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Im Folgenden ein didaktisches Modell, das das Phänomen der gravitativen Wechselwirkungsinstabilitäten veranschaulichen soll. Stellen wir uns eine Art Schwimmbecken vor. In halber Höhe unter Wasser befindet sich eine horizontale, flexible, gewichtslose Plane. Oben werden Gewichte platziert, die auf die Plane drücken. Unten werden gleich viele Tischtennisbälle mit gleichem Volumen angeordnet. Diese, empfindlich gegenüber dem Auftrieb nach Archimedes, üben ebenfalls Druck auf die Plane aus, jedoch in entgegengesetzter Richtung. Man kann auch dafür sorgen, dass alle Kugeln denselben Durchmesser haben.
Wenn sich auf beiden Seiten eine gleichmäßige Verteilung schwerer Kugeln und Tischtennisbälle befindet, ist die resultierende Kraft auf die Plane überall null, und die Plane bleibt horizontal (die Krümmung ist null). Doch zufällig können sich schwerere Kugeln an einer Stelle sammeln. Sie werden die Plane vertiefen und dabei die Tischtennisbälle weiter weg drängen. In einer Querschnittsdarstellung nimmt die Oberfläche dann folgende Form an:
Schwere Kugeln sammeln sich und vertiefen die Plane.
Sie drängen die Tischtennisbälle nach außen, wo diese sich sammeln.
Intuitiv erkennt man, dass diese beiden Effekte sich nicht gegenseitig aufheben, sondern vielmehr verstärken. Die Anwesenheit eines Ringes aus überzähligen Tischtennisbällen um die Vertiefung verstärkt deren Vertiefung, also die „Einschließung“ der dichten Kugeln.
Die gravitative Instabilität könnte auch mit nur einer Population veranschaulicht werden, indem man schwere Kugeln auf eine ausreichend weiche Matratze aus Schaumstoff legt. Wenn sich einige dieser Kugeln zufällig an einer Stelle sammeln, entsteht eine Vertiefung, in die ihre Nachbarn tendieren, sich hineinzubewegen. Dieses Phänomen nennt man Akkretion.
Wenn man eine Plane hätte und nur darunter Tischtennisbälle anordnete, wäre dieses System ebenfalls instabil. Wenn sich an einer beliebigen Stelle Tischtennisbälle sammeln, würden sie ihre Nachbarn dazu veranlassen, sich ebenfalls dorthin zu bewegen.
Mit diesem Modell mit zwei Populationen – schweren Kugeln und Tischtennisbällen – haben wir zwei sich verstärkende Effekte, die das Phänomen der gravitativen Wechselwirkungsinstabilitäten veranschaulichen.
Dieses Modell hat außerdem den Vorteil, die Symmetrie zwischen den beiden Teil-Systemen zu veranschaulichen.
Wenn man das System mit zwei Populationen wiederum betrachtet, ergibt sich folgendes Bild:
Tischtennisbälle sammeln sich und bilden eine Erhebung in der Plane.
Sie drängen die schweren Kugeln nach außen.
Daher wurde versucht, diese Idee zu testen, ausgehend von zwei Verteilungen:
- Kühle Materie, Dichte
r
- Geistermaterie mit Dichte
r *
@64 r
, wärmer: Die mittlere thermische Bewegungsgeschwindigkeit in der Geisterwelt
V*th
ist viermal höher als in unserer Welt. Diese Parameter stammen aus der Untersuchung der gemeinsamen Expansion zweier Universen [siehe auf der Webseite:
Geometrische Physik,
3
, Abschnitt 3 und Abbildung 5
].
Die Berechnungen wurden mittels zweidimensionaler numerischer Simulationen durchgeführt, jeweils mit 5000 Massenpunkten. Die Ergebnisse sind nur qualitativ. Es wäre notwendig, dreidimensionale Berechnungen durchzuführen, dafür aber eine viel größere Anzahl von Massenpunkten zu verarbeiten, was unser System nicht leisten konnte. Daher sollten diese zweidimensionalen Ergebnisse nicht wörtlich genommen werden.
