Dunkle Energie und die Klumpigkeit des Universums

RELATIV EINFACH

Auf die jetzt in Physical Review (D / Letters) erschienenen Artikel habe ich schon sehr lange gewartet. Und dann hätte ich sie zumindest als Preprint, als Vorabdruck doch fast übersehen. Aber zunächst zum Hintergrund.

Alle physikalischen Modelle sind vereinfacht, und bei den modernen Standardmodellen der Kosmologie sieht ein Teil der Vereinfachung wie folgt aus: Auf großen Skalen, so die (durch Beobachtungen gestützte) Annahme, ist das Universum homogen und isotrop, hat also zur Jetztzeit unabhängig davon, wo man sich befindet und wie man sich orientiert, im Mittel die gleichen Eigenschaften (z.B. die gleiche Dichte).

Idealisierte Universen

Die Standardmodelle gehen daher in erster Näherung von einem perfekt homogenen und isotropen Universum aus und beschreiben auf dieser Grundlage großräumige Effekte wie die kosmische Expansion und die Teilchenreaktionen im frühen, heißen Kosmos (Urknallphase). Für solch ein perfekt homogenes und isotropes Universum gibt es sogar exakte Lösungen der Einsteinschen Feldgleichungen, mit anderen Worten: die Entwicklung, die die Allgemeine Relativitätstheorie für solch ein Universum bei gegebenen Anfangsbedingungen und für gegebenen Materieinhalt vorhersagt, lässt sich in Abhängigkeit von einigen wenigen Parametern durch einfache mathematische Funktionen beschreiben.

Was es an Inhomogenitäten in solch einem Universum gibt, sprich: wie sich Materie in solch einem Universum unter dem eigenen Schwerkrafteinfluss zu immer größeren Strukturen zusammenklumpt, aus denen letztlich Objekte wie Sterne und Galaxien sowie die großräumige Verteilung der Galaxien hervorgehen, wird erst in einem gesonderten Schritt simuliert: In diesem Schritt wird vorausgesetzt, dass das Universum wie ein homogenes, isotropes Weltall expandiert, und dann wird geschaut, wie die Newton’sche Schwerkraft (die in solchen Situationen eine gute Näherung darstellt) die Materie in solch einer expandierenden Situation zusammenklumpen lässt.

Die entsprechenden Simulationen sind vom Rechenaufwand her enorm; die neuesten davon, wie hier die Illustris-Simulation, haben den Anspruch, bis hinunter zur Skala von Galaxien zu zeigen, wie die heute beobachtbare Struktur im Universum entstanden ist:

Dabei gehen zwar noch eine Reihe von Zusatzannahmen über die Entwicklung von Galaxien, die Sternentstehung, die Quasar-Phase und deren Auswirkung auf die Sternentstehungsrate und vieles mehr ein, die dann mit Beobachtungsdaten abgeglichen werden. Insofern wird sich, wenn sich unser Detailverständnis der Entwicklungsprozesse ändert, sicher auch noch einiges an diesen Simulationen ändern. Aber selbst wenn man solche Einschränkungen im Hinterkopf behält, steckt in diesen Simulationen doch eine ganze Menge an grundlegender Physik, und dass sich auf diese Weise die Entstehung unseres heutigen Universums aus den Anfangsbedingungen kurz nach dem Urknall weitgehend nachvollziehen lässt, ist eine beachtliche Leistung.

Eine Frage der Reihenfolge

Dennoch gibt es einen grundlegenden Einwand, mit dem sich solche Simulationen und ganz allgemein die Standardmodelle mit ihren zunächst idealisiert homogen-isotropen Modelluniversen auseinandersetzen müssen.

Einsteins Theorie ist nichtlinear, genauer: die Einstein’schen Feldgleichungen, die den Zusammenhang von Raumzeit-Geometrie und Materieinhalt des Universums beschreiben sind nichtlinear. Vereinfacht heißt das, dass sich Teilmodelle nicht einfach so kombinieren lassen. Wenn ich in der Newton’schen Gravitationstheorie die direkte Gravitationswirkung einer einzelnen Massenkugel kenne, dann kann ich auch eine Situation mit zwei Massenkugeln beschreiben: Ich schreibe einfach die Einzel-Gravitationswirkung (genauer: das Gravitationspotential) für jede der Massenkugeln hin; deren Wirkung auf ein kleines Testteilchen, das in der Nähe dieser Massen herumfliegt, ist dann schlicht die direkte Kombination (Vektorsumme der Kräfte) der Wirkung der ersten und der Wirkung der zweiten Masse auf das Teilchen.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie geht das nicht so einfach. Davon abgesehen, dass es gar kein allgemeingültiges Verfahren gibt, wie man Verzerrungen von Raum und Zeit addiert, treten, sobald ich es mit zwei Massenkugeln zu tun habe, physikalisch ganz neue Effekte auf, die bei einer einzelnen Masse noch nicht im Spiel waren. Markantestes Beispiel sind Gravitationswellen, die entstehen, wenn sich zwei Massenkugeln umkreisen (siehe Was sind eigentlich Gravitationswellen?).

