Fragen Sie Ethan: Können Strahlungsverluste von Sternen dunkle Energie erklären?

Die Idee des Künstlers von jenen Zeiten des Universums, in denen die ersten Sterne gebildet wurden. Aufgrund ihres Lichts und ihrer Fusionen emittieren sie sowohl elektromagnetische als auch Gravitationsstrahlung. Aber kann die Umwandlung von Materie in Energie Antigravitation erzeugen?

Auf dem Weg unserer Kenntnis des Universums gibt es Rätsel, deren Antwort noch niemandem bekannt ist. Dunkle Materie, dunkle Energie, kosmische Inflation - all diese Ideen sind unvollständig und wir wissen nicht, welche Art von Partikeln oder Feldern für sie verantwortlich sind. Es ist möglich, obwohl die meisten Fachleute es für unwahrscheinlich halten, dass eines oder mehrere dieser Rätsel eine nicht standardmäßige Lösung haben, die keiner von uns erwartet.

Zum ersten Mal in der Geschichte der Kolumne „Ask Ethan“ erhielt ich eine Frage von einem Nobelpreisträger - John Cromwell Mather -, der wissen möchte, ob die Sterne, die Masse in Energie umwandeln, für die Effekte verantwortlich sein können, die der dunklen Energie zugeschrieben werden:

Was passiert mit der Schwerkraft, die eine verschwindende Masse ausübt, wenn sie durch Kernreaktionen in Sternen in Licht und Neutrino umgewandelt wird oder wenn sich Masse in einem Schwarzen Loch sammelt oder wenn sie sich in Gravitationswellen verwandelt? Mit anderen Worten, sind Gravitationswellen, elektromagnetische Wellen und Neutrinos eine Schwerkraftquelle, die genau der zuvor vorhandenen Masse entspricht, die sich in sie verwandelt hat, oder nicht?

Tolle Idee. Lassen Sie uns herausfinden, warum.


Künstlerische Darstellung der Verschmelzung zweier Neutronensterne. Das von Wellen bedeckte Raum-Zeit-Gitter stellt Gravitationswellen dar, die während einer Kollision emittiert werden, und die Strahlen sind Gammastrahlen, die einige Sekunden nach Gravitationswellen schießen (Astronomen erkennen sie in Form von Gammastrahlenausbrüchen ). In einem solchen Fall verwandelt sich die Masse in zwei Arten von Strahlung.

In der allgemeinen Einstein-Relativitätstheorie kann ein Modell des Universums, das genaue Lösungen liefert, auf nur wenige Arten konstruiert werden. Wir können die Raumzeit in einem absolut leeren Universum genau beschreiben. Wenn Sie eine einzelne Masse in ein leeres Universum legen, wird die Aufgabe viel komplizierter, aber die Lösung kann immer noch aufgeschrieben werden. Und wenn Sie die zweite Masse in ein solches Universum legen, wird die Aufgabe nicht gelöst. Wir können nur Schätzungen vornehmen und versuchen, eine numerische Lösung zu finden. Diese ärgerlich komplexe Eigenschaft der Raumzeit, die so schwer genau zu beschreiben ist, lässt uns so viel Computerleistung und Aufwand in der theoretischen Forschung verbrauchen und so viel Zeit damit verbringen, die von LIGO aufgezeichnete Fusion von Schwarzen Löchern und Neutronensternen korrekt zu modellieren.


Die Arbeit der Schwerkraft wird nicht nur durch den Ort und die Größe der Massen bestimmt, sondern auch dadurch, wie sich diese Massen relativ zueinander bewegen und in einem Gravitationsfeld beschleunigen, das sich mit der Zeit ändert. In der allgemeinen Relativitätstheorie kann ein System mit mehr als einer Masse nicht genau bestimmt werden.

