Warum expandiert das Universum beschleunigt ?

Welche Rolle spielt die Strukturbildung?

Was ist Dunkle Energie?

Es liegt im Wesen des Erkenntnisstrebens,

daß man die Einfachheit und Sparsamkeit

der Grundhypothesen anstrebt. 

                                                        

                                                     Albert Einstein (1879-1955)

Seit 1998 zeigte sich durch Messungen an Supernovae in sehr fernen Galaxien, dass sich das Universum seit etwa 5 Milliarden Jahren räumlich immer schneller ausdehnt. Wie ist das zu verstehen, wo doch Gravitation eine anziehende "Kraft" ist?

 

Schon um 1990 verfolgte der damalige Direktor des Instituts für Astrophysik der Universität Bonn, Wolfgang Priester (1924 - 2005), die Idee, dass eine seltsame Vakuumenergie die Expansion des Universums immer schneller machen könnte. Die Hypothese war eine Erweiterung der alten Idee von Albert Einstein, der eine sogenannte "Lambda - Konstante" eingeführt hatte, um unter dem Einfluß der anziehenden Gravitation ein statisches Universum zu  gewährleisten. Der Abbe Georges Lemaitre (1894 - 1966) hatte diese Konstante auch für expandierende Universen in Betracht gezogen, was Einstein zunächst ablehnte. Die Idee eines statischen Universums war aber spätestens 1929  überholt, nachdem die Expansion des Universums durch empirische Messungen offenbar wurde.

 

Für mich persönlich war damals die Wiedereinführung dieser "abstoßenden Gravitation" nicht sehr überzeugend, da die physikalische Natur dieser "Vakuumenergie" mysteriös blieb ("Dunkle Energie"; "Dunkle Kraft"). Doch Wolfgang Priester verfolgte diese Hypothese weiter und versuchte, sie durch empirische Daten (Lyman - Alpha - Wald) mit seinen Mitarbeitern zu bestätigen. Mit Wehmut erinnere mich noch daran, wie er eines Morgens, es war wohl um 2000, an meinem Büro vorbeikam und mir eine alte Arbeit vorlegte mit der Bemerkung, dass mit den neuen Messungen der Supernovae - Gruppen in USA und Australien von 1998 seine älteren Spekulationen und Auswertungen wieder hoch aktuell seien.

 

Erst nach seinem plötzlichen Tod 2005 erlebte ich eine Art geistiger Morgendämmerung für die beschleunigte Expansion des Universums. Im Jahre 2006  besuchte die Universität Bonn David Wiltshire von der Canterbury University (New Zealand). Für Ihn ist die beschleunigte Expansion des Universums ein "Scheineffekt", der mit der Allgemeinen Relativitätstheorie erklärt werden könne. Ich dagegen war gleich davon überzeugt, dass dieses Phänomen dynamisch real ist und aus logischen Gründen auch im Bild der Newtonschen Gravitation erklärbar sein muss.  Mit der Ausarbeitung dieser Idee wurde mir klar, dass dieser dynamische Beschleunigungseffekt nichts mit "Vakuumenergie" ("Quanteneffekten") zu tun haben könne, sondern einfach  mit der Verdichtung von Galaxienhaufen zu kompakten Superhaufen und Filamenten zusammen hängt - eine alte Idee, die - noch etwas sehr undeutlich - der Harvardprofessor David Layzer und auch Jakow Boris Seldowitsch 1963 vertraten (Layzer - Irvine Gleichung) . Und genau hier begann nun meine Leidenschaft auch für Kosmologie.

Geistiger Modellbau ist das Geheimnis des wissenschaftlichen Fortschritts

 

Max Planck (1858-1947)

Expandierender Ring mit Strukturbildung (Paarfusion). Die Differentialgleichung für R[t] zeigt wesentliche Eigenschaften der Expansionsdynamik.

Ein idealisiertes Modell (toy modell) für ein expandierendes 1D-  Universum in eine 2D-Mannigfaltigkeit ist der oben gezeigte  eindimensionale N- Teilchenring (N: Teilchenzahl). Dieses Problem läßt sich mit Newtonscher Dynamik exakt behandeln, da relativistische Effekte sekundärer Natur sind (Newtonsche Kosmologie).  Alle wichtigen Eigenschaften zwischen der  Paarbildung und der Expansion (backreaction) läßt sich hier im Detail studieren. Es gibt auch eine eindeutige Definition für den Zustandsparameter w, dessen Wert  für w >  +1/3 oder -wichtiger- für w < -1/3 eine notwendige, aber noch keine hinreichende Bedingung für eine beschleunigte Expansion des dynamischen Systems darstellt. Das Potential Phi[xi] muss erst einen kritischen Wert überschreiten, damit eine beschleunigte Ausdehung stattfinden kann. Das Modell schließt alle Details der relativistischen Friedmann-Gleichungen ein; auch den Druckterm 3p, der hier proportional dem Quadrat der Eigengeschwindigkeit der Ringteilchen längst der Ringperipherie ist. 