Anders gesagt: In einer linearen Beschreibung ist die Wirkung mehrerer Komponente die Summe der Wirkungen jeder einzelnen Komponenten. Gravitationswirkungen addieren sich. Bei Einstein ist das im allgemeinen nicht der Fall.

Das ist nicht unproblematisch. Denn bei der Vereinfachung der kosmologischen Modelle argumentiert man implizit mit einer gewissen Linearität: Um einen Durchschnitt zu berechnen, summiert man die Eigenschaften mehrerer Komponenten auf und teilt anschließend durch die Gesamtzahl der Terme, die man aufsummiert hat. Im Durchschnitt hat das Universum auf großen Skalen überall die gleiche mittlere Dichte. Aber entspricht dieser durchschnittlichen Homogenität auch eine durchschnittliche Wirkung, eine durchschnittliche Dynamik, wie sie den einfachen isotropen und homogenen Modelluniversen der Kosmologie zugrundeliegt?

Man kann argumentieren, bei den vergleichsweise geringen Materiedichten, mit denen man es in der Kosmologie zu tun hat, sollten sich Allgemeine Relativitätstheorie und Newton’sche Beschreibung nicht allzu sehr unterscheiden, und auch die in der Newton’schen Beschreibung gültige Linearitätseigenschaft sollte im relativistischen Falle einigermaßen gut beschreiben, was dort passiert. Aber das war kein sehr stringentes Argument. Im Einzelnen nachgewiesen hatte niemand, dass die Konsequenzen der Nichtlinearität in diesem Falle klein wäre.

Dunkle Energie als Effekt der Inhomogenität?

Ich habe von diesem Problem das erste Mal während meines Buchprojekts mit Jürgen Ehlers erfahren, also irgendwann vor 2003. Wahrscheinlich die typischste Eigenschaft von Jürgen war, dass er auf dem Gebiet der Relativitätstheorie in jenen Ecken genauer nachgeschaut hat, wo die anderen Relativisten der Meinung waren, es sei im Prinzip alles bekannt, nur dass sich noch niemand die Mühe gemacht hatte, die Zusammenhänge genauer aufzuschreiben. Das implizite Linearitäts-Argument in der Kosmologie war eine solche Ecke: Die allermeisten Relativisten hätten vermutlich erwartet, dass eine genauere Untersuchung an dieser Stelle genau das ergeben würde, was man aus dem Erfolg der kosmologischen Modelle sowieso schon wusste, nämlich dass sich unser Kosmos näherungsweise sehr gut als homogen und isotrop beschreiben lässt.

Jürgen Ehlers und Thomas Buchert machten sich daran, der Frage nach der Durchschnitts-Bildung auf den Grund zu gehen; zusätzlich muss ich hier noch den südafrikanischen Physiker George Ellis erwähnen, der Mitte der 80er Jahre auf das Problem hingewiesen hatte. Die allgemeine Behandlung erwies sich als durchaus schwierig. (Da ich diese Fragestellung nur aus “lokaler Potsdamer Sicht” kennengelernt habe, ist auch meine Beschreibung sicher nicht allgemein – es dürfte noch andere Forscher oder -gruppen geben, die sich mit dieser Frage beschäftigt haben, hier aber keine Erwähnung finden.)

Die mathematische Formulierung der Allgemeinen Relativitätstheorie ist dergestalt, dass sich kompliziertere Situationen im Detail nur noch durch Computersimulationen beschreiben lassen- Abweichungen von einfachen Eigenschaften wie Isotropie und Homogenität sind das Standardbeispiel für solche komplizierteren Situationen, je unregelmäßiger und allgemeiner desto komplizierter.

