Gravitativer Einfluss der Dunklen Materie

AdMon

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Hallo und einen wunderschönen guten Morgen!

Mich beschäftigt eine - na gut, mehrere Fragen zur gravitativen Wirkung der Dunklen Materie.
Der Theorie zufolge ist die DM ja zum einen für die sichtbaren Strukturen baryonischer Materie in Form von Galaxien verantwortlich und zum anderen für die eigentlich zu hohe Umlaufgeschwindigkeit der darin befindlichen Sterne um das galaktische Zentrum.

Da die DM ausschließlich gravitativ wirkt, ist ja davon auszugehen, dass sich das Massezentrum der DM ebenso im galaktischen Zentrum befindet und deren "Dichte" zum Rand hin abnimmt. Ist diese Vorstellung richtig?
Kann, aufgrund der rein gravitativen Wechselwirkung, davon ausgegangen werden, dass sich auch im inneren von Sternen und Planeten eine lokale Dichtekonzentration von DM befindet? Bildet DM selbst vielleicht ähnliche Strukturen aus, analog, wenn nicht sogar kongruent zu denen der sichbaren Materie?

Die eigentliche Frage ist: Wieso wirkt die DM, bezogen auf die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne um das galaktische Zentrum und bezogen auf die Umlaufgeschwindigkeit der äußeren Planeten um ihr Zentralgestirn, gravitativ so verschieden?
Müsste, unter Annahme der oben beschriebenen lokalen gravitativen Wechselwirkung, die "Masse" der DM nicht auch einen Einfluss auf die Umlaufgeschwindigkeiten der äußeren Planeten haben?

Danke für Eure Zeit!
Beste Grüße
René
 

mac

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Hallo René,

Da die DM ausschließlich gravitativ wirkt, ist ja davon auszugehen, dass sich das Massezentrum der DM ebenso im galaktischen Zentrum befindet und deren "Dichte" zum Rand hin abnimmt. Ist diese Vorstellung richtig?
Ja. Allerdings in ihrer quantitativen Verteilung nicht so, wie Du es Dir offensichtlich vorstellst.



Kann, aufgrund der rein gravitativen Wechselwirkung, davon ausgegangen werden, dass sich auch im inneren von Sternen und Planeten eine lokale Dichtekonzentration von DM befindet? Bildet DM selbst vielleicht ähnliche Strukturen aus, analog, wenn nicht sogar kongruent zu denen der sichbaren Materie?
Ja. Aber auch hier wieder nicht so, wie Du es Dir hier vorstellst.



Die eigentliche Frage ist: Wieso wirkt die DM, bezogen auf die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne um das galaktische Zentrum und bezogen auf die Umlaufgeschwindigkeit der äußeren Planeten um ihr Zentralgestirn, gravitativ so verschieden?
Wie Du schon richtig geschrieben hattest (ohne daß Dir die Konsequenzen daraus (quantitativ?) bewußt sind) ist die einzige nennenswerte Wechselwirkung von DM untereinander und mit BM die Gravitation. Daraus folgt aber, daß DM ihre kinetische Energie nicht so leicht los wird, wie BM.

Sie kann daher auch nicht in dem Ausmaß (Sterne) verklumpen wie BM.

Im galaktischen Zentrum ist der Anteil der DM höher als weiter draußen, aber er ist im galaktischen Zentrum sehr viel kleiner als der BM-Anteil. Erst weit draußen (viel weiter als die Umlaufbahn der Sonne um das galaktische Zentrum) verschiebt sich dieses Verhältnis immer mehr zu Gunsten von DM. Anders ausgedrückt: Die Entfernung bei der die Dichte (kg/Kubiklichtjahr) von DM und BM nur noch jeweils halb so dicht ist wie im galaktischen Zentrum ist für BM deutlich kleiner als für DM, so daß es weit draußen einen Abstand gibt, bei dem sich die absoluten Dichteanteile immer näher kommen und schließlich sogar umkehren.