 

Eine notwendige Voraussetzung für eine kurzfristige beschleunigte Expansion besteht somit darin, dass der Druck positiv, die Differenz aus kinetischer Energie und der gravitativen  Energiedichte der Strukturbildung (Paarbildung) aber negativ wird. Dunkle Energie ist hier also die negative Gravitationsenergie der sich bildenden Strukturen.  Expansion und Strukturbildung können nicht mehr getrennt betrachtet werden. Die Gesamtenergie aus dem kinetischen Anteil der Rngexpansion und der Eigenbewegung der Ringteilchen ist dabei identisch der gravitativen Energie, die sich aus dem homogenen und dem inhomogenen Anteil zusammensetzt. Die radiale Beschleunigung wird in diesem "Ringkosmos" bei der singulären "Paarfusion" sogar unendlich, aber nur für eine "unendlich"  kurze Zeitdauer! Beschleunigte Expansion ist somit im Bild der Newtonschen Mechanik verständlich! Der Druck ist positiv, die Energiedichte ist aber negativ! Man benötigt in diesem Modell keine exotischen hypothetischen "Quantenfelder".

 

Der expandierende 1D-Teilchenring mit Paarfusion ist somit für eine kurze Zeit in der Lage, sich am eigenen Schopf aus dem Sumpf zu ziehen! (Münchhauseneffekt; im Amerikanischen: pull oneself over a fence by one's bottstraps).

 

 

"DUNKLE ENERGIE" ist negative Gravitationsenergie der sich bildenden Galaxiencluster.  "DUNKLE MATERIE" könnte aus einer exotischen Population von "black holes" bestehen, den "Elementarteilchen" der Einsteinschen Gravitationstheorie. Ist vielleicht  Antimaterie in "black holes" gebunden? Oder sind diese Objekte die für immer "ungeborenen" oder noch nicht "geborenen" Sterne des Universums?

Wenige sind imstande, von den Vorurteilen
der Umgebung abweichende
Meinungen gelassen auszusprechen;
die Meisten sind sogar unfähig,

überhaupt zu solchen Meinungen zu gelangen. 

 

Albert Einstein (1879-1955)


Expandierendes Galaxiensystem mit den beiden relevanten Differentialgleichung für den Skalenfaktor a[t]. Kosmologische Strukturen neigen zu "pilzartigen" Verflechtungen.

Eine realistische Erweiterung des Ringkosmos ist das Modell eines expandierenden 3D - Kosmos mit Teilchen (Galaxien und Galaxienhaufen) , die ein quasi-Kontinuum repräsentieren. Die Differentialgleichung für den Skalenfaktor a[t] enthält wieder einen speziell definierten Zustandsparameter w und ein mit der Strukturbildung zunehmende gravitative Potentialfunktion V[psi] ("Dunkle Energie", "negative Gravitationsenergie").  Mit Hilfe der Jeansgleichung für Strukturwachstum berechnet sich dieser  Parameter w  im frühen Kosmos exakt zu w = -2/3. Das steht natürlich im Widerspruch zur Kosmologischen Konstanten mit w = -1 und damit auch zum Standardmodell der Kosmologie.  Mit w = -2/3 expandiert das Universum zu Beginn schneller als mit w = -1, später ist die beschleunigte Expansion gegenüber w = -1 aber schwächer ausgeprägt. Nimmt allerdings der w-Parameter ab, gleicht sich das Modell dem klassischen Kosmosmodell fast ununterscheidbar an.

 

Die physikalische Existenz einer kosmologischen Konstante als gravitierende "Vakuumenergie" ist somit sehr zweifelhaft.  Der Casimir-Effekt kann nämlich ohne Bezug zu Quanten-fluktuationen des Vakuums berechnet werden und ist somit kein Beleg für die "Realität" von "Vakuumenergie". (R.L.Jaffe, 2005) Der Effekt beruht  auf relativistisch retardierten van der Waals Kräften zwischen zwei elektrisch leitenden Metallplatten. 