Dass sich bestimmte allgemeine Eigenschaften von Raumzeiten trotzdem ganz allgemein mathematisch beweisen ließen, wie beispielsweise in den Singularitätentheoremen von Roger Penrose und Stephen Hawking, ist daher eher die Ausnahme, und wo solche allgemeinen Beweise gelingen, werden sie zu recht als große Leistungen eingestuft. Im Falle des Durchschnitts-Problems fanden Buchert, Ehlers und Kollegen leider keinen einfachen allgemeinen Beweis, der gezeigt hätte, wie man ein im Durchschnitt homogenes und isotropes Universum effektiv modelliert.

Buchert, der das Problem langfristig weiterverfolgte und den Stand anno 2008 hier zusammengefasst hat, weist auf einen interessanten Effekt hin:

In der Standardkosmologie hängt die Entwicklungsgeschichte des Universums von der durchschnittlichen Dichte unterschiedlicher Masse- bzw. Energieformen ab. Die für die späteren Phasen (wie unsere Jetztzeit) wichtigsten Komponenten sind dabei herkömmliche Materie und sogenannte Dunkle Energie. Niemand weiß, was die Dunkle Energie eigentlich ist; sie ist zunächst einmal nur ein Parameter, mit dem man auch jene Fälle kosmischer Expansion beschreiben kann, in denen sich ein Universum beschleunigt ausdehnt. Solch eine beschleunigte Expansion ist für unser eigenes Universum Ende der 1990er Jahre in der Tat nachgewiesen worden (und die Entdecker wurden mit dem Physik-Nobelpreis 2011 ausgezeichnet). Seither versucht man, eine Erklärung dafür zu finden, was die Dunkle Energie physikalisch gesehen ist. Ein Quanteneffekt? Ein neues Feld analog zu den anderen Feldern, die Physiker beschrieben haben?

Oder, und da kommen wir zum Durchschnitts-Problem zurück, ist die Dunkle Energie vielleicht gar kein neuer Effekt, sondern ergibt sich direkt aus der Allgemeinen Relativitätstheorie? Ist die richtige relativistische Näherungs-Beschreibung für ein Universum, dessen Materieverteilung nur im Durchschnitt, auf großen Größenskalen, homogen ist, vielleicht kein homogenes, isotropes Universum, in das man einfach den durchschnittlichen Dichtewert der Materie als Parameter einsetzt, sondern ein homogenes und isotropes Universum, dessen Parameterwerte für Materie und für Dunkle Energie sich auf bestimmte Weise aus den Eigenschaften der Inhomogenitäten ergeben? Wirken die Inhomogenitäten so auf die Raumzeit zurück (“backreaction”), dass sie die Parameterwerte leicht verändern?

Salopp gesagt: Überrascht uns die Dunkle Energie vielleicht nur deswegen, weil wir unsere mittlere Beschreibung des Universums linear ermittelt haben und nicht so, wie es die Allgemeine Relativitätstheorie eigentlich erfordert?

Buchert und Kollegen haben mit vereinfachten Modellen qualitativ zeigen können, dass Inhomogenitäten wohl in der Tat Effekte dieser Art zur Folge haben könnten. Die quantitative Analyse erwies sich allerdings ohne aufwändige Computersimulationen als zu komplex.

Relativistische Computersimulationen

Zugespitzt gesagt: Als die Frage, ob Inhomogenitäten effektiv die Wirkung der Dunklen Energie hervorbringen können, Ende der 1990er Jahre aktuell wurde, hatten diejenigen Physiker, die am besten qualifiziert gewesen wären, mit Computersimulationen eine Antwort zu finden, keine Zeit. Die numerischen Relativisten (“numerische Relativitätstheorie” ist die Kurzfassung für “Erforschung der Allgemeinen Relativitätstheorie mithilfe von Computersimulationen) waren vollauf damit beschäftigt, zu simulieren, welche Gravitationswellen erzeugt werden, wenn z.B. schwarze Löcher oder Neutronensterne miteinander oder untereinander verschmelzen. Dass der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen gelang, ist nicht zuletzt ein Verdienst der numerischen Relativisten, die mit ihren Simulationen die richtigen Wellenformen als Suchmuster lieferten.

Ich weiß nicht, ob der Zusammenhang in diesem Falle wirklich so direkt ist wie in meiner überzeichneten Beschreibung, aber es würde mich nicht wundern, wenn es kein Zufall wäre, dass die ersten größeren relativistischen Simulationen kosmologischer Raumzeiten jetzt erscheinen, wo zumindest die grundlegenden Probleme des Gravitationswellen-Simulierens abgehakt sind.

