Fragen Sie Ethan Nr. 67: Dunkle Materie gegen dunkle Energie
Das Universum sieht bizarr aus: die Fülle an Galaxien, viele Cluster, aber es gibt nichts viel Größeres. Warum ist sie so geworden?
Es ist unwahrscheinlich, dass wir uns unachtsam um die Bildung unserer Überzeugungen kümmern, aber wir finden in uns eine ungerechtfertigte Leidenschaft für sie, sobald jemand vorschlägt, uns ihrer Gesellschaft zu berauben
- James Harvey Robinson
Natürlich haben die meisten von uns Ideen darüber, wie unser Universum so wurde, wie es ist. Aber einige Details, egal wie wissenschaftlich fundiert sie sind, sind verwirrend. Diese Woche stellt mir Tom Anderson eine Frage:Dunkle Materie zieht an, dunkle Energie stößt ab. Dunkle Energie unterstützt kontinuierlich die Ausdehnung des Raums zwischen gravitativ verbundenen Galaxien / Clustern, und die aktuelle wissenschaftliche Ansicht ist, dass sie sich ausdehnen, für immer abkühlen und alles mit „großem Gefrieren“ enden wird. Gravitationsgekoppelte Systeme dehnen sich jedoch nicht aus, und die kombinierte Gravitationskraft von dunkler und gewöhnlicher Materie ist gleich oder größer als die Abstoßungskraft von dunkler Energie und gewöhnlicher Energie. Warum hat sich das Universum nach dem Urknall überhaupt erweitert? Warum wirkte dunkle Materie der dunklen Energie am Anfang des Universums nicht entgegen?Die Frage ist reichhaltig, also teilen wir sie in Teile.
Die Prinzipien der Arbeit des Universums und der Bildung von Strukturen wie Sternen, Galaxien und Clustern liegen außerhalb der Grenzen unserer täglichen Erfahrung. Wenn es extrem vereinfacht ist, besteht das Universum aus der Erweiterung der Raumzeit, und die Expansionsgeschwindigkeit beginnt mit einem Wert, der durch die Physik der kosmischen Inflation und das Ende der Inflationsperiode bestimmt wird.
Die Expansionsrate bleibt jedoch am Ende der Inflation nicht konstant, da das Universum mit allen möglichen anderen Energieformen gefüllt ist: Strahlung, Materie, Antimaterie, Neutrinos, Dunkle Materie und einer kleinen Menge an Energie, die dem Raum innewohnt und als Dunkle Energie bekannt ist. Es ist eine Kombination aus all dem - die sich mit der Expansion des Universums ändert -, die die Änderung der Geschwindigkeit der Expansion in der Zeit bestimmt.
Auf globaler Ebene, wenn Sie das gesamte Universum nehmen, kollabiert es entweder vollständig oder dehnt sich auf unbestimmte Zeit aus oder befindet sich an der Grenze dieser beiden Fälle - je nachdem, wie hoch das Verhältnis aller verschiedenen Energieformen im Universum sein wird.In dem Universum, in dem wir leben, sieht alles so aus, dass es sich für immer ausdehnt, und in Zukunft wird dunkle Energie die dominierende Kraft.
Diese Analyse funktioniert jedoch nicht auf allen Skalen des Universums: Sie beschreibt nur das Szenario auf globaler Ebene. Er sagt, dass in unserem Fall in Zukunft alle Objekte, die nicht durch die Schwerkraft miteinander verbunden sind, mit Beschleunigung auseinander fliegen werden.Es bleiben jedoch Systeme, die durch die Schwerkraft verbunden sind und im kleinen Maßstab in großen Mengen existieren, im mittleren Maßstab - in Maßen und im großen Maßstab - selten, aber gefunden. Und sie alle erweisen sich als Teil einer kosmischen Geschichte.Das Universum wurde nicht vollkommen glatt geboren, mit genau den gleichen Mengen an Materie, Strahlung, dunkler Materie und dunkler Energie an allen Orten. Wenn dies so wäre, wäre das Universum ein schrecklich langweiliges, idealerweise homogenes Meer, in dem überall alles gleich wäre. Es würde keine Sterne, Galaxien, Planeten, Hohlräume, Menschen, Tiere, Leben, Cluster, Fäden geben.Stattdessen gab es von Anfang an Gebiete im Universum mit erhöhter und verringerter Dichte auf allen Ebenen: klein, mittel und groß.
