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THEMA: Universum ohne sichtbare Materie möglich?

Universum ohne sichtbare Materie möglich? 29 Okt 2016 15:48 #9145

Wenn ich das richtig verstehe, entstand Materie aus einer winzigen Asymmetrie bei Entstehung und Vernichtung von Materie- und Antimaterie-Teilchen.

Wenn es dies Asymmetrie NICHT gegeben hätte, gäbe es dann dieses Universum? Ein Universum ohne sichtbare Materie? Ein Universum lediglich aus leeren Raum bestehend? Würde auch dieses Universum expandieren?

Ich freue mich auf eure Antworten
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Ultrafox

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Universum ohne sichtbare Materie möglich? 29 Okt 2016 16:47 #9146

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Ultrafox,
ich würde alle deine Fragen mit ja beantworten. Da E = m * c^2 gilt, ist es völlig egal, ob Energie oder Materie vorliegt. Dann würden halt die nicht mal 5% baryonische Materie, die es jetzt gibt, auch als elektromagnetische Hintergrundstrahlung vorhanden sein. Das All würde genau so expandieren, so wie ich das verstehe.

Grüße Cyborg

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Universum ohne sichtbare Materie möglich? 29 Okt 2016 16:55 #9147

Ich bin da genau der selben Meinung wie Cyborg. Ohne diese Asymmetrie gäbe es keine Sterne und Planeten und auch nicht uns. Dem Universum selbst wäre das völlig egal.

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Universum ohne sichtbare Materie möglich? 30 Okt 2016 09:26 #9159

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Was mir noch einfiel:
Wäre die Hintergrundstrahlung ohne Materie wohl völlig isotrop? Die sog. primären und sekundären Ursachen für die Hintergrundstrahlung (z.B. Sachs-Wolfe-Effekt) beruhen alle auf dem Einfluß der Materie auf sie.
Andererseits gäbe es event. auch trotz des Fehlens der uns vertrauten Materie die Dunkle Materie (mal abgesehen davon, dass deren Existenz so oder so noch fraglich ist). Falls Fluktuationen des frühen Inflatonfeldes auch Dichteschwankungen der DM auf makroskopische Größe gebracht hätten, dann könnte es in einem sonst von normaler Materie leeren Materie die DM-Cluster geben analog zu unserem All, eben ohne die normale Materie. Sie würde zwar nicht mit der Strahlung wechselwirken im Sinne eines Compton-, Thomson- oder auch Rayleigh-Effektes, aber sie doch gravitativ beeinflussen, oder nicht?
Wäre am Ende sogar für einen fiktiven Beobachter in einem solchen Universum die Messung einer Anisotropie der Hintergrundstrahlung ein indirekter Beweis für DM?
Und müssten dann nicht sogar wir aufgrund des Ausmaßes der Anisotropie entscheiden können, ob DM im Spiel ist oder die normale Materie die gemessenen Effekte erklärt? Wobei ich nicht sagen könnte, ob die Messgenauigkeit der vorliegenden Messungen für eine solche Aussage bereits ausreicht.
Was meint ihr?
Grüße Cyborg

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Letzte Änderung: von Cyborg. Begründung: Ergänzungen (Notfallmeldung) an den Administrator

Universum ohne sichtbare Materie möglich? 30 Okt 2016 09:44 #9160

Cyborg schrieb: Und müssten dann nicht sogar wir aufgrund des Ausmaßes der Anisotropie entscheiden können, ob DM im Spiel ist oder die normale Materie die gemessenen Effekte erklärt? Wobei ich nicht sagen könnte, ob die Messgenauigkeit der vorliegenden Messungen für eine solche Aussage bereits ausreicht.


Vor der Entkopplung Strahlung und sichtbarer Materie war die Strahlung dominant gegenüber der Gravitationskraft und hat jede Verklumpung der sichtbaren Materie sofort wieder auseinandergetrieben. Die sichtbare Materie kann daher nichts zur Anisotropie der Hintergrundstrahlung beigetragen haben.

Der einzig mögliche Effekt wäre, dass Helium etwas früher von der Strahlung entkoppeln konnte als Wasserstoff und daher früher beginnen konnte zu verklumpen. Dies war aber sicher zu schwach zur Erklärung der Anisotropie. Außerdem müsste dann heute in Galaxienkernen der Anteil von Helium höher sein als an den Rändern - ein Effekt der offensichtlich nicht gemessen wird.

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Universum ohne sichtbare Materie möglich? 30 Okt 2016 10:56 #9162

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ClausS schrieb:

Vor der Entkopplung Strahlung und sichtbarer Materie war die Strahlung dominant gegenüber der Gravitationskraft und hat jede Verklumpung der sichtbaren Materie sofort wieder auseinandergetrieben. Die sichtbare Materie kann daher nichts zur Anisotropie der Hintergrundstrahlung beigetragen haben.