Genauer gesagt sind gestern drei Artikel erschienen (ich verlinke jeweils auf Artikel und E-Print); zwei von Forschern aus Ohio und einer von zwei Forschern aus Italien bzw. England:

In diesen drei Artikeln wird mit unterschiedlicher Software und unterschiedlichen Herangehensweise von zwei verschiedenen Forschergruppen die entscheidende Frage gestellt: Wie sieht denn nun die zeitliche Evolution eines im Durchschnitt auf größeren, aber eben nicht auf kleineren Größenskalen homogenen Universums aus, im Vergleich mit den isotropen und homogenen Standardmodellen?

Raumzeiten simulieren

Numerische Simulationen für die Relativitätstheorie sind alles andere als einfach. Der Computer muss gleichzeitig eine ganze Reihe von Differenzialgleichungen lösen, und weil Computer immer nur eine endliche Genauigkeit haben und immer gezwungen sind, den Raum in endlich viele Abschnitte endlicher Größe und die Zeit in endlich viele Zeitschritte zu zerlegen, wird eine Simulation umso ungenauer, je länger sie läuft.

Die numerischen Relativisten haben entsprechende Kontroll- und Ausgleichsmechanismen erdacht, die verhindern sollen, dass sich Störungen zu sehr aufschaukeln und die Ergebnisse der Simulation verfälschen. Aber auch die muss man testen: Man kann den Code beispielsweise eine völlig leere Raumzeit (Minkowskiraum) oder eine lineare Gravitationswelle beschreiben lassen, oder ein idealisiertes homogenes und isotropes Universum. Das sind alles Fälle, die sich mithilfe einfacher mathematischer Funktionen beschreiben lassen, sprich: bei denen man weiss, was herauskommt. Lässt man den Code diese Situationen simulieren, dann kann man das Ergebnis mit den bekannten Eigenschaften der betreffenden Raumzeiten vergleichen und erhält so eine Abschätzung der numerischen Fehler dieser Art von Simulation.

Evolution eines etwas nicht-homogenen Universums

Wie sieht’s nun aus mit den etwas inhomogenen Universen, die von den beiden Forschergruppen simuliert wurden?

Aus meiner Sicht eher enttäuschend. Zumindest im Rahmen ihrer nach wie vor vereinfachten Simulationen findet keine der Gruppen einen Einfluss der Inhomogenitäten auf die durchschnittliche Expansionsrate, sprich: es gibt in den Simulationsdaten keinen Hinweis darauf, dass dies die Erklärung für die beschleunigte Expansion (und damit für die Dunkle Energie) wäre. Es gibt zwar eine Art kosmologische Konstante, die als Folge der Inhomogenitäten in einer Durchschnitssgleichung für die kosmische Expansion auftritt, aber sie bewirkt zumindest in diesen Rechnungen eher eine Abbremsung der kosmischen Expansion, keine Beschleunigung.

Auch eine ähnlich gelagerte herkömmliche Erklärung der Dunklen Energie dadurch, dass wir uns in einem unterdurchschnittlich dichten Teil des Universums befinden, wird durch die Simulationsergebnisse nicht gestützt: in den unterdurchschnittlich dichten Regionen verläuft die Expansion zwar schneller als sonstwo, aber nicht beschleunigt wie in Anwesenheit Dunkler Energie, sondern angenähert linear.

Ein paar interessante Konsequenzen scheinen sich dadurch zu ergeben, dass die Strukturbildung in den komplett relativistischen Situationen etwas anders verläuft als in den herkömmlichen Simulationen, insbesondere in bestimmten überdurchschnittlich dichten Regionen schneller als anderswo. Das dürfte Auswirkungen darauf haben, wie man sich in Zukunft die im Universum beobachtbaren großräumigen Strukturen erklärt.

Sind damit die einfachsten Erklärungen für die Dunkle Energie vom Tisch? Ich zögere, das bereits beim jetzigen Stand zu akzeptieren, aber da ist sicherlich Wunschdenken im Spiel. Beide Gruppen und vielleicht ja auch noch andere Forscher dürften weitere und zunehmend größere Simulationen laufen lassen, nicht zuletzt aufgrund der Konsequenzen für die Strukturbildung. Wenn sich darin bestätigt, dass die Rückkopplung der Inhomogenitäten keinen Einfluss auf die kosmische Expansion auf ganz großen Skalen hat, und dass auch eine unterdurchschnittliche Dichte die beschleunigte Expansion nicht erklären kann, dann benötigen wir eine andere Erklärung für die Dunkle Energie. Aber ganz habe ich die Hoffnung noch nicht aufgegeben, dass die numerischen Simulationen eine der einfachen Erklärungen bestätigen.