Qualitativ führt die Geistermaterie das Spiel. Sie erzeugt relativ schnell Klumpen (Clumps), da ihre Akkretionszeit, umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Dichte, kürzer ist. Diese Klumpen drängen dann unsere eigene Materie in den verbleibenden Raum und verleihen ihr so ihre lückenhafte Struktur. Siehe: J.P. Petit, P. Midy und F. Landsheat: Matter Ghost Matter Astrophysics. 5: Ergebnisse zweidimensionaler numerischer Simulationen. VLS. Über ein mögliches Schema für die Galaxienbildung. [Siehe auf der Webseite:
Geometrische Physik A,
8
, 1998.
]
Beide überlagert:
Der Vorteil besteht darin, dass diese Verteilung stabil ist. Die Klumpen der Geistermaterie stabilisieren die lückenhafte Materieverteilung, und umgekehrt halten diese Klumpen die Materie in ihren „Maschen“ gefangen. Dies könnte die große Stabilität erklären, die erreicht wurde (im Bereich des Alters des Universums). Die „Maschen“ der Materie fungieren dann als Potentialbarriere gegenüber den Elementen der Geistermaterie, die aus den Klumpen stammen und bei Kollisionen (im angelsächsischen Sinne von „encounter“, also binäre Wechselwirkung zwischen zwei Massenpunkten der Geistermaterie) beschleunigt werden.
Anmerkung
(Februar 2000):
Alle diese Berechnungsergebnisse stammen aus sechs Jahren zurück. Wie man aus den Lesern meiner Bücher erfahren konnte, wurden diese Simulationen, die sehr interessant und vielversprechend waren, 1993–1994 zunächst von meinem Kollegen und Freund Pierre Midy auf einem alten Cray-Rechner durchgeführt, dann von „Fred“, einem jungen Forscher, der sich lieber anonym verblieb – was ich ihm vollkommen recht gebe. Die Berechnungen wurden damals „im Hintergrund“ auf dem leistungsstarken Computer durchgeführt, der die Daten eines europäischen Teilchenbeschleunigers verwaltete. Danach wechselte Fred das Labor, und dort war eine solche Art von Berechnung nicht mehr möglich. Die numerische Simulation wurde daher sechs Jahre lang aufgegeben. Doch kürzlich ist ein neuer Umstand eingetreten. Erstens haben die Rechner in sechs Jahren so große Fortschritte gemacht (Geschwindigkeit und vor allem Speicherkapazität), dass Berechnungen, die früher nur auf leistungsstarken Rechnern für Forschungszwecke möglich waren, nun auch für „einfache Privatpersonen“ zugänglich sind. Zwei Männer, genauer gesagt zwei im Ruhestand befindliche Ingenieure, aber leidenschaftliche Astrophysiker und Kosmologen, haben sich daher gemeldet. Indem sie ihre eigenen Maschinen programmierten, hatten sie bereits recht ansprechende Simulationen durchgeführt, indem sie eine „zweidimensionale digitale Galaxie“ aus 3000 Massenpunkten durch einen „Vorbeigänger“ aus 300 Massenpunkten störten. Kurz gesagt: das klassische Schema, das zur spiralförmigen Struktur der „Hundespirale“, alias M51, führt. Wenn man diese Bilder sieht, denkt man sofort: „Das entspricht genau dem, was wir vor zehn Jahren in Forschungseinrichtungen mit leistungsstarken Rechnern erreichen konnten.“ Natürlich blieb die Spiralstruktur nicht erhalten; sie verschwand, sobald der störende Begleiter sich entfernte (ein Effekt, den man lange kannte). Unsere beiden Ingenieure, angeregt durch diese ermutigenden Ergebnisse, kontaktierten sechs bekannte Astrophysiker, um „Anleitung“ zu erhalten, doch keiner hatte die Höflichkeit, zu antworten. Ich war also der siebte Astrophysiker, den sie kontaktierten. Sie können sich vorstellen, dass ich umso erfreuter war, diesen Zusatz zu erhalten, und sofort diese neuen Mitarbeiter in neue Simulationen eingebunden habe. Anscheinend schlagen sie sich sehr gut, und wenn alles gut verläuft, werden wir in den nächsten Monaten „frische Ergebnisse“ vorlegen können. Eine spannende Angelegenheit, denn das Ziel ist nichts anderes, als die Geburt einer Galaxie zu simulieren. Sache, die weiter zu verfolgen ist.
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