 

Die Deutung der beschleunigten Expansion des Universums mit Hilfe der obigen Gleichung erscheint auch im neuen Bild: 

 

Anstatt das ein "hypothetischer Druck" negativ wird, bildet das gravitative dynamische System durch Haufenbildung immer stärkere  negative Energiedichten bei steigendem positiven Druck aus (Druck: Quadrat der Pekuliargeschwindigkeiten der Galaxien gegenüber dem Hubble-Lemaitre Fluß). Hier liegt  der wahre Grund der beschleunigten Expansion des Kosmos ("dark energy").  Negative Energiedichte bedeutet hier nicht "negative Massen", wie A. Einstein 1918 in einer Diskussion mit E. Schrödinger über die kosmologische Konstante spekulierte.

 

Eine wichtiger Hinweis auf einen w-Parameter w ~ -2/3 im frühen Universum könnte die sogenannte S8-Anomalie sein. Sie besagt, dass das heutige Universum einen etwa um 10% geringeren Dichtekontrast (Grad der Verklumpung) aufweist als es nach dem Standardmodell haben sollte.  Ein Modell mit w = -2/3 anstatt w = -1 könnte diese Diskrepanz zwanglos erklären. Allerdings sollte diese Unstimmigkeit nicht mehr als 12% betragen. Messungen und Auswertungen ab 2024 deuten allerdings auch darauf hin, dass die S8 Anomalie nicht so ausgeprägt ist, wie man früher dachte.


 

Neue Daten des Supernova Projekts (Dark Energy Survey; arXiv.2401.02929) zeigen, dass das Lambda-CDM Modell mit w = -1 nicht optimal ist. Es wird ein beschleunigt expandierendes Universum bestätigt, aber der Zustandsparameter w scheint eher bei w ~ -0.8 mit einem Fehler von 0.2 zu liegen.  Inwieweit der Parameter konstant ist, läßt sich noch nicht sicher entscheiden. Die Energiebilanz des Universums sollte aber  exakt null sein. Die immer stärker werdende potentielle Gravitationsenergie bei der Strukturbildung wird durch immer stärker werdenden kinetischen Energieanteile der Raumexpansion und Eigenbewegung der Materieteilchen kompensiert. Der Urknall (Urblitz)  wäre dann eine "Schöpfung" des "gegensätzlichen Nichts" aus dem "absoluten Nichts" (P. Atkins: A universe of nothingness - The mathematical fabric of reality). Diese Sichtweise  vereinfacht Einiges, ohne aber das Problem der "Schöpfung" an sich zu lösen. Und was ein Anfang hat, muss dann auch ein Ende haben. Ein Null-Energie Universum kann aus einem Stillstand heraus nicht wieder kollabieren. Das Universum kann aber auch - wenn man es in der richtigen "Eigenzeit" betrachtet - weder einen Anfang noch ein Ende haben.

Der Punkt Omega liegt streng genommen - und darin gleicht er dem Ur-Atom Lemaitres -, außerhalb des der Erfahrung zugänglichen Prozesses, dessen Ende und Abschluss er bildet. Denn um dorthin zu gelangen, beziehungsweise eben indem wir dorthin gelangen, verlassen wir Raum und Zeit. Trotz seiner Transzendenz entzieht er sich indes nicht gänzlich der Reichweite der Wissenschaft, die ihm notwendigerweise gewisse Eigenschaften zusprechen muss. 

 

(in: Die Entstehung des Menschen (1949))

Pierre Teilhard de Chardin (1881-1955)

Die Sonne sinkt, es steigt die Nacht,

vergangen ist der Tag,

Die Welt schläft ein, und leis erwacht,

der Nachtigallen Schlag.

 

So ist in jedem Anbeginn

das Ende nicht mehr weit.

Wir kommen her und gehen hin

und mit uns geht die Zeit.

 

"Auld Lang Syne"

Nachdichtung des Textes von R. Burns (1759-1796)

im Jahre 1946 von C.L. Laue (1917-1971)

Jugendbewegung-Pfadfinder

Ein Kosmos mit w = -2/3 expandiert in der frühen Phase etwas schneller als ein Kosmos mit w = -1 (kosmologische Konstante). Damit muss der Dichtekontrast im heutigen Universum etwas kleiner sein als im Standardmodell. Genau dieses Faktum wird in der sogenannten  S-8 Anomalie beobachtet (siehe oben Abdalla et a. (2022) arXiv: 2203.06142v1).  Die Diskrepanz beträgt etwa 10% Genau diese Quantitäten erwarten wir auch in der Theorie, wenn wir einen konstanten w-Parameter von  w = -2/3 annehmen. Allerdings sprechen andere Auswertungen des eROSITA-Satelliten eher für w ~ -1, so dass wir nur auf die Zukunft hoffen können.. Es kommt zudem der Verdacht auf, dass dieser w-Parameter nicht konstant ist, sondern im Laufe der kosmischen Geschichte abgenommen hat. (-1 < w <-2/3). Die Zukunft mit den Euclid-Satelliten wird hier vielleicht die Wahrheit zeigen...