 

Markus Pössel

Markus Pössel hatte bereits während des Physikstudiums an der Universität Hamburg gemerkt: Die Herausforderung, physikalische Themen so aufzuarbeiten und darzustellen, dass sie auch für Nichtphysiker verständlich werden, war für ihn mindestens ebenso interessant wie die eigentliche Forschungsarbeit. Nach seiner Promotion am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam blieb er dem Institut als "Outreach scientist" erhalten, war während des Einsteinjahres 2005 an verschiedenen Ausstellungsprojekten beteiligt und schuf das Webportal Einstein Online. Ende 2007 wechselte er für ein Jahr zum World Science Festival in New York. Seit Anfang 2009 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, wo er das Haus der Astronomie leitet, ein Zentrum für astronomische Öffentlichkeits- und Bildungsarbeit. Pössel bloggt, ist Autor/Koautor mehrerer Bücher, und schreibt regelmäßig für die Zeitschrift Sterne und Weltraum.

23 Kommentare

  1. Wird ein Objekt mit gleichmäßig beschleunigt – so nimmt die Bewegungsgeschwindigkeit dieses Objekts immer mehr zu. So haben wir es im Physik-Unterricht gelernt.
    Und hier ist auch ein Ansatz, um die zunehmende Ausbreitungsgeschwindigkeit des Universums zu verstehen: Die ´Dunkle Energie´ müßte demnach
    1) eine abstoßende Wirkung haben (daher der Expansionseffekt)
    2) gleichmäßig und in geringer Menge freigesetzt werden.

    Kurz gesagt: die Expansion des Universums sollte theoretisch aus zwei zusammengesetzten Effekten bestehen:
    A) der durch den Urknall vorgegebenen Ausbreitungsgschwindigkeit (die sich allmählich verringert)
    B) der durch die ´Dunkle Energie´ bewirkte gleichmäßig beschleunigte Ausdehnungsbewegung

    Da sich A+B überlagern, war nach dem Urknall zunächst der Effekt von A) überwiegend. Durch verschiedene Effekte (z.B. Gravitation) verringerte sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit solange – bis die durch B) hervorgerufene Expansion in seiner Wirksamkeit die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Universums wieder zunehmen lässt.

    • So ist es in den herkömmlichen Modellen ja auch: Die Expansion hat (A) einen Anfangsschwung und Abnahme aufgrund der Gravitationsanziehung der Materie und (B) eine Beschleunigungstendenz durch Dunkle Energie. Am Anfang überwiegt (A), später (B).

      Die Energiedichte der Dunklen Energie ist konstant; damit vergrößert sich automatisch auch die Menge an Dunkler Energie in jedem mitbewegten Teilvolumen des Hubble-Flusses.

  2. Wenn man für das Verhalten des Universums das Funktionsprinzip von Maschinen anwendet, dann läßt sich die zunehmende Ausbreitungsgeschwindigkeit des Universums erklären:
    A) die Maschine Universum hat mit dem Urknall ihre gesamte Energie erhalten – und den Anfangsschwung für die Ausbreitung. (Seitdem verringert sich der Energieinhalt pro Volumen bzw. die Temperatur ständig (Durchschnittswerte): dies ist das Funktionsprinzip einer Maschine).
    B) Jedes Atom ist im Prinzip ebenfalls eine Maschine – die in ihrem Betrieb ständig Energie abgeben muss (sonst wäre es ein Perpetuum Mobile).
    Geht man nun davon aus, dass die abgegebene Energie sehr gering ist und eine abstoßende Wirkung hat, dann erzeugt dieser abstoßende Effekt eine gleichmäßg beschleunigte Bewegung – die im Endeffekt/Summe zu einer zunehmenden Expansionsgeschwindigkeit des Universums führt.

    D.h. die zunehmende Expansionsgeschwindigkeit des Universums lässt sich mit einem einfachen physikalischem Modell erklären: eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung – hervorgerufen durch den abstoßend wirkenden Effekt von Energie, die von Materie(Atomen) ständig abgegeben wird.

    • Nee, das kommt gar nicht hin. Atome haben stabile Grundzustände und können Energie nur in ganz bestimmter Weise abgeben – und von jener Weise wissen wir, dass sie nicht die Eigenschaften der Dunklen Energie hat. Ein Modell, das der von Atomen freigesetzten Energie willkürlich solche Eigenschaften zuschreibt, wäre inkonsistent.

