Wie kam das Universum ins Dasein?

[Area51 1/2]

All unsere Erklärungen basieren auf das was wir erfassen können.
Alles was wir noch nicht erfassen können wird mit Zahlen, Konstanten, Algebra, Modelle, Annäherung und Annahme ins rechte Bild gerückt.
Dies gilt bis einen neue Sichtweise erscheint und uns mehr Möglichkeiten, und gleichzeitig mehr undefinierbare Wege, vor die Augen führt.
Es fehlte an Dichte....schwarze Löcher!
Es fehlte an Masse...Dunkle Energie!
Es fehlte an Dimensionen...jetzt gelten bis 11 (wenn nicht mehr!)
Es fehlte an Teilchen...Quarks waren plötzlich da.
Es fehlte an Raum...Inflation!
Es fehlte an Stabilität....Krümmung!

Langsam, aber sicher, wird es an Zusammenhängen fehlen!

Mal sehen was dann passieren wird...

Oder wie Sherlock Holmes sagen wurde: Wenn man alle logischen Lösungen eines Problems eliminiert, ist die unlogische obwohl unmöglich unweigerlich richtig.

[Thomas W. Riker]

Ein negativer Druck
Das würde bedeuten, dass weniger als keine Materie in einem Volumen ist

Wenn Materie in einem Volumen gravitativ wirkt, würde bedeuten,
dass weniger als keine Materie antigravitativ wirkt

Hübsch, ähm jetzt habe ich auch Kopfschmerzen.

Wenn man das Universum zurückrechnet würde das bedeuten, das bei einem big crunch beim überschreiten der Planck-Dichte ein Universum mit negativer Dichte, also negativer Masse und damit Antigravitation entsteht.

Also irgendwie kommt es mir vor, als würde da in einer Gleichung alles an unerlaubter Stelle mit *(-1) multipliziert.

[Halman]

Fragen zur Inflation

Wie ich hier aus der Diskussion entnehmen konnte, ist die Kosmologie weitaus komplexer und erscheint mir verworrender, als ich bisher annahm. Derzeit bereitet mit die Inflation Kopfzerbrechen.
Im Folgendem werde ich einige Punkte aus dem Lexikon der Astrophysik von Andreas Müller aufgreifen und hierzu Fragen stellen.

Unter dem Abschnitt "Das ursprüngliche Inflationsmodell nach Guth" wird im 2. Absatz erklärt:

Bei der Abkühlung geschieht nun Folgendes: Irgendwann dominiert die Energiedichte des falschen Vakuums. Der Druck des falschen Vakuums ist negativ (p = -ρ0), so dass es antigravitativ wirkt. Daher treibt das falsche Vakuum im stark unterkühlten Universum eine exponentielle Expansion - die Inflation.

Die Formel hierzu lautet:

Da ich hier erhebliche Verständnisprobleme aufweise, habe ich hierzu zwei Fragen:

• Was ist das falsche Vakuum?
• Warum wirkt es antigravitativ und führt so zur Superluminalexpansion?

Unter dem nächsten Abschnitt "Linde lindert Probleme" wird das falsche Vakuum als Skalarfeld assoziiert. Um was für ein Skalarfeld handelt es sich?
Soweit ich weiß, enthält auch ein absolutes Vakuum skalare Quantenfelder. Wie unterscheidet sich also ein falsches Vakuum von einem absolutem Vakuum?
Aus der W-Grafik und dem Absatz unter der Grafik entnehme ich, dass das falsche Vakuum einen metastabilen Zustand mit größerer Einergiedichte als das echte Vakuum hat. Meines Wissens liegt das Energieniveau der Quantenfelder im echten Vakuum unscharf nahe null. Darf ich mir das falsche Vakuum so vorstellen, dass das Energieniveau des Inflaton-Skalarfeldes (=falsches Vakuum) deutlich über null liegt, aber metastabil ist?
Beim Zerfall des Inflations erzeugt die so freigesetzte Energie offenbar Teilchen , also die "Teilchensuppe" des frühen Universums. Aber warum ist das Inflation metastabil?