Einer der wenigen Fälle, in denen wir die genaue Lösung finden können, beschreibt ein Universum, das überall und in alle Richtungen mit der gleichen Menge an „Substanz“ gefüllt ist. Es spielt keine Rolle, um welche Art von „Substanz“ es sich handelt. Es kann eine Menge von Partikeln sein, eine Flüssigkeit, Strahlung, eine Eigenschaft des Raumes selbst, ein Feld mit den gewünschten Eigenschaften. Es kann eine Mischung aus verschiedenen Dingen sein, zum Beispiel normaler Materie, Antimaterie, Neutrinos, Strahlung und sogar mysteriöser dunkler Materie und dunkler Energie.

Wenn dies Ihr Universum beschreibt und Sie wissen, in welchen Anteilen Sie all diese Substanzen haben, müssen Sie nur die Expansionsgeschwindigkeit des Universums messen. Danach erfahren Sie sofort, wie es sich im Laufe seines Lebens und in Zukunft erweitert hat. Wenn Sie wissen, woraus das Universum besteht und wie es sich heute ausdehnt, können Sie das Schicksal des gesamten Universums herausfinden.


Die erwarteten Varianten der Entwicklung des Universums (die drei besten) entsprechen einem Universum, in dem Materie und Energie mit der anfänglichen Expansionsrate zu kämpfen haben. In unserem beobachtbaren Universum ist die kosmische Beschleunigung mit einer Art dunkler Energie verbunden, die derzeit ungeklärt ist. Alle diese Universen werden von den Friedman-Gleichungen bestimmt .

Wenn wir diese Berechnungen auf der Grundlage des von uns heute beobachteten Universums durchführen, stellen wir fest, dass es besteht aus:

• 68% dunkle Energie
• 27% der dunklen Materie
• 4,9% der normalen Materie
• 0,1% Neutrino
• 0,01% Strahlung

Und eine vernachlässigbare Menge anderer Komponenten: Krümmung, Antimaterie, kosmische Fäden und alles andere, was Sie sich vorstellen können. Die Gesamtunsicherheit in den Mengen der aufgeführten Komponenten überschreitet 2% nicht. Wir haben auch das Schicksal des Universums erfahren - dass es sich für immer ausdehnen wird - und sein Alter: 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Dies ist eine bemerkenswerte Leistung der modernen Kosmologie.


Illustrierte Zeitleiste für die Geschichte des Universums. Wenn die Menge an dunkler Energie klein genug ist, um die Bildung der ersten Sterne zu ermöglichen, ist das Auftreten der für das Leben notwendigen Inhaltsstoffe im Universum fast unvermeidlich. Und unsere Existenz bestätigt diese Tatsache.

Alle diese Berechnungen werden jedoch auf der Grundlage unseres Modells des Universums durchgeführt, wobei die gleichmäßige Verteilung der Substanzen im gesamten Universum in alle Richtungen angenähert wird. Im wirklichen Universum bröckelt, wie Sie vielleicht bemerkt haben, alles. Es gibt Planeten, Sterne, Gas- und Staubhaufen, Plasma, Galaxien, Galaxienhaufen und die großen kosmischen Fäden, die sie verbinden. Es gibt riesige kosmische Hohlräume , die sich manchmal auf Milliarden von Lichtjahren erstrecken. Ein mathematisch perfekt einheitliches Universum heißt homogen, und unser Universum ist überraschend inhomogen. Es ist möglich, dass alle unsere Ideen, auf deren Grundlage wir die angegebenen Schlussfolgerungen gezogen haben, falsch sind.


Simulationen (rot) und Galaxienbeobachtungen (blau / magenta) zeigen in großen Maßstäben die gleichen Clustermuster. Im kleinen Maßstab ist das Universum nicht homogen.

Im größten Maßstab ist das Universum jedoch homogen. Wenn Sie sich die kleinen Skalen ansehen, die die Größe eines Sterns, einer Galaxie oder eines galaktischen Clusters haben, werden Sie feststellen, dass Gebiete mit einer viel höheren oder niedrigeren Dichte im Vergleich zum Durchschnittswert vorhanden sind. Wenn Sie jedoch die Größenordnung von 10 Milliarden Lichtjahren untersuchen, scheint das Universum im Durchschnitt an allen Orten ungefähr gleich zu sein. Auf den größten Skalen ist das Universum zu mehr als 99% homogen.