      Die abstoßende Wirkung der Dunklen Energie kommt auch nicht durch die Energie selbst, sondern durch den damit zusammenhängenden Druck zustande. Da kommt eine Eigenschaft der Allgemeinen Relativitätstheorie ins Spiel, nach der Druck ebenfalls eine Quelle für Gravitationsanziehung ist, ähnlich wie Materie.

  3. Eine Laienfrage zur dunklen Materie:
    Wenn die dunkle Materie in den Schwerpunkt einer Zusammenballung von dunkler Materie oder baryonischer Materie hinein stürzt, dann müsste die dunkle Materie auf der anderen Seite mit der gleichen Summe aus kinetischer und potentieller Energie wieder hinaus fliegen, weil die dunkle Materie im Gegensatz zur baryonischen Materie keine Energie durch Strahlung abgeben kann.
    Auf welche Weise entstehen dann die Zusammenballung der dunkler Materie?

    • Das ist eine exzellente Beobachtung und der Grund, warum dunkle Materie sogenannte “Halos” bildet, also recht ausgedehnte, diffuse, kugelförmige Verklumpungen. Darin bewegen sich die Teilchen der dunklen Materie auf kleineren oder größeren Umlaufbahnen. Dichter werden kann so ein Halo z.B., wenn zwei Teilchen der dunklen Materie so miteinander wechselwirken, dass eines davon deutlich mehr Impuls abbekommt und dann nach außen fliegt, während das andere Impuls abgeben kann und dann auf einer kleineren Umlaufbahn kreist.

      • Das bedeutet, dass die dunkle Materie in einen energiereichen und einen energiearmen Teil disproportioniert.
        Auf eine ähnliche Weise schrumpfen Kugelsternhaufen.

        • Da dürfte es in der Tat Ähnlichkeiten geben. Dass die Energieverteilung binär in energiereich und -arm wäre dürfte aber eine zu starke Vereinfachung sein.

  4. Zuwenig Rechenzeit für “General Relativity” als Grund dafür, dass die beschleunigte Expansion ungeklärt bleibt und wir uns mit dem Kosmo-Kitsch von Illustris zufrieden geben müssen?
    Das würde mich überraschen. Zudem: Zwar arbeitet Illustris nur mit den Newtonschen Gravitationsgesetzen um die Evolution des Universums nachzuvollziehen, doch selbst wenn dies erlaubt wäre – man also die Effekte der allgemeinen Gravitationstheorie ignorieren könnte – benutzt Illustris ungesicherte Annahmen über das Wesen der dunklen Materie. Anders als hier beschrieben kann nämlich Illustris nicht mit (Zitat) herkömmlicher Materie allein rechnen, sondern muss mit der weit häufiger vorkommenden dunklen Materie arbeiten um die Verklumpung des Universums nachzuvollziehen. Dabei scheint die Simulation von einer dunklen Materie auszugehen, die gut zum Modell der Weakly Interacting Massive Particles passt – und das obwohl dunkle Materie auch ganz anders beschaffen sein könnte. Illustris weist von der Realität abweichende Simulationsergebnisse wie eine Vielzahl von eine Grossgalaxie begleitenden Satellitengalaxien auf und es gibt Leute, die diesen Widerspruch der falschen Modellierung der dunklen Materie zuschreiben.
    Dies als Ausführung zum Im obigen Artikel stehenden Satz:
    Die für die späteren Phasen (wie unsere Jetztzeit) wichtigsten Komponenten sind dabei herkömmliche Materie und sogenannte Dunkle Energie.
    Meine Behautung hierzu ist: Nicht nur wissen wir über dunkle Energie zuwenig, auch über dunkle Materie wissen wir zuwenig um eine zuverlässige Simulation der Evolution unseres Universums aufgrund des Newton’schen oder gar Einstein’schen Gravitationsgesetzes durchführen zu können.

    • Da gehen verschiedene Begriffskonventionen durcheinander. Für kosmologische Modelle hat “herkömmliche Materie” im Gegensatz zu Dunkler Energie keinen Druck, p=0.

      Welcher Art diese herkömmliche Materie ist – ob normale, baryonische Materie oder eben Dunkle Materie – ist für die homogenen Modelle und deren Zeitverlauf irrelevant. Aber da das Missverständnis noch andere Leser betreffen könnte, schreibe ich oben noch einen Kommentar dazu. Für die Verklumpungsrechnungen von Illustris ist dann die Dunkle Materie in der Tat dominant.