Der Absatz unter der Abschnitt-Überschrift "Woher stammt die Energie für die Inflation?" bereitet mir am Meisten Kopfzerbrechen.

Die Energie für die inflationäre Ausdehnung stammt von der Gravitation! Das funktioniert, weil die Gesamtenergie des Gravitationsfeldes nicht definiert ist. Sie kann z.B. beliebig groß und negativ sein und daher als 'Energiespender' fungieren.

Heißt das, dass man in einer physikalischen Gleichung dem Gravitationsfeld einfach beliebig viel positive - oder negative Energie unterstellen darf? In diesem Fall also beliebig viel Antigravitation?
Wie diese erzeugt wird, verstehe ich nicht.

Der Abschnitt "weitere Inflationsmodelle" umreist die für mich verwirrende Vielfältigkeit verschiedener Inflationsmodelle. Darin ist auch von der Super-Planck-Physik die Rede, in der die Planck-Dichte überschritten wird. Ist dies auch bei Lindes ewiger Inflation der Fall?

Einen Punkt, der unter dem Abschnitt "Leistungen des Inflationsmodells" aufgeführt ist, hatten wir hier schon angesprochen. Beim Punkt (4) geht um die "Lösung des Flachheitsproblems". Darin wird erkärt:

Der enorme Expansionsfaktor unterdrückt dabei den Krümmungsterm in den Friedmann-Gleichungen, so dass das Flachheitsproblem gelöst ist: alle gekrümmten Modell-Universen werden durch Inflation geglättet, also flach. Ohne Inflation bliebe dies unverständlich. Die Beobachtung belegt, dass das heutige Universum flach ist, was die Inflation bewirkt zu haben scheint.

Dies ließ sich für mich so, als würde die Inflation zu einem Universum mit verschwindener Krümmung führen. Allerdings hatte mir Agent Scullie erklärt, dass dieses keineswegs zwingend ist. Ist also hier mit "flach" schwach gekrümmt oder annähernd flach gemeint?

Als "Problem beim Inflationsmodell" hatte ich hier schon die kosmologischen Konstante angesprochen. An dieser Stelle zitiere ich mal direkt aus dem Lexikon der Astrophysik:

Das Inflationsmodell versagt jedoch bei der Erklärung des heutigen Werts der kosmologischen Konstante Λ: Zwischen dem Wert während der Inflationsära und heutigem Wert liegen etwa 120 Größenordnungen! Ausweg aus diesem Problem der kosmologischen Konstante verspricht die Annahme einer zeitlichen Variabilität für ihren Wert. Einsteins Λ wäre demnach nicht konstant. Kosmologen nennen das Quintessenz-Modelle, die eine Form von Dunkler Energie darstellen.

Ist die Quintessenz nicht recht spekulativ?

[Thomas W. Riker]

Das beobachtbare Universum wächst weiter.
Das Hubble-Volumen beträgt bereits im Radius 46,6 Mrd Lichtjahre.
Es wächst allerdings relativ langsamer als das gesamte Universum, das bereits im Radius 78 MrdLj misst (falls die Angabe in dem weiter oben verlinkten Video stimmt).
Allerdings verringert sich die Zahl der beobachbaren Objekte, sobald sich der Raum mit >c vergrößert. Die Dichte des Universums verringert sich also.
Der Abstand zwischen Nachbargalaxien verringert sich eher, da an den Rändern der Voids die gravitative Wirkung der Expansion gegenübersteht. Das ist auch der Grund warum die Andromedagalaxie irgendwann mit unserer Milchstraße "verschmelzen" wird.

