Zwillingsuniversum
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Die großräumige Struktur des Universums.
...Wenn der zweite Universum seine Expansion durch unseres behindert wird, verlangsamt sich seine Dichte r*, bleibt jedoch auf einem höheren Wert, ebenso wie seine Temperatur. Es wird dann entschieden, die gravitative Instabilität in einem System aus zwei Populationen zu untersuchen, die sich selbst anziehen, sich aber gegenseitig abstoßen.
...Nach der Theorie reagiert die dichteste am schnellsten und am stärksten. Sie wird durch gravitative Instabilität Clustern aus Geistermaterie hervorbringen.
...Was ist die gravitative Instabilität, die erstmals von Sir James Jeans, bereits erwähnt, untersucht wurde?
...Betrachten wir ein Medium mit einer Dichte r, dessen Elemente einer bestimmten thermischen Bewegungsgeschwindigkeit Vth unterliegen, und untersuchen wir, ob sich mögliche Dichtestörungen vergrößern oder abbauen. Wir nehmen an, dass an einer Stelle eine Überdichte mit einem Durchmesser f entstanden ist.
...Die thermische Bewegung neigt dazu, diese Störung natürlich zu zerstreuen. In welcher Zeit? In einer Zeit, die der Größenordnung von
...entspricht.
...Das ist die Zeit, die ein Atom benötigt, um die Strecke f zurückzulegen, also auch die Zeit, die ein Klumpen benötigt, um seinen Durchmesser zu verdoppeln.
...Stellen wir uns vor, die thermische Bewegung sei null. Diese Atome ziehen sich an. Der Klumpen neigt dazu, sich selbst zu komprimieren. Man kann die Zeit berechnen, die benötigt wird, um sich zu kontrahieren. Tatsächlich ähnelt ein "Staubwolke", die sich selbst implodiert, dem Urknall, nur umgekehrt:
...Man vergleicht nun diese beiden Zeiten.
...Es wird eine Kondensation einer Störung geben, wenn die Akkretionszeit kürzer ist als die Zeit der Selbstverbreiterung durch thermische Bewegung.
...Störungen mit einem Durchmesser größer als eine charakteristische Länge, die sogenannte Jeans-Länge Lj, werden sich verstärken und zu Kondensaten, Clustern von Materie (Clumps) führen.
...Wenn sich dieser "Klumpen" aus Materie bildet, wird die Materie komprimiert und erhitzt. Die Druckkräfte steigen an und stoppen schließlich den Prozess.
...Man nennt dies gravitative Instabilität oder Jeans-Instabilität.
Bezogen auf das Standardmodell könnte man sagen:
- Sehr gut. Nach dem Urknall kühlt sich das Universum durch Expansion ab, und die Ausbildung der gravitativen Instabilität ermöglicht mir, ein Szenario für die Entstehung von Galaxien und Sternen zu entwickeln.
...Wenn es so einfach wäre, wäre es bereits geschehen. Tatsächlich gibt es kein Modell für die Entstehung von Galaxien. Einige glauben, dass Sternhaufen zuerst entstanden, dann Galaxien, dann Sterne. Andere vertreten die gegenteilige Ansicht.
...Außerdem spielt sich dies alles in einem noch sehr stark expandierenden Universum ab. Die Entdeckung von Galaxien mit sehr hohem Rotverschiebungswert zeigt, dass es sich um äußerst alte Objekte handelt (bestätigt durch das Alter der ältesten Sterne in der Galaxie). Theoretisch können wir dies alles nicht handhaben.
Aber wir wissen zwei Dinge:
1: Diese gravitative Instabilität kann ihre Rolle nicht spielen, solange das Materiegas stark mit dem "Photonengas" gekoppelt bleibt, solange das Universum ionisiert bleibt. Denn Photonen interagieren stärker mit freien Elektronen (aus den Atomen entwichen) als mit Elektronen, die um Kerne kreisen. Die Photonen bilden auf ihre Weise ebenfalls ein "Gas". Bei der Expansion dehnt sich dieses Gas aus, wie die Materie, und besitzt einen eigenen Druck, die sogenannte Strahlungsdruck. Wenn Materie und Photonen stark gekoppelt sind, zieht eine ionisierte Gasmasse beim Zusammensinken auch das Photonengas mit sich.