Müsste, unter Annahme der oben beschriebenen lokalen gravitativen Wechselwirkung, die "Masse" der DM nicht auch einen Einfluss auf die Umlaufgeschwindigkeiten der äußeren Planeten haben?
Nein. Weil die Dichteverteilung von DM in unserem Abstand vom galaktischen Zentrum überall gleich ist und eine denkbare Dichtekonzentration um einen Stern viel zu klein ist, um ihn zur Zeit messtechnisch erfassen zu können.

Sterne können aus Gas entstehen, weil die Gasatome/Moleküle durch Stoß, daraus folgender Anregung und daraus folgender Emission von Licht ihre kinetische Energie relativ wirksam abbauen können. Dieser Prozess ist für DM nicht existent. DM kann nur durch gravitative Wechselwirkung kinetische Energie in sehr geringem Umfang abbauen. Daher kann DM (ähnlich wie Neutrinos) sogar Planeten und Sterne durchdringen ohne nennenswert aufgehalten zu werden. Vielleicht ähnlich wie unsere Planeten auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne, oder Satelliten auf ihrer (nicht zu nahen) Umlaufbahn um die Erde, ihre kinetische Energie auch nicht nennenswert abbauen können.

Herzliche Grüße

MAC
 
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AdMon

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Hallo MAC,

vielen Dank für Deine, wie immer, sehr hilfreiche Antwort!

Ich glaube, ich habe verstanden. Aufgrund des fehlenden Fermi-Drucks ist DM, trotz der gravitativ bedingten Tendenz zum Verklumpen, doch eher homogen verteilt. Dann erschließt sich mir der Rest. Vielen Dank! :)

Beste Grüße
René
 

mac

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Hallo René,

vielen Dank für Deine, wie immer, sehr hilfreiche Antwort!
:)



... Aufgrund des fehlenden Fermi-Drucks ...
Da man bisher keine Informationen zur DM hat, außer ihrer gravitativen Wirkung und damit auch über ihre grobe Verteilung im All, glaube ich nicht, daß man das schon so stehen lassen sollte. Abgesehen davon hätte der Fermi-Druck damit auch nichts zu tun. https://de.wikipedia.org/wiki/Entartete_Materie

Die bisher möglichen Beobachtungen und Simulationen deuten wohl darauf hin, daß sich DM schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt aus den Vorgängen die zum lokalen Druck- und Temperaturausgleich führten (eben elektromagnetische Wechselwirkungen) auskoppeln konnte und mit einer durch Gravitation geführten Strukturbildung, wohl ziemlich frei von sonstigen Einflüssen, viel eher beginnen konnte, als BM.

Sie unterlag somit einer ungestörten Abkühlung durch Expansion und wurde durch die Vorgänge die zum Strahlenmeer führten (gegenseitige ‚Vernichtung‘ von Materie und Antimaterie) nicht auf einem so hohen Temperaturniveau (relative Bewegungsgeschwindigkeit der ‚Mitglieder‘ = relative kinetische Energie der Mitglieder) gehalten, wie der bei dieser ‚Vernichtung‘ übriggebliebene Rest der Materie durch elektromagnetische Wechselwirkungen. Daher auch zu diesem Zeitpunkt ‚cold dark Matter‘.

Inzwischen ist es aber eher umgekehrt. Ein großer Teil der BM konnte kinetische Energie durch Stoß und Emission abbauen, DM dagegen nur durch gravitative Wechselwirkungen. Die mittlere Geschwindigkeit der DM ist in Galaxien höher als die mittlere Geschwindigkeit der BM, daher verteilt sich die Masse der DM über ein viel größeres Volumen, als die Masse der BM in einer Galaxis. (Mit höherer Geschwindigkeit kommt man auch weiter weg vom Gravitationszentrum)

Wenn BM nicht die Möglichkeit hätte durch Stoß und Emission kinetische Energie abzubauen, könnte sie auch nicht zu Sternen kondensieren. Das Gas würde zwar kollabieren, aber die Gaspartikel würden ihre Summe aus potentieller und kinetischer Energie nicht verlieren und daher auf der anderen Seite mit derselben Geschwindigkeit mit der sie kollabiert sind, auch wieder expandieren. Und da dabei nicht alle Beteiligten gleich schnell waren und sind, würden sie auch zu unterschiedlichen Zeiten durch den Schwerpunkt der Gaswolke hindurch fallen/ihn umrunden und somit als eine in innerer Bewegung befindliche Gaswolke erhalten bleiben, ähnlich wie es die Sterne eines Sternhaufens tun.