Ich habe das nochmal an anderer Stelle gegengecheckt (bekommen).
Die Angabe im mittlerweile entfernten Video in Bakkad Barans #343 ist nicht korrekt und stammt aus dem Discovery magazine. 2003 heisst es bei einer Auswertung der Daten von WMAP bei Neil Cornish et al. mindestens "24 Gpc in diameter", was 78 MrdLj entspricht. -> Siehe link unten
14 Mrdpc/ 45,7 MrdLj beruhen auf Partikeln der CMBR (cosmic microwave background radiation).
Die genaueste Altersangabe für das Universum beträgt durch Planck (2013) 13,798 +/- 0,037 MrdJahre.
Die größte Rotverschiebung beträgt z= 1.091,64 +/-0,47 für jetzt 46 MrdLj entfernte Objekte, die beim Aussenden der Strahlung

jetzt bitte genau hinsehen,

nur 42 Millionen Lichtjahre entfernt waren.

Diese wichtigen Daten von WMAP dienen der Festsetzung von vielen Parametern des
Lambda-CDM

Observable universe - Wikipedia, the free encyclopedia

Schon 2004 wurde Cornish falsch zitiert, siehe im link Zitate 30ff

[Nilani]

@Thomas W. Riker @Halman

Danke für die Korrigierung meines Denkfehlers!

Ich hatte mal gelesen, dass in ferner Zukunft nicht mehr so viele Galaxien wie heute sichtbar sind, natürlich liegt das aber nur an dem zu großen Abstand zwischen ihnen, der beobachtbare Raum wird dadurch natürlich nicht kleiner, eben nur leerer.

[Halman]

@Thomas W. Riker
Danke für den reichhaltigen Imput.

eher darauf, dass in ferner Zukunft die Expansion so stark beschleunigt sein wird, dass der Radius des beobachtbare Universums durch den Ereignishorizont statt den Teilchenhorizont festgelegt ist.

die gedachte Kugelschale wird irgendwann nicht mehr der Teilchenhorizont sein, sondern stattdessen der Ereignishorizont.

Danke für die Klarstellung. Ist ja auch logisch.

[Agent Scullie]

wenn das universum mal von einem punkt aus expandiert ist und man davon ausgeht das es inzwischen ( oder schon immer ) schneller als die lichtgeschwindigkeit expandiert, müsste nicht irgendwann ferne galaxien in ein standbild überwechseln bzw. irgendwann plötzlich verschwinden sobald das licht was noch schneller als die raumexpansion unterwegs ist uns passiert hat ?

so etwas in der Art gibt es tatsächlich, allerdings nur, wenn das Universum beschleunigt expandiert. Wenn in einem beschleunigt expandierenden Universum eine Galaxie eine bestimmte Entfernung überschreitet, dann kann uns Licht, das die Galaxie nach Überschreiten dieser Entfernung aussendet, niemals erreichen, auch in noch so ferner Zukunft nicht. Man bezeichnet diese Entfernung als Ereignishorizont (nicht zu verwechseln mit dem Ereignishorizont eines schwarzen Loches). Wenn ich das richtig in Erinnerung habe, ist dieser Ereignishorizont im heutigen Universum sogar wesentlich kleiner als der Teilchenhorizont. D.h. von Galaxien, die zwischen dem Teilchenhorizont und dem Ereignishorizont liegen, erreicht uns Licht, das sie in ferner Vergangenheit ausgesandt haben, aber Licht, das sie heute aussenden, wird uns niemals erreichen.

- - - Aktualisiert - - -

Licht bleibt nicht stehen; seine Geschwindigkeit ist unabhängig von der Quelle.

in der ART gilt diese Aussage der SRT allerdings nur noch lokal. D.h. ein Beobachter, an dem ein Lichtsignal vorbeikommt, misst für dessen Geschwindigkeit stets den Wert c = 299792,458 km/s.

