze, ab der die Messungenauigkeit zu gross wird?
 

komet007

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H ist nach dem Standardmodell nur bis zu einer Entfernung von etwas 450 Millionen Lichtjahren konstant.

Hallo Orbit

wie kommst du auf 450 Mio LJ?
H(0) ist bis zu einer Entfernung von 400 Mpc, also ca 1,3 Mrd. LJ konstant und hat mit gravitativ gebundenen Systemen überhaupt nichts zu tun.

Gruß
 

komet007

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In dem Zusammenhang hätte ich auch mal eine Frage: Bis zu welcher Entfernung kann man eigentlich eine SN1A noch messen und sie zum direkten Vergleich mit der Rotverschiebung noch heranziehen? Geht das bis zum Rand des sichtbaren Universums, oder ist bereits lange vorher eine Grenze, ab der die Messungenauigkeit zu gross wird?


Hallo Jonas

die optische Grenze liegt derzeit bei 9 Mrd. LJ.

Gruß
 

Bewegt

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Hallo Bewegt

ich denke, dass du darauf auch keine plausible Antwort erhalten wirst.

Wieso, nach der Urknalltheorie soll es so passiert sein, wenn es nicht erklärt werden kann, wäre das meiner Ansicht nach eine gravierende Schwäche der Theorie des BigBang. Hat es Schwerkraft nach der Urknalltheorie damals noch nicht gegeben?
 

komet007

Registriertes Mitglied
Wieso, nach der Urknalltheorie soll es so passiert sein, wenn es nicht erklärt werden kann, wäre das meiner Ansicht nach eine gravierende Schwäche der Theorie des BigBang. Hat es Schwerkraft nach der Urknalltheorie damals noch nicht gegeben?

Das Standardmodell erklärt das Abbremsen der Inflation damit, dass sich die Gravitation früher von den anderen drei Elementarkräften abgespaltet hat und somit das Universum am Zerrreissen hinderte.
 

komet007

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Das größte Problem des Inflationsmodells ist es allerdings, die Kosmologische Konstante zu erklären.
 

Orbit

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Hallo komet007
Schön auch wieder mal etwas von Dir zu hören!
H(0) ist bis zu einer Entfernung von 400 Mpc, also ca 1,3 Mrd. LJ konstant...
Klar. Hab mich doppelt vergaloppiert: Erstens habe ich LJ anstatt Mpc geschrieben und zweitens haben sich 50 mehr eingeschlichen, was insgesamt zu diesem Faktor 1/3 führte. Besten Dank für die Korrektur und sorry!
... und hat mit gravitativ gebundenen Systemen überhaupt nichts zu tun.
Ja. Das meine ich auch, wenn ich schreibe
Sie gibt, wie schnell sich gravitativ gebundene Systeme von einander entfernen.
Ich habe ja nicht geschrieben,
"wie schnell sich Sterne innerhalb von gebundenen Systemen entfernen".

Wenn Du nun aber schreibst
die optische Grenze liegt derzeit bei 9 Mrd. LJ.
muss ich Dich fragen, wie Du darauf kommst. Hat man nicht Quasare in über 12 Mrd. LJ Entfernung beobachtet?

Herzliche Grüsse
Orbit
 

komet007

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muss ich Dich fragen, wie Du darauf kommst. Hat man nicht Quasare in über 12 Mrd. LJ Entfernung beobachtet?

Hallo Orbit

Jonas fragte danach, bis in welche Entfernungen sich SN1A beobachten lassen. Hierbei müssen zwei Faktoren berücksichtigt werden:
Zum einen die Leuchtkraftentfernung und zum andern die Rotverschiebung.
Zuverlässige Daten bekommt man daher derzeit nur bis zu einer Entfernung von neun Mrd. Lichtjahren geliefert. Trotzdem finde ich es erstaunlich, dass sich auf derartigen Distanzen noch zuverlässige Aussagen treffen lassen, die allerdings nicht ganz unumstritten sind.
Um allerdings die Entfernung von AGNs in über 10 Mrd. LJ zu bestimmen, ist allerdings die Hilfe von Gravitationslinsen erforderlich.

Schön auch wieder mal etwas von Dir zu hören!

Derzeit habe ich mich mehr auf einen Beobachtungsposten zurückgezogen, was allerdings nicht heisst, dass ich Eure Beiträge nicht aufmerksam verfolge. Die Diskussion zwischen dir und Mac bzgl. des Urknallmodells fand ich übrigens sehr aufschlussreich.
Wie sich allerdings in diesem Thread wieder zeigt, hat das Standardmodell, was die Inflationsphase betrifft, gravierenden Erklärungsbedarf und entspricht meiner Auffassung nach nicht der Realität.
Wenn man den reinen Logikweg bis zurück zum Urknall geht, landet man vielleicht bei einem unendlich dichten und heißen Zustand, den fordert allerdings nur das Standardmodell der Elementarteilchen. Dabei stellt sich immer noch die grundlegende Frage: Woher kam die gesamte Energie, aus einem winzigen "Uratom"? Blödsinn!
Gerade hier eröffnet die Stringtheorie völlig neue und plausible Erklärungsmöglichkeiten, da sie von einem Grundenergiezustand ausgeht, der die Basis des "Urknalls" bildete und schon immer da war.

schönes Wochenende
 

Yochen

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Hallo Orbit,

Die Hubble-Konstante (H) und die Kosmologische Konstante (Omega Lambda) sind zwei verschiedene Dinge.