Nun könnte man sich fragen, wieso sie dann überhaupt Strukturen bilden konnten?

Stell Dir dazu folgendes Szenario vor: Kurz nach dem Urknall (wann, weiß bisher niemand so genau, weil eben nicht bekannt ist, aus was DM eigentlich besteht) war ein sehr, sehr geringer Teil (grob. 1/100.000.000) der vorhandenen Energie (ohne die dunkle Energie) zu DM kondensiert? Sie wird zu diesem Zeitpunkt noch sehr heiß gewesen sein also auch sehr hohe Geschwindigkeit ihrer Bestandteile gehabt haben. Das Universum expandiert (zu dieser Zeit auch auf kleinen Entfernungsskalen sehr schnell). Ein DM-Teilchen?, welches für die hiesige Umgebung eine enorm hohe kinetische Energie/Geschwindigkeit hat, erreicht schon recht bald (egal in welcher Richtung es sich bewegt) eine ‚Gegend‘ in der seine Relativgeschwindigkeit nicht mehr so hoch ist. Nach ‚kurzer‘ Zeit schon, gibt es einen Zustand, in dem sich das lokale DM-Gas? relativ stark abgekühlt hat und anfangen kann auch sehr sehr kleinen ‚lokalen‘ Dichteunterschieden durch ihre höhere Gravitation zu folgen. Das geht ganz ganz langsam los, ‚man merkt‘ es noch gar nicht. Auch expandiert das Universum ja immer noch ziemlich schnell. Aber der Teil des DM-Gases der schon etwas ‚Schwung‘ durch die kleinen Gravitationsunterschiede aufnehmen konnte, bleibt etwas länger in diesem Bereich und hat damit auch etwas mehr Zeit mehr ‚Schwung‘ aufzunehmen. Unterdessen ‚tobt‘ ein gewaltiger elektromagnetischer ‚Sturm‘ angeheizt durch die gegenseitige ‚Vernichtung‘ von Materie u. Antimaterie. Die DM aber bleibt davon nahezu völlig unbeeinflusst, weil sie ja nur durch Gravitation mit dem immer noch gewaltig energiereicheren Rest der Welt wechselwirken kann. Es ist fast so, als würde dieser Teil der Bühne gar nicht zur Welt der DM gehören. Sie kühlt weiter ab und konzentriert ihre Bestandteile immer mehr um die Bereiche höherer DM-Dicht herum (BM hat da nicht viel Einfluss, weil sie durch ihre sehr viel höhere Temperatur dieser Strukturbildung noch nicht folgen kann und weil sie gleichmäßiger verteilt ist, diese auch nicht nennenswert stören kann.

Das Ganze geht nun für einige hunderttausend Jahre so weiter. DM konzentriert seine Bestandteile mehr und mehr in den, durch die fortschreitende Expansion inzwischen gigantisch großen Strukturen und auch wenn der Dichteunterschied immer noch sehr klein ist, spielt er nun eine immer größere Rolle. Bald auch groß genug, um inzwischen auch schon der (auf einige tausend Grad K) abgekühlten BM ihre Struktur allmählich aufzuprägen – heute noch als (sehr sehr kleiner) Temperaturunterschied in der Verteilung der Hintergrundstrahlung zu ‚sehen‘.

Beide Materiearten unterliegen nun diesem sich selbst verstärkenden Strukturbildungsprozess, wobei DM ihm durch seine fehlende Abkühlmöglichkeit ganz allmählich nicht mehr so einfach folgen kann wie BM, die es ja schon einige? Millionen Jahre später sogar zu Strukturen wie Planeten, Sternen und Galaxien schafft, in einer zeitlichen Geschwindigkeit bei der DM bis heute lange nicht mehr mithalten kann. Den Fortgang diese Prozesses kann man z.B. hier: http://wwwmpa.mpa-garching.mpg.de/galform/presse/ ganz gut sehen.

