Zerreist der Big Rip auch die Dunkle Materie?

[Alexander]

Hallo!

Wenn man der Beobachtung, dass das Universum als Funktion der Zeit immer schneller expandiert, Glauben schenkt, kommt man ja zu einem Big Rip, bei dem die Expansion des Universums dergleichen rapide verläuft, dass der neu entstehende Raum durch keine Kraft mehr kompensiert werden kann, sodass Materie auseinandergezogen wird.
Nun gibt es auch diese ominöse Dunkle Materie, die allein schon aufgrund ihrer Eigenschaft, die Gravitationslinsen zu generieren, der baryonischen Materie, was die Wirkung als Masse in der Raumzeit anbelangt, äquivalente Eigenschaften hat. Schon vor längerer Zeit fragte ich mich daher: Wäre es konsequent, anzunehmen, dass auch diese Materie von der beschleunigten Expansion des Universums betroffen sein wird, oder ist das zu spekulativ, da man die Zusammensetzung dieser Materie nicht kennt (oder weiß man mittlerweile mehr?)?

MfG
Alexander!

[gravi]

Hi Alexander,

das ist eine wirklich gute Frage!
Höchstwahrscheinlich wird sie aber niemand beantworten können
Wir wissen bis jetzt einfach viel zu wenig über die DM - vor allem noch nicht einmal 100%ig sicher, ob sie überhaupt existiert.
Unsere Hoffnungen in dieser Hinsicht ruhen ja auf dem LHC, allerdings gibt es inzwischen auch Überlegungen, wie man die Beobachtungen auch ohne die DM erklären kann.
Ich befürchte, wir müssen das einfach abwarten, um irgendwann Antworten zu bekommen.

Schönen Gruß
gravi

[Barde]

Den "Big Rip" hatte ich eigentlich so aufgefasst, dass alles bis einschließlich der Raumzeit selbst "zerreißt" und das Universum dann nicht mehr existiert. Damit träfe es auch die dunkle Materie. Egal, was es ist.
Allerdings verstehe ich daran nicht, warum sich plötzlich "materiebeladener" Raum auch ausdehen soll. Bisher überwiegt ja auf "kleinen" Skalen von ein paar 100 Millionen Lichtjahren offensichtlich die Gravitation und die Expansion findet anscheinend in den gewaltigen Leerräumen zwischen den immer enger zusammenwachsenden Materieansammlungen statt.
Muss sich das zwingend ändern, wenn das Universum in größeren Distanzen immer schneller expandiert?

[Alexander]

Ja, denn soweit ich das noch weiß, expandiert der Raum auch kontinuierlich in den kleinen Skalen, nur dort wird der neu generierte Raum durch Gegenkräfte kompensiert, sodass die Bilanz der Raumneubildung negativ ausfällt. Denkt man aber eine beschleunigte Expansion des Universums konsequent mit zunehmender Intensität in die Zukunft, so kommt es in spätestens 50*10[up]9[/up] Jahren zum Big Rip, was also heißt, dass dann der Raum derartig schnell expandiert, dass keine Gegenkraft mehr neu entstandenen Raum kompensieren kann, sodass alles auseinandergezogen wird.

Demnach expandiert das Universum in diesen größeren Distanzen aufgrund des Faktums, dass diese größeren Gebilde, die sich voneinander distanzieren, viel schwächer wechselwirken als etwa Atome mit anderen in Molekülen oder auch die Quarks in den Atomkernen.

[Skeltek]

Mir wurde mal gesagt, daß die Inflation zum Teil schuld sei an der Gleichverteilung von Materie im Raum auf großen Skalen...
Was ich gesagt bekomme ist, daß materiefreier Raum immer mehr an Dichte verliert, während Sonnensysteme und Galaxien im Vergleich dazu ihre Dichte recht gut halten können. Irgendwie widersprechen sich die beiden Aussagen.

Sorgt die Inflation nun für einen Ausgleich zwischen dichten und weniger dichten Raumsektoren oder verstärkt sie diese?