Du hast Recht, da hab ich was verwechselt. Sowas kommt halt mal vor, wenn man sich neu mit einem Thema beschäftigt ;)

Das ist aber unabhängig von meiner ursprünglichen Frage, die ich nochmal versuche klarer zu formulieren.

Annahme des Modells:
Weit entfernte Materie (meßbar durch Ia Supernovas) hatte kurz nach dem Urknall eine noch höhere Geschwindigkeit.
Bis zum Zeitpunkt heutiger Messungen wurde die Geschwindigkeit dieser Materie durch ausschließlich anziehende Kräfte in Richtung Schwerpunkt des Universums verlangsamt.
Somit wäre diese langsamer gewordene Materie weiter entfernt als Materie, die schon immer die heute gemessene Geschwindigkeit (Rotverschiebung) gehabt hätte.
Folglich würde dieses Modell erklären, warum entfernte Ia Supernovas weiter weg sind als erwartet.

Nun meine Fragen:
Was oder welche Beobachtung spricht gegen dieses Modell ?
Wurde so ein Modell schon mal irgendwo diskutiert ?

Klar, ein Modell ist immer nur so gut, wie viel damit erklärt werden kann.
Deshalb interessiert mich natürlich, welche Beobachtungen mit diesem Modell nicht erklärt werden können.

Gruß Yochen
 

komet007

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Weit entfernte Materie (meßbar durch Ia Supernovas) hatte kurz nach dem Urknall eine noch höhere Geschwindigkeit.
Bis zum Zeitpunkt heutiger Messungen wurde die Geschwindigkeit dieser Materie durch ausschließlich anziehende Kräfte in Richtung Schwerpunkt des Universums verlangsamt.
Somit wäre diese langsamer gewordene Materie weiter entfernt als Materie, die schon immer die heute gemessene Geschwindigkeit (Rotverschiebung) gehabt hätte.
Folglich würde dieses Modell erklären, warum entfernte Ia Supernovas weiter weg sind als erwartet.

Hallo Yochen

ich glaube du bringst hier etwas durcheinander. Die Materie selbst hat keine relavististische Eigengeschwindigkeit, ausser die innerhalb ihres Galaxienhaufens, das war auch bereit nach dem Urknall oder einer möglichen Inflation so. Alles ausserhalb des Haufens unterliegt der Raumdehnung. Wie sich aufgrund von SN1A Analysen ergibt, ist die Expansionsrate des Universums seit mindestens neun Mrd. Jahre konstant, möglicherweise sogar schon seit dem Urknall, aber das ist noch spekulativ, solange man keine alternative Methode zur Entfernungsbestimmung entwickelt hat, um noch weiter zu blicken. Das dürfte allerdings sehr schwierig sein, da wie gesagt die optische Grenze bei SN1A bisher erreicht ist.

Gruß
 

Orbit

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Hallo komet007 (Habe übrigens vorgestern Abend einen Bondfilm gesehen und dabei an Dich und unsere ersten Scharmützel in diesem Forum gedacht ;-))
die optische Grenze liegt derzeit bei 9 Mrd. LJ.
Ich verstehe jetzt, wie Du das meinst. Danke.
Das Problem Anfangssingularität ist halt eine Folge davon, dass sich Quantentheorie und ART immer noch nicht gefunden haben. Ob die Stringtheorie dieses Problem lösen wird?
...da sie von einem Grundenergiezustand ausgeht, der die Basis des "Urknalls" bildete und schon immer da war.
Könntest Du das noch etwas ausführen?

Herzliche Grüsse
Orbit
 

komet007

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Orbit

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Hallo Yochen

Ich finde es gut, dass Du die Expansions-Geschwindigkeit thematisierst. Mich beschäftigt die schon lange und immer wieder. Meine Gedankenabläufe ähneln dabei dem Diskussionsverlauf in diesem Thread:
Alle möglichen Fragen schiessen einem kreuz und quer durch den Kopf. Einer kristallisiert sich heraus, erzeugt Vorstellungen, Bilder und schliesslich Simulationsfilmchen im Kopfkino. Zeichnungen werden auf ein Blatt gekritzelt, Formeln gesellen sich dazu. Es geht nicht auf, man stellt um oder verwirft gar das Ganze und beginnt von vorne. Schliesslich hat man das Filmchen geschnitten und präsentiert es in einem Forum.
Und jetzt beginnt der kollektive Schnitt. Jeder bringt seine eigenen Vorstellungen ein, die er sich aus den verschiedensten Quellen ebenfalls selbst zurecht gelegt hat. Dass er davon nur Facetten verrät, hat vielleicht damit zu tun, dass auch er nicht ganz sicher ist. Die beste Unterstützung erhält man in dieser Situation von jenen, die auf professionelle Quellen verweisen und zum vertieften Selbststudium anregen, so wie es mac tut. Professor Wrights Seite ist professionell und doch auch für Laien verständlich.
Schau vielleicht auch noch hier:
http://www.astronews.com/forum/showthread.php?t=1681
Mein Steinzeit-Mac kann's leider nicht öffnen, aber so wie ich Ich einschätze, wird seine Aufbereitung des Standardmodells weiter helfen.