Wie erklärst du dir dann z.B. den Sachs-Wolfe-Effekt? Ohne Materie doch keine Materiestruktur und damit keine Fluktuationen, oder?
Außerdem kommt auch Streuung der Photonen an Materie ins Spiel, siehe unten. Das setzt auch normale Materie voraus, da die DM nicht wechselwirkt.

Sachs-Wolfe-Effekt
Der Sachs-Wolfe-Effekt erklärt Fluktuationen der Rotverschiebung der Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung. Er ist neben der Silk-Dämpfung und akustischen Schwingungen des Plasmas im frühen Universum einer von drei Effekten, mit denen es in der Astrophysik möglich ist, Zustände im frühen Universum zu berechnen. Der Effekt ist benannt nach Rainer K. Sachs und Arthur M. Wolfe, die ihn 1967 entdeckten.
Er ermöglicht es, aus den Fluktuationen der Rotverschiebung der kosmischen Hintergrundstrahlung abzulesen, wie die Materiestruktur im Weltall etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall, zur Zeit der Rekombination, gewesen sein muss. Insbesondere lässt sich damit der Krümmungsparameter k der Raumzeit feststellen.


Siehe auch unter Hintergrundstrahlung - Wiki

Zu den wichtigsten Effekten der primären Anisotropien gehören:
Der Sachs-Wolfe-Effekt: Strahlung, die aus überdichten Regionen entweicht, erfährt eine Gravitationsrotverschiebung, sodass die Hintergrundstrahlung in der entsprechenden Richtung eine geringfügig niedrigere Temperatur hat, andererseits wird dieser Effekt dadurch teilweise kompensiert, dass die Gravitation zu einer Zeitdilatation führt. Daher stammen die Photonen der dichteren Regionen aus einer geringfügig früheren Zeit, zu der das Universum noch heißer war. Beide Effekte werden gemeinsam durch den Sachs-Wolfe-Effekt beschrieben.[12]
Die Dichteschwankungen im frühen Universum führen zu sogenannten Pekuliargeschwindigkeiten. Das sind Geschwindigkeiten der Materie, die zusätzlich zur Geschwindigkeit der Expansion des Raumes auftreten. Die Elektronen, mit denen die Photonen das letzte Mal streuen, haben also eine von der Dichte abhängige zusätzliche Geschwindigkeitskomponente.[12]
Wird in einem kleinen Gebiet die Baryonendichte erhöht, werden die Baryonen adiabatisch komprimiert und dadurch heißer. Da die Baryonen mit den Photonen im thermischen Gleichgewicht stehen, werden somit auch die Photonen energiereicher.[12]
Zu den sekundären Anisotropien gehören insbesondere:
Es gibt freie Elektronen im Universum, an denen die Photonen streuen können. Da die Thomson-Streuung weitgehend isotrop ist, ist die Richtung des Photons nach der Streuung weitgehend unabhängig von seiner Richtung vor der Streuung. Die gestreuten Photonen tragen keine Information über die Fluktuationen des CMB mehr. Dadurch werden die Anisotropien teilweise ausgewaschen.[12]
Beim Durchlaufen des Universums durchqueren die Photonen eine Reihe von Potentialtöpfen der Strukturen des Universums (zum Beispiel durch Galaxien, Galaxienhaufen, etc.). Dabei erhalten sie immer einmal eine gravitative Blauverschiebung und dann wieder eine Rotverschiebung. Da sich das Gesamtgravitationspotential des Universums im Laufe der Zeit ändert, heben sich die Effekte nicht vollständig auf. Man bezeichnet dies als Integrierten Sachs-Wolfe-Effekt.
Außerdem werden die Photonen beim Durchlaufen der Potentialtöpfe abgelenkt. Der Winkel, unter dem wir die Photonen beobachten, entspricht also nicht genau ihrer Position zum Zeitpunkt der Rekombination – dadurch werden die Anisotropien auf kleinen Winkelskalen verschmiert.[12]
An den Elektronen des heißen Gases von Galaxienhaufen können Photonen streuen. Durch die Streuung ändert sich die Energie der Photonen ein wenig: Sie haben nach der Compton-Streuung im Mittel eine höhere Frequenz. Dadurch wird die Zahl der hochfrequenten Photonen relativ zum Planckspektrum erhöht, während die Zahl der niederfrequenten Photonen erniedrigt wird. Dies nennt man den Sunjajew-Seldowitsch-Effekt.[12]


Grüße Cyborg

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Universum ohne sichtbare Materie möglich? 30 Okt 2016 11:30 #9163

Zwischen dem, was wir geschrieben haben, kann ich keinen Widerspruch erkennen.

