Astronomen berechnen die Masse der gesamten Materie im Universum

Die anteilige Zusammensetzung des Universums aus Dunkler Energie, Materie und Dunkler Materie. (Credits: UCR / Mohamed Abdullah)
Die anteilige Zusammensetzung des Universums aus Dunkler Energie, Materie und Dunkler Materie. (Credits: UCR / Mohamed Abdullah)

Ein wichtiges Ziel der Kosmologie ist es, die Gesamtmenge der Materie im Universum genau zu messen – eine entmutigende Übung sogar für die mathematisch Bewandertsten. Ein Team unter Leitung von Forschern der University of California in Riverside hat jetzt genau das getan. Wie sie im Astrophysical Journal berichten, bestimmten sie den Anteil der Materie an der Gesamtmenge von Materie und Energie im Universum auf 31 Prozent, wobei der Rest aus Dunkler Energie besteht.

“Um einen Vergleich anzubringen: Wenn alle Materie im Universum gleichförmig im Weltraum verteilt wäre, würde das einer durchschnittlichen Massendichte von nur etwa sechs Wasserstoffatomen pro Kubikmeter entsprechen”, sagte der Erstautor Mohamed Abdullah, ein Doktorand am Department of Physics and Astronomy der UCR. “Weil wir wissen, dass 80 Prozent der Materie in Wirklichkeit Dunkle Materie ist, besteht der Großteil der Materie nicht aus Wasserstoffatomen, sondern aus einem Materietyp, den Kosmologen noch nicht verstehen.”

Abdullah erklärte, dass eine gut erprobte Technik zur Bestimmung der Gesamtmenge der Materie im Universum darin bestehe, die beobachtete Anzahl und Masse von Galaxienhaufen pro Volumeneinheit mit Vorhersagen aus numerischen Simulationen zu vergleichen. Weil heutige Galaxienhaufen aus Materie entstanden, die im Laufe von Milliarden Jahren unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabierte, hängt die Anzahl der heute beobachteten Galaxienhaufen von den kosmologischen Bedingungen ab, insbesondere von der Gesamtmenge der Materie.

“Ein höherer Prozentsatz der Materie würde in mehr Galaxienhaufen resultieren”, sagte Abdullah. “Die besondere Herausforderung für unser Team war es, die Anzahl der Galaxienhaufen zu messen und dann zu bestimmen, welche Antwort ‘genau richtig’ war. Aber es ist schwierig, die Masse irgendeines Galaxienhaufens präzise zu messen, weil der Großteil der Materie aus Dunkler Materie besteht, die wir mit Teleskopen nicht sehen können.”

Um dieses Problem zu überwinden, entwickelte das Astronomenteam zunächst “GalWeight”, ein kosmologisches Werkzeug, um die Masse eines Galaxienhaufens mittels der Umlaufbahnen seiner Mitgliedsgalaxien zu messen. Dann wandten sie ihr Werkzeug auf Beobachtungen des Sloan Digital Sky Survey (SDSS) an, um “GalWCat19” zu erstellen, einen öffentlich verfügbaren Katalog der Galaxienhaufen. Schließlich verglichen sie die Anzahl der Galaxienhaufen in ihrem neuen Katalog mit Simulationen, um die Gesamtmenge der Materie im Universum zu bestimmen.

“Wir konnten eine der präzisesten Messungen vornehmen, die jemals mit der Galaxienhaufen-Technik gemacht wurden”, sagte die Co-Autorin Gillian Wilson, Professorin für Physik und Astronomie an der UCR, in deren Labor Abdullah arbeitet. “Außerdem ist dies die erste Verwendung der Galaxienorbit-Tecnik, die einen Wert ergab, der mit Messungen anhand von anderen Techniken übereinstimmt, etwa Ungleichmäßigkeiten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, baryonische akustische Oszillationen, Typ-Ia-Supernovae oder dem Gravitationslinseneffekt.”

“Ein immenser Vorteil bei der Verwendung unserer GalWeight-Orbit-Technik bestand darin, dass unser Team eine Masse für jeden einzelnen Galaxienhaufen bestimmen konnte, anstatt sich auf indirektere, statistische Methoden zu stützen”, sagte der Co-Autor Anatoly Klypin, ein Experte für numerische Simulationen und Kosmologie.

Indem sie ihre Messungen mit jenen von anderen Teams mit anderen Techniken kombinierten, konnten die Forscher einen besten Wert bestimmen und schlussfolgern, dass die Materie 31,5±1,3 Prozent der Gesamtmenge an Materie und Energie im Universum ausmacht.