Wenn ich nun noch auf einige Äusserungen direkt eingehe, tue ich das als Laie - natürlich ohne Gewähr:
Mit Velorennen hab ich's auch mal versucht. Inzwischen habe ich aber gemerkt, dass das kein geeignetes Vorstellungsmodell ist. Dein Beispiel mit den Radlern evoziert die überholte Vorstellung vom Urknall als eine Urexplosion, bei der auf die davonfliegenden Teilchen kinetische Energie übertragen wird. Dass das so nicht stimmt, hat komet007 angedeutet:
...Die Materie selbst hat keine relavististische Eigengeschwindigkeit, ausser die innerhalb ihres Galaxienhaufens, das war auch bereit nach dem Urknall oder einer möglichen Inflation so. Alles ausserhalb des Haufens unterliegt der Raumdehnung.
Eigentlich heisst das, dass die Redshift nicht wie die relativistische Dilatation, also nach
Lamda B = Lambda 0 /squart ( 1/ (1 - (v/c)^2)) gerechnet werde, die ja stets eine mit der Relativgeschwindigkeit sich verkürzende Wellenlänge ergeben würde, unabhängig davon, ob sich das Objekt auf den Beobachter zu oder von ihm weg bewegt, sondern mit der richtungsabhängigen Formel:

Lamda B = Lambda 0 * squart ( (1 + v/c)/ 1 - v/c)) bei eich entfernenden Objekten und
Lamda B = Lambda 0 * squart ( (1 - v/c)/ 1 + v/c)) bei eich nähernden Objekten.

Da man allerdings im Zusammenhang mit diesen beiden Formeln vom 'Relativistischen Doppler-Effekt' spricht, ist komets Antwort etwas verwirrlich, weil sie evoziert, dass die Berechnung der Redschift nichts mit der RT zu tun habe.

Redshift und Luminosität sind zwei Verfahren, mit welchen Distanzen zu Sternen gemessen werden. Im Falle der Supernova im Spektrum-Artikel, zu dem Du zu Beginn dieses Threads verlinkt hast, ergaben sie unterschiedliche Distanzen. Aus der Redshift kann nach der Formel
Lamda B = Lambda 0 * squart ( (1 + v/c)/ 1 - v/c)) bei eich entfernenden Objekten
die Fluchtgeschwindigkeit berechnet werden, indem man die Formel nach v auflöst.
Diese Fluchtgeschwindigkeit ist aber jene, welche die Supernova damals hatte, als das Licht emittiert wurde. Nur diese Redshift können wir messen und nur diese Fluchtgeschwindigkeit daraus berechnen. Ihre Fluchtgeschwindigkeit vor diesem Zeitpunkt werden wir nie mehr in Erfahrung bringen können; denn die Lichtstrahlen, die uns das verraten würden, haben den Ort, wo heute gemessen wird, in der Vergangenheit passiert. Theoretisch könnten wir aber durch Langzeitbeobachtung dieser Supernova nach und nach herausfinden, ob und wie sich die Fluchtgeschwindigkeit seit jenem Zeitpunkt verändert hat. Aber diese Veränderung ist so klein, dass sich nur über atsronomische Beobachtungs-Zeiträume signifikante Resultate ergäben. In menschlichen Zeiträumen wird durch Redshiftmessung nichts herauskommen.
Was tun?
Eben genau das, was Herr Perlmutter und die andern getan haben: Mit einem andrn Messverfahren die Distanz überprüfen. Stellt man nun fest, dass die SN weiter weg ist, als die Distanz, welche man aus der damaligen Fluchtgeschwindigkeit errechnet hat, dann muss sich die Supernova SEITHER beschleunigt entfernt haben.

Du siehst, Deine Frage aus der Radler-Simulation, welche Du nun nochmals auf den Punkt gebracht hast
Nehmen wir mal an, die heute beobachteten entfernten Ia Supernovas waren früher noch schneller und wurden, z.B. durch Gravitationskräfte, auf den heutigen Wert ihrer Rotverschiebung verlangsamt. Auch dann wären sie weiter entfernt als nach der Hubble-Konstante berechnet. Würde man dann nicht dasselbe beobachten wie heute?
kannst Du so gar nicht stellen; denn über die Reise der SN vor dem Zeitpunkt, an dem wir heute messen, werden wir nie etwas erfahren.

Herzliche Grüsse
Orbit
 
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