Glücklicherweise können wir numerisch bewerten, wie gut (oder schlecht) unsere Annahmen sind, indem wir das Ergebnis der Exposition gegenüber inhomogenen Störungen über eine Homogenität im großen Maßstab berechnen. Ich selbst habe solche Berechnungen im Jahr 2005 durchgeführt und festgestellt, dass der Beitrag der Inhomogenität zur Expansionsrate 0,1% nicht überschreitet und sich nicht wie dunkle Materie verhält.


Bruchteil der Beiträge der Gravitationspotentialenergie W (Linie mit einem langen Strich) und der kinetischen Energie K (durchgezogene Linie) zur Gesamtenergiedichte des Universums, konstruiert als Funktion der vergangenen und zukünftigen Expansion des Universums, in dem es Materie, aber keine dunkle Energie gibt. Eine kurze gestrichelte Linie zeigt die Summe der Beiträge inhomogener Faktoren an. Die gestrichelten Linien zeigen die Ergebnisse der Theorie der linearen Störungen.

Mit diesen Berechnungen ist jedoch noch eine weitere Möglichkeit verbunden: Bestimmte Energiearten können sich im Laufe der Zeit von einer Form in eine andere ändern. Insbesondere dank:

• Verbrennung von Kernbrennstoff in Sternen,
• die Gravitationskollaps von Wolken, die sich in dichte Objekte verwandeln,
• die Verschmelzung von Neutronensternen und Schwarzen Löchern,
• Spiralansatz vieler Gravitationssysteme,

Materie oder Masse kann sich in Strahlung oder Energie verwandeln. Mit anderen Worten, es ist möglich, das Verhalten der Schwerkraft im Universum zu ändern und seine Expansion (oder Kompression) im Laufe der Zeit zu beeinflussen.


Obwohl wir die Verschmelzung von Schwarzen Löchern im Universum viele Male beobachtet haben, wissen wir, dass es noch mehr davon gibt. Mit LISA können wir manchmal in einigen Jahren vorhersagen, wann genau die Fusion supermassiver Schwarzer Löcher stattfinden wird.

Wenn zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen, kann ein ziemlich bedeutender Teil der Masse in Energie umgewandelt werden: Fleisch bis zu 5%. Bei der ersten Fusion zweier von LIGO entdeckter Schwarzer Löcher verschmolzen BHs in 36 Sonnenmassen und BHs in 29 Sonnenmassen und bildeten ein BH mit einer Masse von 62 Sonnenmassen. Was ist mit 3 Sonnenmassen passiert? Sie wandelten sich nach Einsteins E = mc ² in Form von Gravitationswellen in Energie um.

Die Frage läuft daher auf Folgendes hinaus: Wie wirkt sich der Übergang von Masse zu Strahlung auf die Expansion des Universums aus? In einer kürzlich erschienenen Arbeit behaupten Nick Gorkavy und Alexander Vasilkov, dass es eine abstoßende Kraft gegen die Schwerkraft erzeugen kann.


Computersimulation der Fusion zweier Schwarzer Löcher unter Erzeugung von Gravitationswellen. Ist Abstoßungskraft möglich, wenn sich Masse in Strahlung verwandelt?

Leider basiert diese Aussage auf etwas, das nur gegen die Schwerkraft zu sein scheint. Wenn wir eine bestimmte Menge an Masse haben, erfahren wir eine gewisse Anziehungskraft auf die Gravitation: Dies gilt sowohl für Einsteins Theorie als auch für Newtons Theorie für die Schwerkraft. Wenn Sie die Masse in Energie umwandeln und sie mit Lichtgeschwindigkeit nach außen ausstrahlen, mit der sich alle masselose Strahlung bewegt, werden wir feststellen, dass die Anziehungskraft auf die Masse plötzlich schwächer wird, wenn diese Strahlung an uns vorbei fliegt.