Herzliche Grüße

MAC
 

Dgoe

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Kurze Zwischenfrage: Ist die Existenz der DM (Dunklen Materie) mittlerweile bewiesen?

Gruß,
Dgoe
 

ralfkannenberg

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Kurze Zwischenfrage: Ist die Existenz der DM (Dunklen Materie) mittlerweile bewiesen?
Hallo Dgoe,

letztlich kann man nicht einmal beweisen, dass es baryonische Materie gibt: der liebe Gott könnte die Welt mitsamt allen Erinnerungen vor 5 Sekunden geschaffen haben.

Es ist nicht möglich, das Gegenteil zu beweisen.


Das willst Du an dieser Stelle natürlich nicht lesen; aus naturwissenschaftlicher Sicht, d.h. unter Voraussetzung naturwissenschaftlicher Prinzipien, gibt es beispielsweise nach wie vor gewisse MOND-Varianten, die ebenfalls konsistent zu den Beobachtungen sind. Und eine noch unentdeckte Theorie kann man auch nicht ausschliessen. Die mit Abstand überzeugendste Theorie ist diejenige der Dunklen Materie, und sie ist auch konsistent zu allen bekannten Experimenten, das heisst aber nicht, dass ihre Existenz bewiesen wäre, zumal der Nachweis ihres Bestandteiles rund 5 Jahre LHC-Forschung erfordern dürfte.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

TomS

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Natürlich ist die Existenz der DM in keinster Weise bewiesen.

Um deren Existenz zu beweisen müsste man - nach heutigem Verständnis - ein präzises mikroskopisches Modell der DM haben (SUSY-Teilchen, WIMPs, ...), das sowohl die beobachteten astrophysikalischen Effekte reproduziert, als auch anhand mikroskopischer Effekte nachgewiesen worden ist (z.B. passende Wechselwirkungen, Zerfälle o.ä. an Teilchenbeschleunigern oder anderen Detektoren). Letzteres steht heute noch aus; bestimmte "Sorten" der DM können inzwischen ausgeschlossen bzw. zumindest der Parameterbereich eingeschränkt werden.
 

Dgoe

Gesperrt
Ah ja,

ok. Ich war mir nicht sicher wegen Higgs & Co.

Gruß,
Dgoe


P.S.: Vielen Dank für die Antworten, beide sehr aufschlussreich!
 
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AdMon

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Hallo MAC,

danke für Deine Ausführung - so wird es noch ein ganzes Stück transparenter :)

Abgesehen davon hätte der Fermi-Druck damit auch nichts zu tun.
Sorry - das war das erste, das mir in den Sinn kam, da es ja die der BM innewohnende Kraft ist, die der Gravitation entgegenwirkt. Ich nahm an, dass aufgrund des Pauli-Prinzips der größte Teil der kinetischen Energie abgebaut würde.

Dürfte ich in diesem Zusammenhang noch eine weitere Frage stellen?
Wenn BM in den Einflussbereich eines schwarzen Loches gerät, dann macht sich das akkretierte Material ja durch entsprechende Emissionen bemerkbar. Auch wenn DM aus besagten Gründen nicht gleichermaßen einer Akkretion wie BM unterliegt, so wird wohl auch ein gewisser Anteil den Ereignishorizont überschreiten. Was passiert in diesem Fall mit DM? Gibt sie vielleicht auch eine Art "Todesschrei" von sich? Und das sollte sie doch eigentlich, wenn sie fermionisch ist, oder? Hmm..., ok ... dann müssten ja theoretisch auch Neutrinos emittieren. Tun sie das vielleicht sogar? Schrecklich .... ich weiß so wenig ...

Beste Grüße
René
 

mac

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Hallo René,
Sorry - das war das erste, das mir in den Sinn kam, da es ja die der BM innewohnende Kraft ist, die der Gravitation entgegenwirkt.
Na ja, aber erst ab Neutronenstern, wenn die elektromagnetische Kraft nicht mehr ausreicht.



Ich nahm an, dass aufgrund des Pauli-Prinzips der größte Teil der kinetischen Energie abgebaut würde.
Wohin?



Wenn BM in den Einflussbereich eines schwarzen Loches gerät, dann macht sich das akkretierte Material ja durch entsprechende Emissionen bemerkbar.
Ja.