- Aber die Photonen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit! Wie kann eine endliche Gasmasse Photonen "einfangen"?
...Einfangen, verstanden. In dieser Gasmasse werden Photonen ständig absorbiert und wieder emittiert. Aufgrund dieser ständigen Absorption und Emission haben die Photonen große Mühe, aus dieser gasförmigen Masse zu entweichen. In diesem Sinne sind sie dort gefangen (genau wie die Photonen, die im Zentrum der Sonne entstehen und nur sehr mühsam und langsam ihre Oberfläche erreichen).
...Wenn das Universum jünger als 500.000 Jahre ist, ist nicht nur die Strahlung in den ionisierten Gasmassen gefangen, die Versuche, Klumpen zu bilden, sondern der Strahlungsdruck ist noch zu hoch, um solche Kondensationen zuzulassen.
Fazit: Homogenität des Universums, oder zumindest nahezu Homogenität bis t = 500.000 Jahre, gemäß dem Standardmodell. Wenn etwas geschieht, dann erst danach.
2: Es gibt Sterne, die in Galaxien zusammengefasst sind, die ihrerseits eine großräumige Struktur bilden. Einige Galaxien bilden selbst wieder Haufen (Haufen Coma, Haufen Virgo) mit tausend Individuen. Anfangs dachte man, dies würde sich auf einer größeren Skala fortsetzen und entwickelte die Idee von Superhaufen, Haufen von Haufen.
...Die Beobachtung hat jedoch etwas völlig anderes ergeben. Tatsächlich verteilen sich die Galaxien so, dass man dies als "verknüpfte Seifenblasen" bezeichnen könnte. Die Galaxienhaufen sind nur die "Knoten" einer solchen Verteilung. Nachfolgend das Ergebnis der Auswertung von Beobachtungen (1977).
...So verteilen sich die Galaxien auf sehr großer Skala (Very Large Structure) um große Vakuumblasen, deren charakteristischer Durchmesser etwa hundert Millionen Lichtjahre beträgt.
...Bei einer anderen Herangehensweise versuchten Forscher, solche Strukturen zu rekonstruieren, ausgehend von einer gleichmäßigen Materieverteilung (natürlich in einem einzigen Universum). Die ursprüngliche Theorie war die der Wachstums von ebenen Störungen in Form von "Pfannkuchen" (die "Pancakes" von Zel'dovich). Doch die Ergebnisse enttäuschten. Computer-Simulationen ergaben zwar einige Zellen, diese zerfielen jedoch schnell durch thermische Bewegung. Derzeit existiert keine überzeugende Theorie für die Entstehung solcher Strukturen. Man erreicht bestenfalls eine gewisse Stabilität, die jedoch nur relativ ist, indem man sie mit "kalter dunkler Materie" "verfestigt".
...Es gibt eine geometrische Interpretation dieser Massenpunktverteilung: gewöhnliche Materie wird von Clustern aus Geistermaterie abgestoßen, was bereits oben dargestellt wurde.
...Wir betrachten eine Fläche, die einer Netzhaut entspricht, die auf Zeltstangen mit abgerundeten Spitzen aufgespannt ist. Dabei sei bemerkt, je abgerundeter die Spitzen der Stangen sind, desto größer wird der Klumpen aus Geistermaterie. Umgekehrt, wenn die Stangen spitzer sind, wird der Klumpen kleiner. Im Grenzfall unendlich spitzer Stangen entspricht dies konzentrierten positiven Krümmungspunkten.
...Hier geben wir ein anderes Modell an, das der folgenden Abschnitt entsprechen wird.
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