[tomS]

Wenn man der Beobachtung, dass das Universum als Funktion der Zeit immer schneller expandiert, Glauben schenkt, kommt man ja zu einem Big Rip, bei dem die Expansion des Universums dergleichen rapide verläuft, dass der neu entstehende Raum durch keine Kraft mehr kompensiert werden kann, sodass Materie auseinandergezogen wird.

Du wirfst hier zwe Dinge in einen Topf.

Zunächst gilt bei Anwesendheit von Dunkler Energie mit einem w-Parameter von w=-1 = konst. (entsprechend einer kosmologischen Konstanten) dass die exponentielle Expansion die Anziehungskraft durch Materie (auch DM) langfristig dominieren wird.

Allerdigs spricht von von Big Rip nur dann, wenn diese Expansion in endlicher Zeit zu einer Singulariät des Skalenfaktors führt. Dies ist für w<-1 der Fall, was allerdings nicht einer kosmologischen Konstante sondern einer anderen Art der DE entspricht und worauf es ggw. keine Hinweise gibt.

Die noch verbleibende Zeitdauer von heute bis zum Big Rip berechnet sich (in einem einfachen Modell) zu

[seeker]

@Skeltek:
Ich glaube, du bringst da was durcheinander.
Bei der Inflation ist die überlichtschnelle Expansion des Universums gleich nach den allerersten Augenblicken (etwa bei 10^-33s) nach dessen Entstehung gemeint.
Man glaubt sie komme daher, weil die Grundkräfte damals aus nur einer Urkraft "ausgefroren" sind (so in etwa). Außerdem braucht man sie, um zu erklären warum wir ein homogenes Universum sehen.
Mit der Inflationstheorie können mehrere kosmologische Rätsel elegant erklärt werden:

Die Annahme einer derartigen inflationären Expansion erscheint einerseits willkürlich, andererseits löst sie elegant mehrere größere kosmologische Probleme:

* Das heute sichtbare Universum enthält überall im Wesentlichen ähnliche Strukturen. Andererseits besteht es aus Gebieten, die bei einer Standard-Expansion erst sehr spät kausal miteinander in Wechselwirkung treten konnten, da sie sich unmittelbar nach dem Urknall zunächst mit Überlichtgeschwindigkeit voneinander entfernt haben. Die beobachtete Homogenität des Universums und der kosmischen Hintergrundstrahlung wird daher als Horizontproblem bezeichnet und ist im Rahmen einer Standard-Expansion nicht erklärbar. Bei Existenz einer inflationären Expansion dagegen hätten alle Bereiche des heute sichtbaren Universums vor dieser Inflation bereits vorübergehend in Wechselwirkung gestanden.

* Der Bereich des heute sichtbaren Universums weist keine messbare Raumkrümmung auf. Im Rahmen einer Standard-Expansion wäre dazu unmittelbar nach dem Urknall eine extrem exakte Abstimmung von Materiedichte und kinetischer Energie erforderlich gewesen, für die es keine Erklärung gibt. Für den Fall einer inflationären Expansion dagegen wäre die beobachtete Flachheit des Raumes lediglich eine Folge seiner ungeheuren Ausdehnung, da das heute sichtbare Universum nur einen winzigen Ausschnitt repräsentieren würde.

* Die Inflations-Hypothese erklärt darüber hinaus die Dichtefluktuationen, aus denen die Galaxien und Galaxienhaufen hervorgegangen sind, als Folge von Quantenfluktuationen des Inflatonfeldes. Die extreme Expansion vergrößerte diese Fluktuationen auf entsprechend makroskopische Größe, was eine Standard-Expansion nicht in ausreichendem Maße hätte leisten können.

* Nach gewissen Theorien sollten beim Urknall auch magnetische Monopole entstanden sein, die sich jedoch bis heute einem experimentellen Nachweis entzogen haben. Während einer inflationären Expansion hätte die Teilchenzahldichte dieser Monopole jedoch dermaßen abgenommen, dass die Wahrscheinlichkeit, im Bereich des heute sichtbaren Universums einzelne zu finden, äußerst gering wäre – in Übereinstimmung mit der experimentellen Datenlage.