Wenn wir jetzt aber ein Lichtsignal betrachten, das von einer fernen Galaxie zu uns unterwegs ist, und wir schauen uns die Distanz L(t), die das Signal zu einem Zeitpunkt t (bemessen in der RW-Weltzeit) von uns hat, und die Distanz L(t+dt) zu einem etwas späteren Zeitpunkt t+dt, und dividieren die Änderung in der Distanz durch die Zeitdifferenz dt, so ist der erhaltene Wert

[L(t+dt) - L(t)] / dt

keineswegs gleich -c. Wenn uns das Lichtsignal sehr nahe ist, ist dieser Wert nahe bei -c. Ist das Lichtsignal weiter weg, im Bereich der Hubble-Entfernung von 13 Mrd. Lichtjahren, ist der Wert nahe 0. Ist das Lichtsignal noch weiter weg, ist der Wert sogar > 0, d.h. das Lichtsignal entfernt sich noch von uns, obwohl es auf dem Weg zu uns ist.

Aber das Universum ist größer als wir sehen, denn das restliche Licht ist noch nicht bei uns angelangt. Es ist unterwegs zu uns, deshalb wächst auch das beobachtbare Universum an.

wenn wir uns ein exponentiell beschleunigt expandierendes Universum vorstellen, so wächst bei diesem der beobachtbare Ausschnitt nicht an, da er dann durch die Ereignishorizont gegeben ist und dieser bei exponentieller Expansion einen konstanten Radius hat. Unser Universum wird wahrscheinlich in ferner Zukunft einmal exponentiell beschleunigt expandieren, dann wird der beobachtbare Ausschnitt nicht mehr wie heute anwachsen.

- - - Aktualisiert - - -

Dies wäre nur der Fall, wenn die Dunkle Energie zunimmt. Ist sie konstant, so wird die Expansion des Raumes keinen Einfluss auf den gravitativen Zusammenhalt von Galaxienhaufen haben. Derzeit wachsen lediglich die Abstände zwischen den Galaxienhaufen an.

er meinte vermutlich eher den Abstand zu den Nachbar-Galaxienhaufen.

Ja, stimmt, dies klingt logisch. Darauf spielten Bakkad Baran und Nilani wohl an.

eher darauf, dass in ferner Zukunft die Expansion so stark beschleunigt sein wird, dass der Radius des beobachtbare Universums durch den Ereignishorizont statt den Teilchenhorizont festgelegt ist.

Nur um nochmal sicher zu gehen: Verstehe ich es recht, wenn ich folgere, dass zwar die gedachte Kugelschale (=Teilchenhorizont) zunimmt,

die gedachte Kugelschale wird irgendwann nicht mehr der Teilchenhorizont sein, sondern stattdessen der Ereignishorizont.

[Thomas W. Riker]

Das Licht, das bei uns eintrifft, hat eine feste Geschwindigkeit, nämlich c.
Objekte, deren Licht >13,1 Mrd Jahre zur Erde unterwegs war, sind jetzt ~ 40 Mrd Lj entfernt. Das theoretisch älteste Licht, das uns noch erreichen könnte, stammt von Objekten, die jetzt 46,6 Mrd Lj entfernt sind. Wo der Wert für die restlichen ~31,4 Mrd Lj jenseits des Hubble-Volumens herkommen sollen, verstehe ich auch nicht. Der Raum zwischen den "Rändern" des Universums "wächst" mit >10c.
Wenn man das Hubble-Volumen als Luftballon innerhalb des Universum-Luftballons annimmt, dann wachsen beide Luftballons mit einer nach außen größer werdenden Geschwindigkeit und Objekte dringen durch den inneren Luftballon, d.h sie werden von der Mitte aus unbeobachtbar.

Ächz, noch etwas Butter bei die Fische:

Animationen von 9 Kosmologischen Modellen:

http://commons.wikimedia.org/wiki/User:Geek3/Cosmos-animation

Derzeit geht man von dem 7., dem LCDM aus.