      Dass wir für Dunkle Materie noch kein Teilchenmodell haben, heißt ja aber nicht, dass wir nicht einfache Eigenschaften kennen würden – per Gravitationslinseneffekt, bei Zusammenstößen wie dem Bullet Cluster, mit den Rotationskurven und den Galaxienhaufen-Mitglieds-Geschwindigkeiten haben wir ja durchaus dynamische Informationen. Wenn das alles nicht zusammenpassen würde, und nicht zu den kosmologischen Modellen passen würde, dann würden wir das merken. Sprich: Allzu sehr kann sich das Verhalten der Dunklen Materie nicht von dem unterscheiden, was da gerechnet wird. Was nicht heißt, dass wir nicht im Detail oder beim genaueren Hinsehen Überraschungen erleben werden.

      • Ja, wenn man unter Dunkler Energie etwas versteht, was abstossend wirkt, dann scheint sie zu keinem noch so exotischen Materiebild zu passen. Das Problem wäre gelöst, wenn es eine solche dunkle Energie gar nicht gäbe und die geignet parametrisierte allgemeine Relativitiätstheorie oder die Berücksichtigung von Inhomogenitäten auch die dunkle Energie erklären/wegerklären könnte.

  5. Welche Rolle könnte dabei ein Drehimpuls spielen? Hätte das Universum einen, dann würde ebenfalls eine mit der Entfernung beschleunigte Expansion und Dopplereffekte zu erwarten sein.

    • Erstens sieht bzw. sähe man diesen Drehimpuls mWn im Mikrowellenhintergrund, es gibt ja auch durchaus Beobachtungen der Anisotropie von Galaxienrotationen die einen kleinen Drehimpuls des Sichtbaren Universums nahelegen.
      Zweitens verstehe ich Ihre Frage so noch nicht ganz: Z.B. die Planeten haben auf ihrer Bahn um die Sonne auch einen Drehimpuls oder Sonnen beim Galaxienkernumlauf, aber dabei expandiert nichts. Drehimpuls bedeutet nicht Expansion, ja nicht einmal bedeutet es Drehung da im Fall des Geradeausfluges bei Bezugspunkt außerhalb der Fluggeraden L ungleich 0. Können Sie Ihre Aussage daher etwas konkretisieren?

  6. Normale Materie, Photonen und Antimaterie besitzen allesamt positive Masse, positive Energie und anziehende Gravitation.
    Die Wechselwirkungsteilchen der dunklen Energie sollten daher negative Masse, negative Energie und abstoßende Gravitation haben.
    Auf diese Weise würde das Universum viel symmetrischer aussehen.

    • Nein, Materialisation von dunkler Energie als Teilchen mit negativer Masse und abstossender Gravitation würde immer noch nicht erklären, dass sich die Expansion beschleunigt. Denn mit zunehmender Expansion verdünnt sich das Universum und damit müssten auch abstossende Effekte abnehmen.

      Mir kommt da die Idee, dass man die zunehmende Expansion vielleicht in einer bestimten Sicht auch als zunehmendes Kontraktion auffassen könnte – und zwar über eine Art mathematische Spiegelung, über eine Dualität wie es sie in der String-Theorie gibt wo verschiedene Versionen der Stringtheorie letztlich das gleiche auf völlig unterschiedliiche Weise darstellen.

    • Das kommt aber von den Modellen her nicht recht hin. Da hat die Dunkle Energie positive Energiedichte, aber eben negativen Druck. Wenn die Dunkle Energie irgendeine Spezies von Teilchen ist, dann ein Skalar; die haben genau die richtige Zustandsgleichung zwischen (positiver) Energie und (negativem) Druck.

  7. Ich hab noch eine ganz andere Idee, wie man sich das Wirken der dunklen Energie vorstellen kann.

    Jules Verne ließ ja in Gedanken eine Kanonenkugel so von der Erdoberfläche abfeuern, dass sie ihrer Schwerkraft entkommt. Wenn wir jetzt noch dieses Gedankenexperiment so variieren, dass wir die Erde zu einem schwarzen Loch machen und die Kugel von der Erdmassensingularität aus abfeuern, so muss die Anfangsgeschwindigkeit unendlich sein (wenn man newtonisch rechnet). Das wäre dann die blaue Kugel.

    https://www.geogebra.org/material/show/id/xjmxmXCn

    Jetzt lassen wir unseren Erdmassenpunkt mit einer Winkelgeschwindigkeit von ca. 2Pi/24Stunden rotieren und befestigen daran ein Führungsrohr (Weltraumlift), an dem die Kugel reibungsfrei entlang gleitet. Dann wirkt auf die Kugel noch eine Zentrifugalkraft welche entgegengesetzt zur Schwerkraft wirkt.