Aus http://de.wikipedia.org/wiki/Inflation_%28Kosmologie%29, 27.03.2011

Man nimmt an, dass die damalige Inflation bereits bei einem Alter des Universums von ca. 10^-30s beendet war, also dass sie sehr schnell wieder aufhörte.

Die heutige beschleunigte (jedoch noch sehr gemächliche) Ausdehnung ist etwas anderes, hat eine andere (noch unbekannte Ursache) und trat auch erst nach Milliarden von Jahren sichtbar/wirksam zutage.

Grüße
seeker

[gravi]

Insgesamt stellt sich die Frage, ob es überhaupt zum Big Rip kommen wird.
Es ist ja nach wie vor ein rein hypothetisches Modell, das davon ausgeht, dass die Beschleunigung der Expansion immer steiler ansteigt. Einen plausiblen Grund dafür gibt es eigentlich nicht. Ich selbst mag nicht daran glauben, dass die Raumexpansion die Gravitation übertrumpfen könnte.

Gruß
gravi

[Barde]

Insgesamt stellt sich die Frage, ob es überhaupt zum Big Rip kommen wird.
Es ist ja nach wie vor ein rein hypothetisches Modell, das davon ausgeht, dass die Beschleunigung der Expansion immer steiler ansteigt. Einen plausiblen Grund dafür gibt es eigentlich nicht. Ich selbst mag nicht daran glauben, dass die Raumexpansion die Gravitation übertrumpfen könnte.

Dass die Expansion regional, also dort, wo Materie ist, die Gravitation übertrumpfen soll, kann ich mir, wie oben schon gesagt, auch nur schwer vorstellen. Aber wenn es nunmal eine "schiebende" Kraft gibt, ist doch eigentlich klar, dass sie bei hinreichender Leere im Verhältnis zur Gravitation immer größer wird und die immer größer werdenen Leerräume immer schneller wachsen. Und wenn die Materie sich auf großen Skalen zu "Wänden" zusammenzieht, die die Leerräume einschließen, wovon man ja auszugehen scheint, muss es doch eigentlich irgendwann zum "Konflikt" zwischen Ausdehnung und Anziehung kommen. Jedenfalls kann ich mir in meiner naiven Vorstellung nicht denken, dass ein Universum mit Wabenstruktur bei expandierenden "Innenräumen" der Waben problemlos in dieser Form bis in alle Ewigkeiten (ohne das Thema hier wieder anreißen zu wollen ) existiert. Das wäre ja nur der Fall, wenn die Materie, die die "Wände" bildet, am Ende im Verhältnis der Abstände zueinender genau so stark gravitativ gebunden wäre, dass sie die Expansion exakt ausgleicht und das Universum damit irgendwann strukturell "fertig" wäre. Ansonsten müsste es doch irgendwann auch diese "Wände" auseinander treiben. Wobei ich immer noch nicht einsehe, dass deswegen auch Galaxienhaufen auseinander gezogen werden. Die Haufen würden halt nur noch einzelne "Tröpfchen" bilden, die ein immer einsameres Dasein fristen. Oder die Materie ist irgendwann so eng verklumpt, dass sie sich immer stärker zusammzieht, was bedeutet, dass die Leerräume doch wieder schrumpfen müssten sodass sich das Universum wieder zusammen zieht.
Das sind jetzt einfach mal nur auf blöd die Gedanken, die mir zu einer Wabenstrukur in einem expandierenden Universum kommen. Womöglich nehme ich aber auch nur mal wieder eine sehr stark vereinfachte, bildliche Veraunschaulichung der großen Strukturen zu wörtlich.

[gravi]

Es ist ja ebenfalls noch nicht geklärt, ob die DE als treibende Kraft tatsächlich existent ist, oder ob es noch andere Lösungen für die Beobachtungen gibt (so ist ja z.B. MOND noch immer nicht komplett vom Tisch).