Die Krümmung der Raum-Zeit ändert sich, und wo wir zum ersten Mal eine Gravitationsanziehung einer bestimmten Größenordnung erlebten, werden wir beginnen, eine 5% geringere Anziehung zu erfahren. Mathematisch entspricht dies dem Auftreten einer abstoßenden Anti-Gravitationskraft auf das System. Tatsächlich werden Sie diese verringerte Anziehungskraft aufgrund der Umwandlung von Masse in Energie erfahren, und die Schwerkraft der Strahlung wirkt anders (insbesondere wenn sie an Ihnen vorbeigeht). Dies wurde ziemlich klar beschrieben [als Reaktion auf die obige Arbeit].


Jedes Objekt oder jede Form, physisch oder nicht physisch, wird verzerrt, wenn Gravitationswellen durch sie hindurchtreten. Jedes Mal, wenn sich eine große Masse mit Beschleunigung durch einen Abschnitt gekrümmter Raumzeit bewegt, werden Gravitationswellen zu einer unvermeidlichen Folge dieser Bewegung. Wir können jedoch die Wirkung dieser Strahlung auf den Weltraum berechnen und sie führt weder zu einer Abstoßung noch zu einer beschleunigten Expansion.

Wir können noch weiter gehen und berechnen, wie sich diese Transformation auf das gesamte Universum auswirkt! Wir können den Beitrag von Gravitationswellen zur Energiedichte des Universums numerisch bewerten und feststellen, welcher Teil der Energie des Universums Strahlung aller Art ist . Strahlung wird wie Masse quantisiert, so dass mit zunehmender Volumina des Universums (wie der Abstand in einem Würfel) die Teilchendichte abnimmt (umgekehrt proportional zum Würfel der Entfernung). Im Gegensatz zur Masse hat Strahlung jedoch eine Wellenlänge, und mit der Ausdehnung des Raums nimmt diese Länge zu und die Frequenz nimmt umgekehrt mit der Entfernung ab. Strahlung wird schneller weniger gravitativ als Materie.

Wir müssen auch die richtige Zustandsgleichung erhalten. Materie und Strahlung ändern sich im Laufe der Zeit, aber die Dunkle Energie behält eine konstante Dichte im gesamten Raum bei, wenn sich das Universum ausdehnt. Mit der Zeit sehen wir, dass sich das Problem nur noch verschlimmert. Dunkle Energie dominiert immer mehr, Materie und Strahlung werden immer weniger wichtig.

Materie und Strahlung tragen eine anziehende Kraft und verlangsamen das Universum, aber keines dieser Phänomene kann in der Energiedichte dominant bleiben, während sich das Universum ausdehnt.


Blau schattierter Bereich - mögliche Unsicherheiten in der Dichte der dunklen Energie in der Vergangenheit und Zukunft. Die Daten zeigen, dass dies eine echte kosmologische Konstante ist, während wir andere Möglichkeiten nicht aufgeben. Leider kann die Umwandlung von Materie in Energie nicht die Rolle der Dunklen Energie spielen. das, was sich früher wie Materie verhielt, verhält sich jetzt wie Strahlung.

Wenn wir ein Universum mit beschleunigter Expansion schaffen wollen, dann brauchen wir nach unserem besten Wissen eine neue Energieform, die sich von der bereits bekannten unterscheidet. Wir haben diese Form dunkle Energie genannt, obwohl wir uns ihrer Natur nicht 100% sicher sind.

Trotz unserer Unwissenheit in diesem Bereich können wir jedoch sehr deutlich feststellen, was dunkle Energie nicht ist. Dies sind keine Sterne, die ihren Treibstoff verbrennen. es ist keine Materie, Gravitationswellen zu emittieren; Dies sind keine Folgen des Gravitationskollapses. es ist nicht das Ergebnis von Fusionen oder Annäherungen in einer Spirale. Es ist möglich, dass irgendwann ein neues Gravitationsgesetz Einsteins Gesetze ersetzen wird, aber im Kontext der allgemeinen Relativitätstheorie ist es unmöglich, unsere aktuellen Beobachtungen mit Hilfe der bekannten Physik zu erklären. Wir müssen etwas wirklich Neues entdecken.