Auch wenn DM aus besagten Gründen nicht gleichermaßen einer Akkretion wie BM unterliegt, so wird wohl auch ein gewisser Anteil den Ereignishorizont überschreiten. Was passiert in diesem Fall mit DM?
Ich vermute mal, dasselbe wie mit BM.

BM leuchtet (z.B. Quasar), weil sie, wenn sie einer solchen Gravitationsquelle (nicht allein, sondern mit vielen vielen anderen Leidensgenossen) näher kommt, sich aufgrund des größer werdenden Gedränges in der Nähe einer solchen Gravitationsquelle gegenseitig immer häufiger ‚rempelt‘ (elektromagnetische Abstoßung zwischen Atomen oder Atomkernen) dabei werden die beteiligten ‚Rempler‘ beschleunigt. Eine beschleunigte Ladung emittiert elektromagnetische Wellen. Siehe z.B. https://de.wikipedia.org/wiki/Bremsstrahlung und schon lange bevor die relativen Geschwindigkeiten der Atome hoch genug sind für eine vollständige Ionisation durch einen solchen Rempler, sorgen Anregung und Emission auch für den länger welligen Teil des elektromagnetischen Spektrums solch einer Akkretionsscheibe.

Das einströmende Gas sortiert sich in eine Akkretionsscheibe, weil dort die relativ Geschwindigkeiten der Atome untereinander kleiner sind und die Rempler, auch weiter draußen, nicht so heftig. Existiert erst mal eine solche Scheibe, dann produziert sie ein Magnetfeld, welches Drehimpuls auf die Gas Atome weiter draußen übertragen kann (kommt z.B. auch bei den Akkretionsscheiben sich bildender Sterne vor) Auch damit bauen die Mitglieder der Akkretionsscheibe kinetische Energie ab. Durch all diese Prozesse werden sie langsamer und verlieren damit an ‚Höhe‘, kommen ‚ihrem‘ sich bildenden Stern oder dem Ereignishorizont ‚ihres‘ SL‘ näher.

All das kann DM nicht. Sie wird nicht langsamer, weil sie nicht ‚rempelt‘ und nicht gerempelt wird, auch untereinander nicht, zumindest nicht so, daß dabei kinetische Energie abgebaut wird. Sie entkommt einem schwarzen Loch mit dem Schwung, den sie bei der Annäherung gewonnen hat. Nur wenn sie das SL direkt trifft, also den Ereignishorizont passiert, wird sie gefangen. Das sieht aber Keiner. Da sie keine elektromagnetische Ladung trägt, die bei Beschleunigung Photonen emittiert, ‚schreit‘ sie dabei, anders als die Protonen und Elektronen, zumindest elektromagnetisch nichts in die Welt hinaus.



Gibt sie vielleicht auch eine Art "Todesschrei" von sich? Und das sollte sie doch eigentlich, wenn sie fermionisch ist, oder?
Ich fürchte, daß ich in der Gruppe die sich dafür interessiert, wohl mit zu den letzten gehören werde, die das erfahren, wenn man es entdeckt.


Herzliche Grüße

MAC
 
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AdMon

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Hallo MAC,

danke für Deine Geduld ;)

Na ja, aber erst ab Neutronenstern, wenn die elektromagnetische Kraft nicht mehr ausreicht.
Ja, richtig! Ich war in Gedanken wahrscheinlich schon einen Schritt weiter bei der Frage, ob DM - nur aufgrund der gravitativen Wirkung, ähnlich "kompakte" Strukturen ausbilden kann, wie BM eben bis hin zu solchen dichten Ansammlungen wie Sterne, Neutronen Sterne und Schwarzen Löchern. Und da DM ja ladungsfrei ist, habe ich den Fermidruck - also irgendeinen quantenmechanischen Effekt - als gemeinsame Eigenschaft von BM und DM angenommen und dabei das elektromagnetische Abstoßungsprinzip ignoriert, was man bei der Umwandlung der kinetischen Energie von BM natürlich nicht darf. ;)

Wir sprachen in dem Fall ja von BM. Spontan hätte ich jetzt also "in Wärme" gesagt, aber die Tatsache, dass Du mich fragst, verunsichert mich.