Dunkle Materie hilft Gebieten mit hoher Dichte zu wachsenund sie können es schnell genug tun, um in nur zehn Millionen Jahren aufgrund der Schwerkraft zusammenzubrechen. Alles läuft so, als ob kleine Abschnitte im Universum mit einer so hohen Dichte erschienen wären, dass wenn das gesamte Universum so dicht wäre, es ziemlich schnell wieder zusammenbrechen würde!
Natürlich ist in vielen anderen Gebieten die Dichte unterdurchschnittlich und sie verteilen ihre Materie auf Gebiete mit hoher Dichte. Wenn das gesamte Universum mit diesen Gebieten identisch wäre, hätten wir sehr, sehr wenige Sterne, Galaxien und Cluster.Aber genau diese Vielfalt der Anfangsbedingungen im Universum hat es uns ermöglicht, die Vielfalt von allem zu erhalten, was wir jetzt sehen. Es gibt Gewinner und Verlierer im Weltraumkampf zwischen dunkler Materie und dunkler Energie, Schwerkraft mit Expansion, im Kampf der kosmischen "Traktion", die Strukturen bildet, und der kosmischen "Abstoßung", die dies verhindert.Wir bemerken Gewinner leichter, weil sie sichtbares Licht und Licht von anderen Teilen des elektromagnetischen Spektrums emittieren und absorbieren, zu Gravitationslinsen führen und weil das Vorhandensein von etwas leichter zu erkennen ist als das Fehlen.
Aber es gibt leere Bereiche, die auch wichtig sind und die viel mehr als "vollständig" sind! Die Gesamtanziehungskraft von dunkler und gewöhnlicher Materie kann sowohl die anfängliche Expansion als auch die zusätzliche Beschleunigungskraft von dunkler Energie überwinden, jedoch nur in kleinen Maßstäben und in recht frühen Zeiten.Durch Erhöhen der Skala sehen wir, dass Abstoßung mehr Siege hat und auf der größten Skala immer gewinnt.Das Universum dehnte sich zunächst aufgrund der Bedingungen der Inflation aus, und die Fähigkeit zum Rückfall - dank der Anziehungskraft von Materie, Dunkler Materie, Strahlung und Neutrinos - reichte nur an ausgewählten Orten für Siege aus. Die Anziehung gewann nicht überall, sondern nur in wenigen Fällen und verlor im Durchschnitt.Aus diesem Grund sehen wir bei der Beobachtung unseres Universums viele Galaxien, von denen sich viele in Gruppen und großen Clustern versammelt haben und die in großem Maßstab entlang der Linien aufgereiht waren. Aber diese Gruppen, die aus Tausenden von Galaxien bestehen und sich über Hunderte Millionen Lichtjahre erstrecken, sind höchstwahrscheinlich die größten der schwerkraftbezogenen Strukturen. In größerem Maßstab sind alle Strukturen vorübergehend, und das Vorhandensein dunkler Energie wird sie schließlich wegziehen.Wenn es im Universum etwas mehr dunkle Materie gäbe - 1/10 24 mehr - würde sie vor Milliarden von Jahren wieder zusammenbrechen. Lange Zeit war es genau ausgeglichen - mit der Schwerkraft, irgendwo lokal zu gewinnen, irgendwo zu verlieren -, aber jetzt, als die dunkle Energie zu überwiegen begann, sehen wir, dass ihre Wirkung überwiegen wird. Es wird am Ende im größten Maßstab und für alles triumphieren, was in den ersten sieben oder so Milliarden von Jahren des Lebens des Universums nicht durch die Schwerkraft gebunden war.Vielen Dank für die wundervolle Frage, und ich hoffe, dass Ihnen und den anderen die Erklärung klar gemacht wurde. Senden Sie mir Ihre Fragen und Vorschläge zu den folgenden Artikeln.Source: https://habr.com/ru/post/de395785/
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