2007 wurde ein Quasar von 500 Mio Sonnenmassen (sic!) entdeckt:
CFHQS J2329-031
Rotverschiebung (Redshift) z = 6,43
Lichtlaufzeit 12,7 Mrd Jahre
Distanz Erde -Quasar beim Aussenden der Strahlung 3,776 Mrd Lj
* (1 + 6,43) = 28,057 Mrd Lj comoving radial Distance

Das derzeit am weitesten entfernte, nachgewiesene Objekt ist (war) eine Protogalaxie, die damals vor allem aus kurzlebigen blauen Riesen bestand.
UDFj-39546284
z ~ 11,9
Lichtlaufzeit (light travelling time) 13,37 Mrd Jahre
32,7 Mrd Lj comoving radial Distance

Man beachte die Differenzen
z: 11,9 - 6,43 = 5,47
Lichtlaufzeit: 13,37 - 12,7 = 0,67 Mrd Jahre
comoving radial distance: 32,7 - 28,057 = 4,643 Mrd Lj

Ein Ergänzung: Erst 1965 wurde mit 3C 9 (Quasar im Sternbild Fische) mit z= 2,018 ein Objekt mit z > 1,0 gemessen. Geschwindigkeit 240.477 km/s
Lichtlaufzeit 10 Mrd Jahre
comoving radial distance 17 Mrd Lj

[Halman]

Du beschreibst ein kleiner werdendes beobachtbares Universum. Genau das sagen die Wissenschaftler für die Zukunft voraus. Irgendwann dehnt sich der Raum dann so schnell aus, dass selbst das Licht unserer Nachbargalaxien uns nicht mehr erreichen kann.

Dies wäre nur der Fall, wenn die Dunkle Energie zunimmt. Ist sie konstant, so wird die Expansion des Raumes keinen Einfluss auf den gravitativen Zusammenhalt von Galaxienhaufen haben. Derzeit wachsen lediglich die Abstände zwischen den Galaxienhaufen an.

Das beobachtbare Universum wächst weiter.
Das Hubble-Volumen beträgt bereits im Radius 46,6 Mrd Lichtjahre.
Es wächst allerdings relativ langsamer als das gesamte Universum, das bereits im Radius 78 MrdLj misst (falls die Angabe in dem weiter oben verlinkten Video stimmt).
Allerdings verringert sich die Zahl der beobachbaren Objekte, sobald sich der Raum mit >c vergrößert. Die Dichte des Universums verringert sich also.

Ja, stimmt, dies klingt logisch. Darauf spielten Bakkad Baran und Nilani wohl an.

Nur um nochmal sicher zu gehen: Verstehe ich es recht, wenn ich folgere, dass zwar die gedachte Kugelschale (=Teilchenhorizont) zunimmt, aber die Anzahl der Objekte innerhalb dieses "Kugelschale" kleiner wird?

Der Abstand zwischen Nachbargalaxien verringert sich eher, da an den Rändern der Voids die gravitative Wirkung der Expansion gegenübersteht. Das ist auch der Grund warum die Andromedagalaxie irgendwann mit unserer Milchstraße "verschmelzen" wird.

[Thomas W. Riker]

Das beobachtbare Universum wächst weiter.
Das Hubble-Volumen beträgt bereits im Radius 46,6 Mrd Lichtjahre.
Es wächst allerdings relativ langsamer als das gesamte Universum, das bereits im Radius 78 MrdLj misst (falls die Angabe in dem weiter oben verlinkten Video stimmt).
Allerdings verringert sich die Zahl der beobachbaren Objekte, sobald sich der Raum mit >c vergrößert. Die Dichte des Universums verringert sich also.
Der Abstand zwischen Nachbargalaxien verringert sich eher, da an den Rändern der Voids die gravitative Wirkung der Expansion gegenübersteht. Das ist auch der Grund warum die Andromedagalaxie irgendwann mit unserer Milchstraße "verschmelzen" wird.