    Und so ähnlich wie rote Kugel und Erde verhalten sich auch zwei Galaxien, die viele Milliarden Lichtjahre auseinander sind.

    Wie gesagt, das ist nur eine Analogie. Die dunkle Energie hat wohl nicht wirklich was mit Rotation zu tun.

    • Die Zentrifugalkraft ist eine Scheinkraft. Von einem Inertialsystem aus betrachtet gibt es (außer in Spezialfällen, und auch dann netto) nur Zentripetalkräfte, also jene zum Zentrum einer realisierten Drehung hin. Außerdem nützt eine Analogie nichts, wenn Sie nicht darlegen können, wozu die Analogie dient. Wenn die Dunkle Energie nichts mit Rotation zu tun hat, dann ist Ihre sogenannte “Analogie” vielleicht gar völlig sinnlos. Nicht böse gemeint, ich will Sie nicht davon abhalten privat so wild zu spekulieren wie Sie wünschen, nur hier in diesem Blog wollen wir ja unsere Gedanken auch prüfen lassen.

  8. Nichtlineare Effekte kenne ich von elektromagnetischen Feldern mit einer anderen, interessanten Eigenschaft, die auch zu einer Frage führt.
    Das Verhältnis von Feldstärke zu Flussdichte als nichtlineare Größe, aber mit “Gedächtnis”, d.h. von der Vorgeschichte oder der Richtung der Änderung abhängig bringt Effekte wie die Hysterese bei magnetisierbaren Materialien. Aufgrund solcher Effekte kann man z.B. Eisen entmagnetisieren.
    Und jetzt die Frage:
    Kann etwas entsprechendes mit dem Raum passieren, wenn z.B. eine Gravitationswelle durchläuft?
    Ist es hinterher der gleiche Raum?
    Winzigste Effekte werden gerne durch Linearisierung vernachlässigt.
    Hier geht es aber gerade um winzige Beträge.
    Noch eine Analogie: Kann man eine schwächer werdende Ummagnetisierung mit einer Schwingung, die durch expandierenden Raum läuft, vergleichen?

  9. @Wizzy
    Dann schaun sie sich mal die Gleichung (die mit dem sinh) am Ende des Artikels an.

    https://de.wikipedia.org/wiki/Friedmann-Gleichung

    Und mit genau dieser speziellen Friedmanngleichung kann man auch die Jules-Verne-Kugel (mit Rotation) simulieren.

    Haben sie eigentlich die Rechnungen im Formelkram überprüft?

    • Sie kennen die Warnung vor garbage in –> garbage out? Es gibt keine unendliche Geschwindigeit, ein makroskopisches Objekt kann ein Schwarzes Loch nicht verlassen, Sie können ein SL niemals klassisch betrachten (ART: Krümmung der Raumzeit), die Zentrifugalkraft ist wie bereits gesagt keine reale Kraft, was soll “anziehende und treibende Masse des Universums” sein und – selbst wenn zweiteres die Dunkle Energie bezeichnete – “da Sie es nicht erklären können”, verweisen Sie auf ein Buch dass die normale Kosmologie beschreibt und in keiner Beziehung zu Ihrem Beitrag steht. Ihr Beitrag ist entweder satirisch, oder aber einfach sehr fachfremd.

  10. Dann verstehen sie aber nichts vom Fach, wenn sie diese einfache Gleichung nicht lesen und interpretieren können.

    https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/debfe28f7c6fee846b7d74cc24db1da43df4031b

    Diese Gleichung sagt klipp und klar: Die treibende Kraft ist proportional zu a (Skalenfaktor), die anziehende Kraft proportional zu -1/a².

    Und in meiner Animation ist es genauso, nur dass ich da a durch r ersetzt habe.

    Wenn sie anderer Meinung sind, dann würde ich vorschlagen, ermitteln sie mal die ersten beiden Zeitableitungen und ersetzten t durch a.

    Und dann schaun’mer mal, ob sie ein anderes Kräfteverhältnis raus bekommen, als das was ich in der Animation simuliere.