Die Studie wurde mit Fördermitteln der National Science Foundation und der NASA finanziert. Die Studie trägt den Titel “Cosmological Constraints on Ωm and σ8 from Cluster Abundances using the GalWCat19 Optical-spectroscopic SDSS Catalog“.

Quelle

(THK)

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2 Kommentare

  1. Chatverlauf vom 21.02.2024 ChatGPT
    Du
    gilt immer Wurzel aus (1-v²/c²)?
    ChatGPT
    Die Formel, die du beschreibst, ist eine Variante der Lorentz-Transformation, die in der speziellen Relativitätstheorie verwendet wird. Es handelt sich um die Zeitdilatation, die besagt, dass die Zeit, die in einem bewegten Bezugssystem gemessen wird, im Vergleich zur Zeit in einem ruhenden Bezugssystem langsamer vergeht. Die Formel lautet:
    2t′=1−c2v2t
    In dieser Gleichung steht ′t′ für die Zeit im bewegten Bezugssystem, t für die Zeit im ruhenden Bezugssystem, v für die Geschwindigkeit des bewegten Bezugssystems und c für die Lichtgeschwindigkeit. Die Wurzel ist der Lorentz-Faktor, der angibt, um welchen Faktor die Zeitdilatation aufgrund der Relativitätstheorie erfolgt.

    Du
    Was würde sich ändern, wenn 1+v²/c² wäre
    ChatGPT
    Wenn die Formel so wäre, würde dies zu einem anderen Ergebnis führen. Diese Formel wäre keine Lorentz-Transformation, sondern eher eine Art von Faktor für die Zeitkontraktion oder Längenkontraktion, die nicht mit der speziellen Relativitätstheorie übereinstimmt.
    In der speziellen Relativitätstheorie ist der Lorentz-Faktor, der Zeitdilatation und Längenkontraktion beschreibt. Eine Änderung des Vorzeichens von würde bedeuten, dass die Zeitdilatation und Längenkontraktion in einer Weise erfolgen würden, die mit den Beobachtungen der speziellen Relativitätstheorie nicht übereinstimmt.
    Insgesamt würde eine Änderung bedeuten, dass die mathematischen Beziehungen, die in der speziellen Relativitätstheorie beschrieben sind, nicht mehr zutreffen würden, was zu einer fundamental anderen Physik führen würde.

    Du
    wenn es so wäre, dann würde bei Gleichheit von c und v der Wurzelwert aus 2 gebildet, ein fundamentaler Wert in der Physik
    ChatGPT
    Ja, das stimmt. Wenn die Formel so lautete dann wäre der Wert der Wurzel 2.
    Das Auftreten von 2 in diesem Zusammenhang könnte theoretisch interessante Konsequenzen haben. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die spezielle Relativitätstheorie von Einstein durch umfangreiche experimentelle Beobachtungen bestätigt wurde, und die in ihr enthaltenen Formeln haben sich als äußerst präzise erwiesen, um eine Vielzahl von Phänomenen in der Physik zu erklären.
    Eine Änderung dieser Formeln würde bedeuten, dass die spezielle Relativitätstheorie nicht mehr mit den Beobachtungen übereinstimmen würde, es sei denn, es gäbe andere Anpassungen in anderen Aspekten der Theorie, um dies auszugleichen.

    Du
    Welche Auswirkungen hätte dies auf die Überlegungen zur dunklen Materie?
    ChatGPT
    Eine Änderung in den Grundlagen der speziellen Relativitätstheorie hätte wahrscheinlich erhebliche Auswirkungen auf viele Bereiche der Physik, einschließlich unserer Überlegungen zur dunklen Materie.
    Die Existenz dunkler Materie wurde erstmals anhand von Beobachtungen über die Rotationsgeschwindigkeiten von Galaxien und die Massen von Galaxienhaufen postuliert. Diese Beobachtungen lassen sich am besten durch die Annahme erklären, dass es eine zusätzliche unsichtbare Materiequelle gibt, die eine zusätzliche Schwerkraft ausübt. Die spezielle Relativitätstheorie hat zwar keinen direkten Einfluss auf die dunkle Materie, aber sie ist eng mit der allgemeinen Relativitätstheorie verbunden, die wiederum die Grundlage für unser Verständnis von Gravitation ist.
    Eine grundlegende Änderung in den Prinzipien der speziellen Relativitätstheorie würde wahrscheinlich Auswirkungen auf unsere gesamte Vorstellung von Raum, Zeit und Gravitation haben. Dies könnte zu einer Überarbeitung unserer Modelle für die Struktur des Universums führen und damit auch Auswirkungen auf unsere Erklärungen für Phänomene wie die Rotationskurven von Galaxien, die großräumige Struktur des Universums und andere Aspekte haben, die derzeit mit Hilfe von dunkler Materie erklärt werden.