[Nilani]

ich weiß das das licht welches sich in unsere richtung bewegt auch weiterhin mit seiner geschwindigkeit auf uns zu kommt, nur wenn der raum dazwischen sich irgendwann schneller ausdehnt als die teilchen uns erreichen können, dürfte doch irgendwann kein teilchen mehr ankommen. die strecke müsste doch schneller größer bzw. länger werden als das licht sie ablaufen könnte ?

Du beschreibst ein kleiner werdendes beobachtbares Universum. Genau das sagen die Wissenschaftler für die Zukunft voraus. Irgendwann dehnt sich der Raum dann so schnell aus, dass selbst das Licht unserer Nachbargalaxien uns nicht mehr erreichen kann.

[Bakkad Baran]

ich weiß das das licht welches sich in unsere richtung bewegt auch weiterhin mit seiner geschwindigkeit auf uns zu kommt, nur wenn der raum dazwischen sich irgendwann schneller ausdehnt als die teilchen uns erreichen können, dürfte doch irgendwann kein teilchen mehr ankommen. die strecke müsste doch schneller größer bzw. länger werden als das licht sie ablaufen könnte ?

[Halman]

wenn das universum mal von einem punkt aus expandiert ist ...

Vielleicht hast Du dich nur unglücklich ausgedrückt, aber dass Universum hat sich gem. dem Mainstream der Kosmologie nicht von einem Punkt (eine Koordinate im Raum) ausgedehnt. - Das gesamte Universum war dieser "Punkt" (beachte bitte die Anführungszeichen) zurzeit t₀.

... und man davon ausgeht das es inzwischen ( oder schon immer ) schneller als die lichtgeschwindigkeit expandiert, müsste nicht irgendwann ferne galaxien in ein standbild überwechseln ...

Warum dass denn?

...bzw. irgendwann plötzlich verschwinden sobald das licht was noch schneller als die raumexpansion unterwegs ist uns passiert hat ?

Du meinst, dass die fernen Galaxien hinter dem Beobachtungshorizont (= Teilchenhorizont) verschwinden? Ich denke eher, dass das Gegenteil der Fall ist. Mit zunehmendem Alter des Univesums wächst die gedachte Kugelschale an.

Diesbezüglich erinnere ich an den Beitrag über Größe des (heute und irgendwann) sichtbaren Universums von TomS.

[Mondwinter]

Licht bleibt nicht stehen; seine Geschwindigkeit ist unabhängig von der Quelle. Aber das Universum ist größer als wir sehen, denn das restliche Licht ist noch nicht bei uns angelangt. Es ist unterwegs zu uns, deshalb wächst auch das beobachtbare Universum an.

[Thomas W. Riker]

wenn das universum mal von einem punkt aus expandiert ist und man davon ausgeht das es inzwischen ( oder schon immer ) schneller als die lichtgeschwindigkeit expandiert, müsste nicht irgendwann ferne galaxien in ein standbild überwechseln bzw. irgendwann plötzlich verschwinden sobald das licht was noch schneller als die raumexpansion unterwegs ist uns passiert hat ?

Die Expansion des Raumes ist ab einer bestimmten Distanz größer als die Lichtgeschwindigkeit.
Uns erreicht ->jetzt<- nach 13,1 Mrd Jahren Lichtlaufzeit das Licht von Objekten, die jetzt mit einer Distanz von > 40 Mrd LJ relativ nahe am Hubble-Volumen (Beobachtungshorizonz) von 46,6 Mrd Lichtjahren sind. Der Raum zwischen uns und diesen Objekten hat sich also seit der Emittierung der Strahlung mit mehrfacher Lichtgeschwindigkeit ausgedehnt

Wenn die Angabe des Durchmessers des Universums von 156 MrdLj korrekt ist, dann bedeutet dies bei einem Zeitraum von 13,82 Mrd Jahren seit dem Urknall, dass sich der ->Raum<- zwischen zwei "gegenüberliegenden" Objekten am "Rand" des Universums im Durchschnitt mit 11,3c ausgedehnt hat.