Wenn die voids nun sehr stark expandieren, ihre "Ränder" sind durch die Materieansammlungen ausgegrenzt, so wird folglich die Materie auseinander getrieben. D.h., die Galaxienhaufen entfernen sich immer weiter voneinander, wie wir es ja heute auch beobachten. Ihren gravitativen Zusammenhalt sehe ich aber nicht gefährdet, schon gar nicht, dass am Ende Planeten, Sterne oder gar Schwarze Löcher zerrissen werden. Vermutlich gilt das auch für die DM, die ja nur über die Gravitation wechselwirkt.

Gruß
gravi

[tomS]

Hi Gravi,

es gibt nicht die DE; die kosmologische Konstante entspricht einer speziellen Form der DE, andere Hypothesen (Phantom Energy,Chaplygin Gas,...) sind möglich. Die MOND könnte an der DM rütteln, nicht an der DE, oder?

[seeker]

Ich hätte da noch eine Frage:

Nehmen wir an, die beschleunigte Expansion des Universums ist real.

Wie bekommt man das dann mit dem Energieerhaltungssatz unter einen Hut?
Um Dinge zu beschleunigen braucht man Energie und wenn man an ein Big Rip Szenario denkt braucht man sehr viel Energie (oder gar letztendlich unendlich viel Energie?).

Welche Ideen gibt es um erklären zu können, wo diese Energie herkommen könnte? Ist sie unerschöpflich oder nicht?

Grüße
seeker

[tomS]

In einem expandierenden Universum ist der Energiebegriff (als Integral über eine Energiedichte in einem bestimmten Volumen) nicht mehr sinnvoll definierbar.

Zum ersten gitl Energieerhaltung imer nur, wenn Zeittranslationsinvarianz vorliegt. In der ART wird diese Bedingung durch die (allgemeinere) Existenz eines sogenannten zeitartigen Killing-Vektorfeldes ersetzt. Damit lässt sich aus dem kovariant-erhaltenen Energie-Impuls-Tensor ein erhaltener Impuls-Vierervektor ableiten, aus diesem wiederum durch Integration eine erhaltene Gesanmtenergie.

Diese Konstrukltion scheitert im Falle eines expandierenden Universums: zum einen existiert das o.g. zeitartige Killing-Vektorfeld nicht, womit die gesamte Konstruktion der Energie nicht mehr funktioniert, zum anderen ist eine direkte Integration des kovariant-erhaltenen Energie-Impuls-Tensor nicht möglich, da man damit keine Größe erhält, die ein definiertes Verhalten unter Lorenmtz-Transformationen aufweist.

Ich weiß aber gar nicht, ob das so schlimm ist, denn zum einen gilt immer noch lokal die Erhaltung der Energie-Impuls-Dichte, zum anderen Ist lokal de Energiebegriff weiterhin sinnvoll. In einem mitbewegten Koordinatensystem liegt ja eben gerade keine Beschleunigung vor.

Siehe auch mein Beitrag hier: userfiles/Energie_thst_2009-11-24.pdf

[gravi]

Hi Gravi,

es gibt nicht die DE; die kosmologische Konstante entspricht einer speziellen Form der DE, andere Hypothesen (Phantom Energy,Chaplygin Gas,...) sind möglich. Die MOND könnte an der DM rütteln, nicht an der DE, oder?

Sorry, da war ich zu voreilig. Die MOND bezieht sich natürlich auf die DM. Ich hätte besser die Phantom Energie nennen sollen...

Zur Betrachtung des Energieinhalts: Hierzu sollte man doch sicher das Universum als geschlossenes System betrachten, in welchem der Energieerhaltungssatz gelten muss.
Wenn die DE z.B. mit der Vakuumenergie identisch ist, könnte diese ja für die Beschleunigung verantwortlich sein. In einem solchen Fall bliebe der Erhaltungssatz unverletzt.

Gruß
gravi

[tomS]

Zur Betrachtung des Energieinhalts: Hierzu sollte man doch sicher das Universum als geschlossenes System betrachten, in welchem der Energieerhaltungssatz gelten muss.