    Du
    Welche Lösungen hätten die Gleichungen der speziellen Relativitätstheorie unter dieser Annahme?
    ChatGPT
    Wenn sich die grundlegenden Gleichungen der speziellen Relativitätstheorie ändern würden, würden sich auch die Lösungen dieser Gleichungen ändern. Es ist jedoch schwierig, spezifische Vorhersagen zu machen, ohne zu wissen, wie genau sich die Gleichungen ändern würden.
    Wenn wir jedoch hypothetisch davon ausgehen, dass eine Änderung der speziellen Relativitätstheorie zu einer anderen Art von Raum-Zeit-Geometrie führen würde, könnte dies verschiedene Konsequenzen haben. Zum Beispiel könnten sich die Lorentz-Transformationen ändern, was zu anderen Effekten wie einer anderen Form von Zeitdilatation oder Längenkontraktion führen könnte. Dies wiederum könnte Auswirkungen auf viele Phänomene haben, die durch die spezielle Relativitätstheorie erklärt werden, einschließlich der Bewegung von Teilchen mit hoher Geschwindigkeit, der Funktionsweise von Teilchenbeschleunigern und anderen Aspekten der Physik.
    Es ist jedoch wichtig anzumerken, dass die spezielle Relativitätstheorie durch eine Vielzahl von Experimenten und Beobachtungen sehr genau bestätigt wurde. Jede Änderung an dieser Theorie müsste mit größter Vorsicht betrachtet werden und müsste mit den beobachteten Phänomenen und Experimenten in Einklang gebracht werden.

    Du
    Das Verhältnis von Wurzel2 und 2 ist fast 70% und entspricht damit fast dem Verhältnis von Materie und dunkler Materie im Universum. Ist hier vielleicht ein einfacher Rückschluss aus Wirk – und Blindleistung als ähnliches Verhältnis annehmbar? Die Grundtendenz der Physik ist Vereinfachung auf das Wesentliche und nicht immer kompliziertere Theorien.

    Danke
    ChatGPT
    Bitte schön! Wenn du weitere Fragen hast oder weitere Informationen benötigst, stehe ich gerne zur Verfügung.
    ChatGPT kann Fehler machen. Überprüfen Sie wichtige Informationen.

    Überlegungen aus 2015 Excel:

    m0= 1 l’= 1 t’= 1 Schrittweite für v in kms-1: 10000
    Objekte nach spezieller Relativitätstheorie: Objekte mit Neutrinoverhalten:
    c= 299792,458
    m/kg l/m t/s rel. Wert v/kms-1 rel.Wert m/kg l/m t/s Summe rel. Werte:
    1 1 1 1 0 1 1 1 1 2
    1,00055679 0,99944352 1,00055679 0,99944352 10000 1,00055617 0,99944414 1,00055617 0,99944414 1,99999969
    1,002232756 0,99777222 1,00223276 0,997772218 20000 1,00222283 0,9977821 1,00222283 0,9977821 1,99999505
    1,005044846 0,99498048 1,00504485 0,994980477 30000 1,00499445 0,99503037 1,00499445 0,99503037 1,99997493
    1,009021839 0,99105883 1,00902184 0,991058827 40000 1,00886193 0,99121591 1,00886193 0,99121591 1,99992076
    1,014205173 0,98599379 1,01420517 0,985993787 50000 1,01381273 0,98637546 1,01381273 0,98637546 1,99980652
    1,020650178 0,97976762 1,02065018 0,979767624 60000 1,01983107 0,98055456 1,01983107 0,98055456 1,99959869
    1,028427765 0,97235803 1,02842776 0,972358034 70000 1,02689817 0,97380639 1,02689817 0,97380639 1,99925621
    1,037626708 0,96373772 1,03762671 0,963737722 80000 1,03499256 0,96619052 1,03499256 0,96619052 1,99873028
    1,048356643 0,95387386 1,04835664 0,953873862 90000 1,04409035 0,95777152 1,04409035 0,95777152 1,99796421
    1,060752 0,94272742 1,060752 0,942727423 100000 1,05416555 0,94861761 1,05416555 0,94861761 1,99689297
    1,074977185 0,9302523 1,07497719 0,930252301 110000 1,06519043 0,93879927 1,06519043 0,93879927 1,99544273
    1,091233405 0,91639423 1,0912334 0,916394234 120000 1,07713584 0,92838801 1,07713584 0,92838801 1,99353007
    1,109767776 0,90108942 1,10976778 0,901089419 130000 1,08997149 0,91745519 1,08997149 0,91745519 1,99106091
    1,130885604 0,88426274 1,1308856 0,884262738 140000 1,10366635 0,90607093 1,10366635 0,90607093 1,98792909
    1,154967184 0,86582547 1,15496718 0,865825466 150000 1,11818883 0,89430333 1,11818883 0,89430333 1,9840143
    1,182491182 0,84567227 1,18249118 0,845672268 160000 1,13350713 0,88221765 1,13350713 0,88221765 1,9791794
    1,214067838 0,8236772 1,21406784 0,823677202 170000 1,14958943 0,86987578 1,14958943 0,86987578 1,97326664
    1,250487217 0,7996883 1,25048722 0,799688303 180000 1,16640414 0,85733578 1,16640414 0,85733578 1,96609244
    1,292791245 0,77352009 1,29279124 0,77352009 190000 1,18392004 0,84465163 1,18392004 0,84465163 1,95744013
    1,342384701 0,74494294 1,3423847 0,744942936 200000 1,20210649 0,83187305 1,20210649 0,83187305 1,94704943
    1,401212716 0,71366752 1,40121272 0,713667517 210000 1,22093353 0,81904541 1,22093353 0,81904541 1,93460104
    1,472057567 0,67932126 1,47205757 0,679321259 220000 1,24037197 0,80620977 1,24037197 0,80620977 1,91969323
    1,55906266 0,64141104 1,55906266 0,641411039 230000 1,26039354 0,79340299 1,26039354 0,79340299 1,90180458
    1,66872239 0,59926085 1,66872239 0,599260851 240000 1,28097089 0,78065786 1,28097089 0,78065786 1,88023175
    1,811922138 0,5519001 1,81192214 0,551900095 250000 1,30207768 0,76800333 1,30207768 0,76800333 1,85397778

    Herzliche Grüße aus Thüringen / Arnstadt

  2. FASZINATION UNIVERSUM

    Gedichte zu den Rätseln des Universums,
    über Raum und Zeit, nicht frei von Heiterkeit:

    DUNKLES UNIVERSUM

    Am Anfang war der Urknall,
    Um uns herum der Nachhall.
    Das Weltall in Expansion
    Milliarden Jahre nun schon.

    Es sind dabei die Galaxien
    Einander rasant zu entflie’n.
    Da ist keine Wende in Sicht,
    Irgendwann geht aus das Licht.

    Dunkle Materie ist rätselhaft,
    Dunkle Energie nicht minder.
    Das Wissen ist noch lückenhaft,
    Man kommt nicht recht dahinter.

    Es braucht wohl wieder ein Genie,
    Gar eine neue Theorie.
    Den Kosmos ganz zu versteh’n,
    Wird noch etwas Zeit vergeh’n.

    EINSTEIN RELATIV LYRISCH

    Zeit ist relativ,
    Man hat sie leider nie.
    Einstein forschte intensiv,
    Offenbarte sein Genie:
    Konstant das Tempo von Licht,
    Schneller geht es nunmal nicht.
    Ein weiteres Resultat: E = m c ²
    Er brachte die Raumzeit ins Spiel,
    Eine Feldgleichung war das Ziel.
    Masse krümmt umgebenden Raum –
    Revolutionäres war gedacht,
    Wissenschaft vorangebracht.

    DAS SCHWARZE LOCH

    Ein kosmisches Schwergewicht,
    Zu keiner Diät bereit;
    Sternenstaub das Hauptgericht,
    Verschmäht wird keine Mahlzeit.
    Die Materie superdicht,
    Stark verbogen die Raumzeit;
    Dem Monster entkommt kein Licht,
    Gefängnis für die Ewigkeit.
    Der Ereignishorizont ist Grenze,
    Dahinter ist einfach Sense.

    STERNENSCHICKSAL

    Wasserstoff zu Helium
    Ist der Sterne Tonikum;
    Im Innern die Kernfusion
    Ist der Sterne Profession.
    Eruption und Protuberanz
    Sind nur oberflächlicher Tanz.