All das kann DM nicht. Sie wird nicht langsamer, weil sie nicht ‚rempelt‘ und nicht gerempelt wird, auch untereinander nicht, zumindest nicht so, daß dabei kinetische Energie abgebaut wird. Sie entkommt einem schwarzen Loch mit dem Schwung, den sie bei der Annäherung gewonnen hat. Nur wenn sie das SL direkt trifft, also den Ereignishorizont passiert, wird sie gefangen. Das sieht aber Keiner. Da sie keine elektromagnetische Ladung trägt, die bei Beschleunigung Photonen emittiert, ‚schreit‘ sie dabei, anders als die Protonen und Elektronen, zumindest elektromagnetisch nichts in die Welt hinaus.
Aber irgendeine nachweisbare quantenmechanische Eigenschaft neben der Masse, muss DM doch haben. Und was wäre besser geeignet einem Material, das nur gravitativ wechselwirkt, ein Geheimnis zu entreißen, als der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs?! Was es dann 'hinausschreit'? Hmm... keine Ahnung! Neutrale Higgs-Bosonen?


Ich fürchte, daß ich in der Gruppe die sich dafür interessiert, wohl mit zu den letzten gehören werde, die das erfahren, wenn man es entdeckt.
Ich werde es dann wahrscheinlich auch HIER erst erfahren oder nie ;)

Beste Grüße!
René
 
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Bernhard

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Neutrale Higgs-Bosonen?
Könnten einen Teil der DM ausmachen, müssen aber nicht, weil noch ziemlich unklar ist, wie die gravitativ wirken. Ein diskutierter Kandidat sind noch die sogenannten WIMPs und das könnten auch Fermionen sein. So ganz abwegig sind die Gedanken zum Fermi-Druck mMn also nicht.
 

mac

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Hallo Bernhard,

So ganz abwegig sind die Gedanken zum Fermi-Druck mMn also nicht.
Ja, vielleicht - wenn sich DM zu einem entsprechenden Objekt, analog zu einem Stern formiert hat.

Aber wie soll sie das überhaupt bewerkstelligen, wenn sie lange vorher schon, ihre kinetische Energie nicht los wird?

Herzliche Grüße

MAC
 

Bernhard

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Hi MAC,

Aber wie soll sie das überhaupt bewerkstelligen, wenn sie lange vorher schon, ihre kinetische Energie nicht los wird?
völlig richtig. Die Dichten der DM, bei denen der Fermi-Druck berücksichtigt werden müsste, spielen in der Kosmologie keine entscheidende Rolle, wenn überhaupt. Trotzdem ist es erlaubt, darüber zu spekulieren. Gerade der Bullet-Cluster, als Widerlegung von MOND legt es meiner Meinung nach nahe auch über Schwarze Löcher, als Träger der DM nachzudenken. Irgendwie ist es doch eigenartig, dass sich bei diesem Beispiel die DM nicht alleine um das Gravitationspotential kümmert, sondern eher die beiden Galaxien bevorzugt.

Ich bin zwar auch kein Freund von Schwarzen Löchern aus DM, aber der "Befund" beim Bullet-Cluster bringt einen dann doch zum Nachdenken.
 
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Ich

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Seid euch da nicht so sicher. Leichte Teilchen können durchaus entartete "Sterne" von mehrfacher Galaxiengröße bilden. Ich hab' da vor Jahren mal was gerechnet, finde aber das Programm nicht mehr. Ich habe aber nicht gerechnet, wo die Fermitemperatur liegt, vielleicht ist die ja so niedrig, dass es nicht zur Entartung kommt.
 

mac

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Hallo Ich,

Seid euch da nicht so sicher. Leichte Teilchen können durchaus entartete "Sterne" von mehrfacher Galaxiengröße bilden.
Wie meinst Du das? Entartetes sternengroßes Objekt mit mehreren 10^11 M0, oder Halos, wie den der Milchstraße nur größer, oder ein schwarzes Loch mit entsprechendem Radius, also mit mehr als 1E48 kg?

Herzliche Grüße

MAC
 
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