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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 dort auf einem höheren Wert und ebenso seine Temperatur. Es wird dann entschieden, die gravitative Instabilität in einem System aus zwei Populationen zu untersuchen, die sich gegenseitig selbst anziehen, aber sich auch gegenseitig abstoßen.
Nach der Theorie reagiert die dichteste am schnellsten und am stärksten. Sie wird durch gravitative Instabilität Klumpen 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 gewissen thermischen Bewegung Vth unterliegen, und untersuchen wir, ob sich eventuelle Dichtestörungen vergrößern oder abbauen. Wir nehmen an, dass an irgendeiner Stelle eine Überdichte mit einem Durchmesser
f
entstanden ist.
Die thermische Bewegung wird diese Störung natürlich abbauen. In welcher Zeit? In einer Zeit, die der Größenordnung von
entspricht.
Das ist die Zeit, die ein Atom benötigt, um die Strecke
f
zu durchlaufen, also auch die Zeit, die dieser Klumpen benötigt, um seinen Durchmesser zu verdoppeln.
Stellen wir uns vor, die thermische Bewegung sei null. Diese Atome ziehen sich an. Dieser Klumpen neigt dazu, sich selbst zu komprimieren. Man kann die Zeit berechnen, die dafür benötigt wird. 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 Selbstverbreitung durch thermische Bewegung.
Störungen mit einem Durchmesser größer als eine charakteristische Länge, die sogenannte Jeans-Länge Lj, werden sich verstärken und zu Kondensaten, Klumpen von Materie (Clumps) führen.
Wenn sich dieser „Klumpen“ aus Materie bildet, wird die Materie komprimiert und erwärmt. Die Druckkräfte steigen an und stoppen schließlich den Prozess.
Man nennt dies
die 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 zuerst Sternhaufen entstanden, dann Galaxien, dann Sterne. Andere vertreten die gegenteilige Ansicht.
Außerdem spielt sich all dies in einem Universum ab, das noch immer stark expandiert. Die Beobachtung von Galaxien mit sehr hohem Rotverschiebungswert zeigt, dass es sich um äußerst alte Objekte handelt (bestätigt durch das Alter der ältesten Sterne 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 die Kerne kreisen.
Die Photonen bilden auf ihre Weise „ein Gas“. Bei der Expansion dehnt sich dieses Gas aus, wie die Materie, und besitzt einen eigenen Druck, den sogenannten
Strahlungsdruck.
Wenn Materie und Photonen stark gekoppelt sind, zieht eine ionisierte Gasmasse, die sich zusammenziehen möchte, das Photonengas mit sich.
- Aber die Photonen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit! Wie kann eine endliche Gasmasse „Photonen einfangen“?
„Einfangen“ im Sinne von eingeschlossen. In dieser Gasmasse werden Photonen ständig absorbiert und wieder emittiert. Aufgrund dieser ständigen Absorption und Emission haben die Photonen große Schwierigkeiten, die Gasmasse zu verlassen. In diesem Sinne sind sie dort gefangen (und das gleiche gilt für Photonen, die im Zentrum der Sonne entstehen und nur sehr mühsam und langsam bis zur Oberfläche gelangen).
Wenn das Universum jünger als 500.000 Jahre ist, ist nicht nur die Strahlung in den ionisierten Gasmassen gefangen, die Versuche zur Bildung von Klumpen unternommen hätten, sondern der Strahlungsdruck ist noch zu hoch, um solche Kondensationen zuzulassen.
Folgerung: Homogenität des Universums, oder annähernde 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 wiederum eine großräumige Struktur bilden. Einige Galaxien bilden selbst wiederum Haufen (Haufen Coma, Haufen Virgo) mit Tausenden von Einzelobjekten. Anfangs dachte man, dies würde sich auf einer größeren Skala fortsetzen und die Existenz von Superhaufen, Haufen von Haufen, postulierte.
Beobachtungen haben jedoch etwas völlig anderes offenbart. Tatsächlich verteilen sich die Galaxien so, dass man sie als „seifenblasenartige Strukturen“ bezeichnen könnte, die miteinander verbunden sind. Die Galaxienhaufen sind nur die „Knoten“ einer solchen Verteilung. Nachfolgend das Ergebnis der Auswertung der Beobachtungen (1977).
So verteilen sich die Galaxien in sehr großem Maßstab (Very Large Structure) um große Vakuumblasen herum, deren charakteristischer Durchmesser etwa hundert Millionen Lichtjahre beträgt.
Bei einer anderen Herangehensweise versuchten Forscher, solche Strukturen aus einer gleichmäßigen Materieverteilung (natürlich in einem einzigen Universum) wiederherzustellen. Die ursprüngliche Theorie war die der Wachstum von ebenen Störungen, in Form von „Pfannkuchen“ (die „Pancakes“ von Zel'dovitch). Doch die Ergebnisse enttäuschten. Computer-Simulationen ergaben zwar einige Zellen, doch diese zerfielen schnell durch thermische Bewegung. Derzeit existiert keine überzeugende Theorie zur Entstehung solcher Strukturen. Man kann lediglich ihre relative Dauerhaftigkeit erreichen, indem man sie mit „kühler dunkler Materie“ „verfestigt“.
Es gibt eine geometrische Interpretation dieser Massenpunktverteilung: gewöhnliche Materie wird von Klumpen aus Geistermaterie abgestoßen, was bereits oben dargestellt wurde.
Wir betrachten eine Fläche, die einer Plane entspricht, die auf Zeltstangen mit abgerundeten Spitzen aufgespannt ist. Dabei sei bemerkt, je abgerundeter die Spitzen der Stangen sind, desto ausgedehnter wird der Klumpen aus Geistermaterie. Umgekehrt, wenn die Stangen spitzer sind, wird der Klumpen kleiner. Im Grenzfall unendlich spitzer Stangen entspricht dies Regionen mit positiver Krümmung, also konzentrierten positiven Krümmungspunkten.
Hier geben wir ein anderes Modell an, das der folgenden Abschnitt entsprechen wird.
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