Der Sachs-Wolfe-Effekt ist für mich einer der hauptsächlichen Belege für die Existenz der Dunklen Materie. In der Frühphase konnte sich die Dunkle Materie bereits verklumpen, da diese nicht mit der Strahlung wechselwirken konnte. Die gemessene Anisotropie der Hintergrundstrahlung ist meiner Meinung nach daher ausschließlich durch die Dunkle Materie verursacht.

Die Ansammlungen Dunkler Materie, die sich damals schon gebildet haben, waren die Kristallationskeime für die Galaxien und Galaxienhaufen. Dies könnte auch erklären, warum es schon "relativ rasch" nach der Entkopplung Galaxien gegeben hat.

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Universum ohne sichtbare Materie möglich? 30 Okt 2016 14:45 #9167

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ClausS,
ich muss noch mal nachfragen. Nicht alle Effekte, mit denen die Anisotropie erklärt wird, beruhen auf gravitativen Effekten, wie z.B. auch der Sunjajew-Seldowitsch-Effekt, siehe Zitat aus Wiki unten.
Also müsste doch die Anisotropie, so wie sie beobachtet und gemessen wird, sowohl auf DM als auch auf normale Materie Rückschlüsse liefern. In einem All ganz ohne normale Materie müsste sie - zumindest theoretisch - etwas anders sein.
Oder auch direkt gefragt: Müsste nach deiner Argumentation dann die festgestellte Anisotropie nicht fast schon ein zwingendes Indiz für das Lambda-CDM sein und die MOND-Theorie in arge Erklärungsnot bringen?

Grüße Cyborg

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Universum ohne sichtbare Materie möglich? 30 Okt 2016 17:12 #9173

Auch der Sunjajew-Seldowitsch-Effekt setzt voraus, dass die sichtbare Materie nicht isotrop verteilt war.

Meines Verständnisses nach war die Strahlung damals die entscheidende Komponente - und die müsste dafür gesorgt haben, dass die geladenen Teilchen der sichtbaren Materie isotrop verteilt waren.

Vielleicht irre ich mich ja, aber auf eine Erklärung der Anisotropie durch die MOND-Hypothese wäre ich neugierig.

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Universum ohne sichtbare Materie möglich? 30 Okt 2016 17:32 #9175

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Hallo Cyborg,

Cyborg schrieb: Oder auch direkt gefragt: Müsste nach deiner Argumentation dann die festgestellte Anisotropie nicht fast schon ein zwingendes Indiz für das Lambda-CDM sein und die MOND-Theorie in arge Erklärungsnot bringen?


Ja und nein.

MoND in seiner Basisversion ist eine effektive Theorie auf Galaxienebene. Den Vergleich mit den Keplerschen Gesetzen, der oft gemacht wird, finde ich sehr treffend. Hier sticht sie in puncto Vorhersagekraft das ΛCDM-Modell klar aus. Eine Vorhersage der Geschwindigkeitsdispersion der neu entdeckten Galaxie Crater II hatte ich vorige Tage verlinkt. Das ΛCDM-Modell kann derartige Vorhersagen nicht machen.
Das wartet erst ab, bis der empirische Befund da ist, und sagt einem dann, wieviel dunkle Materie man braucht, um ihn hervorzubringen.

Aber MoND hat ein "scale up" -Problem. Um MoND auf großen und größten Skalen anwenden ( und damit das ΛCDM-Modell wirklich kosmologisch herausfordern ) zu können, bedarf es einer relativistischen Erweiterung. Die bisherigen Versuche für eine solche "extended version" ( am bekanntesten TeVeS von Jacob Bekenstein ) waren nur begrenzt erfolgreich.

Gruß,
Lulu

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Universum ohne sichtbare Materie möglich? 30 Okt 2016 17:38 #9176

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ClausS,
ich bin mir wirklich nicht sicher, ob wir vom gleichen Reden.
Nur mal zur Sicherheit: Mit Anisotropie meine ich die der Hintergrundstrahlung. Und die wird doch durch gravitative Effekte, aber auch noch durch andere Streuungseffekte an normaler Materie erklärt. Für die gravitativen Effekte kommen sowohl DM und auch normale Materie infrage. Die Streuungseffekte können nach jetzigen Kenntnisstand nur durch normale Materie erklärt werden. Darum geht es mir und ob diese Komponenten in rein gravitative und Streueffekte soweit aufgedröselt werden könnte, um daraus Rückschlüsse über die Existenz von DM zu ziehen.
Oder noch mal konkret: Hätte die Hintergrundstrahlung in unserem Universum eine andere Anisotropie, wenn es keine normale Materie gäbe (Thema des Threads), aber die DM sich genauso zusammenballte zu der kosmischen Struktur, zu den Clusters, die wir annehmen?
Aber so richtig drin in diesem Thema bin ich auch nicht.
Grüße Cyborg

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