Nein :-(

Man kann zwar einen (kovariante), lokale Erhaltung der Energie-Impuls-Dichte T[up]ab[/up] mittels (DT)[up]a[/up] = 0 formulieren, aber man findet keine Definiton für E = ∫ d[up]3[/up]x e(x) und damit auch keine Gleichung der Form dE/dt = 0 (was ist t in diesem Zusammenhang :-)

Es gibt Lösungsansätze für stationäre, asymptotisch flache Raumzeiten u.a., in denen eine Gesamtenergie diskutiert werden kann, aber auch dann ist nicht immer klar, ob und wie z.B. die Energie des Gravitationsfeldes definiert werden kann. Andere Ansätze sind, statt dessen besser die Gesamtmasse zu diskutieren. Nun könnte man meinen, dass dies wegen E=mc² das selbe wäre, dem ist aber nicht so, da die eigtl. interessante Gleichung E² -c²p² = (mc²)² lautet. Die Energie ist dabei die Nullkomponente eines Vierervektors (i.A. schwierig zu kosntruieren), m dagegen die invariante Masse (ein Skalar, einacher zu konstruieren).

Siehe dazu auch http://en.wikipedia.org/wiki/Mass_in_general_relativity

[seeker]

Ich weiß aber gar nicht, ob das so schlimm ist,...

Ich finde es nicht schlimm, falls wir nur wissen wollen, was vor unserer Haustür los ist - aber ich finde es schlimm, falls wir wissen wollen, was eigentlich global los ist.
In einem Big Rip Szenario würde doch zudem der Begriff "lokal" irgendwann sehr kleine Ausmaße annehmen - oder verstehe ich das falsch?
Gut, was ich deinem Paper entnehmen konnte war, dass das mit der Energie/Energiedichte überhaupt nicht einfach ist, dass wir erweiterte Begriffe für eine energieartige Erhaltungsgröße suchen und dass es auch einige interessante Ansätze dazu gibt (ECT, LQG,..).

Es geht doch letztlich um die Frage, ob der folgende Satz richtig ist und was er genau bedeutet:

Von nichts kommt nichts!

Falls die beschleunigte Expansion des Universums real ist, dann ist es von Interesse herauszufinden, was der Grund und die Quelle dafür ist und ob diese Beschleunigung irgendwann wieder endet oder nicht.

Kann man das alles so sagen?

Grüße
seeker

[tomS]

Ich weiß aber gar nicht, ob das so schlimm ist,...

... aber ich finde es schlimm, falls wir wissen wollen, was eigentlich global los ist.

Man muss sich eben daran gewöhnen, dass "Energie" nicht in allen Fällen eine "gute" Observable ist. Das ist eben so in der ART.

Falls die beschleunigte Expansion des Universums real ist, dann ist es von Interesse herauszufinden, was der Grund und die Quelle dafür ist und ob diese Beschleunigung irgendwann wieder endet oder nicht.

Um diese beschleunigte Expansion zu studieren benötigt man keinen globalen Energiebegriff

[seeker]

OK, danke - ich versuchs!

Um nochmal zur ursprünglichen Frage zurückzukommen, kann man sie so beantworten:

Wenn ein Big Rip-Szenario alles zerreißt (incl. der Raumzeit selber?), dann würde hier auch die DM zerrissen werden, denn es ist ja letztendlich auch nur Materie, die den Naturgesetzen und Wechselwirkungen mit ihrer Lichtgeschwindigkeitsgrenze unterworfen ist.

Hmm, gefällt mir gar nicht so schlecht, denn es widerspricht nicht meinem Postulat, dass die Natur (reale) Unendlichkeiten vermeidet, indem sie "seitwärts" ausweicht, also die Spielregeln im extrem Großen -und Kleinen gewissermaßen so verändert, dass die ursprüngliche Betrachtung mit Extrapolation ihren Sinn verliert.

Grüße
seeker

[tomS]

Wenn die DM existert und wenn wir die richtigen Ideen dazu haben (SUSY-Teilchen), dann geht es ihr genauso wie der normalen Materie