    Sterne sind bis zum Ende
    Geburtsort der Elemente.
    Nach dem Eisen letzter Gruß,
    Machen Sterne damit Schluss.
    Für Elemente superschwer
    Muss eine Supernova her.

    Sterne entsteh’n und vergeh’n,
    Das ist im All Normalgescheh’n.
    Der Mensch, ein Kind der Sterne,
    Betrachtet’s aus der Ferne.

    STERNENBETRACHTUNG

    Deklination und Rektaszension
    Bestimmen die Sternposition.
    Die Parallaxe indessen
    Hilft beim Entfernung messen.

    Wir sehen Sterne Blau und Rot,
    Neugeboren, auch kurz vorm Tod;
    Oder uns’rer Sonne ähnlich,
    Mittelalt und leuchtend gelblich.

    Da gibt es Riesen und Zwerge
    Verschiedenster Leuchtstärke;
    Solisten und Mehrfachsterne,
    Recht nah und in weiter Ferne.

    Sternenheimat sind Galaxien,
    Die mit ihnen durchs All zieh’n.
    Meist von Planeten umgeben,
    Gibt’s ohne Sterne kein Leben.

    DAS SCHWARZE LOCH – Maxiversion

    Es ist weder schwarz, noch ist es ein Loch,
    Man sieht das obskure Objekt einfach nicht;
    Der dichten Materie entkommt kein Licht.
    Über Einzelheiten rätselt man noch.

    Es hat zugelegt seit seinem Entsteh’n,
    Wird auch demnächst nicht auf Diät geh’n.
    Es will sich alles einverleiben,
    Wir sollten dem Monster fernbleiben.

    Im Zentrum der Galaxie zu Hause,
    Saugt es Material auf ohne Pause.
    Man nennt dieses hier supermassiv,
    Es ist trotz seiner Fülle recht aktiv.

    Es wird von Sternen rasant umkreist,
    Was uns seine Existenz beweist.
    Eine Strahlung, nach Hawking benannt,
    Beobachtet man an Loches Rand.

    Der Ereignishorizont ist Grenze,
    Dahinter ist einfach Sense.
    Verrinnen will dort keine Zeit,
    Gefängnis für die Ewigkeit.

    MONSTERCRASH

    Zwei Schwarze Löcher im Streit,
    Das kommt vor von Zeit zu Zeit.
    Auch einen Neutronenstern
    Rempeln diese Monster gern.

    Die gewaltige Kollision
    Bringt das Weltall zur Vibration;
    In die Raumzeit ein paar Dellen,
    Dazu Gravitationswellen.

    Diese gehen auf die Reise,
    Zieh’n im Kosmos ihre Kreise.
    So erfährt auch unser Planet,
    Was da draußen vor sich geht.

    TEILCHENPHYSIK

    Ewig bleibt stehn keine Mauer,
    Nichts im Weltall ist von Dauer.
    So zerfällt nach einem Weilchen
    Auch noch das kleinste Teilchen.

    Nukleonen winzig klein,
    Der größte Galaxienverein;
    Was am Himmel sehen wir,
    Der Mensch und alles Getier –
    So schön auch der Bibelbericht,
    Einen Gott brauchte es dafür nicht.

    WELTALL – ERDE – MENSCH

    Eine Singularität macht Karriere,
    Die Materie in einem Punkt vereint.
    Ein großer Knall beendet die Leere,
    Das Duo Raum und Zeit erscheint.

    Der Materie Vielfalt fächert sich auf,
    Es bilden sich die Elemente.
    Sterne und Planeten entsteh’n zuhauf,
    Alles in Ausdehnung ohne Ende.

    Uns’re Galaxie ist eine von Milliarden,
    Ein Spiralsystem, keine Besonderheit.
    Die Erde hatte die besten Karten,
    Hier fand das Leben Geborgenheit.

    Aus toter Materie ging es hervor,
    Strebte hin zu höchster Komplexität.
    Die Evolution wirkt als ein Motor,
    Der einfach niemals ins Stocken gerät.

    Zahllose Arten entsteh’n und vergeh’n,
    Bevor der Mensch betritt die Szenerie.
    Auch ihn wird man nicht ewig hier seh’n,
    Das ist die kosmische Dramaturgie.

    Rainer Kirmse , Altenburg

    Herzliche Grüße aus Thüringen

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