The Cosmos is all that is or ever was or ever will be.

                                                                                      

       C.E. Sagan (1934 - 1996)

Dynamische Entwicklungsgeschichte eines binären "black hole" Systems (~10^8 Sonnenmassen; Galaxienkerne) im expandierenden Kosmos mit einer heutigen Umlaufzeit von etwa 500 Millionen Jahren. Die weißen Zahlen bedeuten die Rotverschiebung z für die entsprechende  Entwicklungsepoche.  Für z > 1000 befindet sich das binäre black hole System vollständig im extrem heißen ionisierten Plasma der "big-bang" Ursuppe. Erst bei Rotverschiebungen z < 10 nähern sich die beiden Galaxienkerne im expandierenden Raum dem relaxierten stabilen Kreisbahnzustand (Keplerbewegung).  Die Rechnungen deuten darauf hin, dass die Dunkelmaterie in der Ursuppe "black holes" waren, die nach der Reionisierungs-Epoche des Weltalls bei z < 1000 sofort als Kondensationskeime für die Entstehung von ausgedehnten  Galaxienscheiben aus Gas und Staub dienten. Wahrscheinlich gibt es auch noch heute zahlreiche wesentlich kleinere "black holes", um die sich aber keine Gasscheiben bilden konnten, weil alles Material schon frühzeitig im Zentrum  verschluckt wurde (Dunkelmaterie).

Warum expandiert das Universum beschleunigt ?
Strukturbildung ist der entscheidende "Motor" für die beschleunigte Expansion des Universums.
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Wenn Du ein Problem erkannt hast und nichts zur Lösung beiträgst, wirst Du selbst ein Teil des Problems!

 

 Alte Indianerweisheit


...If a large proportion of the scientific community in one field are guided by the herd instinct, then they cannot adopt another viewpoint since they cannot imagine that the whole herd will swing around at the same time. It is merely the logistics of the situation. Even if everybody were willing to change course, nobody individually will be sure that he will not be outside the herd when he does so. Perhaps if they could do it as neatly as a flock of starlings, they would. So this inertia-producing effect is a very serious one.

 

It is not just the herd instinct in the individuals that you have to worry about, but you have to worry about how it is augmented by the way in which science is handled. If support from peers, if moral and financial consequences are at stake, then on the whole staying with the herd is the successful policy for the individual who is dependent on these, but it is not the successful policy for the pursuit of science....

 

Thomas Gold (1920 - 2004)

Albert Einstein (1879 - 1955) in Auszügen aus seiner berühmten Rede am 5. Mai 1920 an der Universität Leiden:



 

...Anderseits läßt sich aber zugunsten der Ätherhypothese ein wichtiges Argument anführen. Den Äther leugnen bedeutet letzten Endes annehmen, daß dem leeren Raume keinerlei physikalische Eigenschaften zukommen. Mit dieser Auffassung stehen die fundamentalen Tatsachen der Mechanik nicht im Einklang. Das mechanische Verhalten eines im leeren Raume frei schwebenden körperlichen Systems hängt nämlich außer von den relativen Lagen (Abständen) und relativen Geschwindigkeiten noch von seinem Drehungszustande ab, der physikalisch nicht als ein dem System an sich zukommendes Merkmal aufgefaßt werden kann. Um die Drehung des Systems wenigstens formal als etwas Reales ansehen zu können, objektiviert Newton den Raum. Dadurch, daß er seinen absoluten Raum zu den realen Dingen rechnet, ist für ihn auch die Drehung relativ zu einem absoluten Raum etwas Reales. Newton hätte seinen absoluten Raum ebensogut Äther nennen können; wesentlich ist ja nur, daß neben den beobachtbaren Objekten noch ein anderes, nicht wahrnehmbares Ding als real angesehen werden muß, um die Beschleunigung bzw. die Rotation als etwas Reales ansehen zu können.

 

...Zusammenfassend können wir sagen: Nach der allgemeinen Relativitätstheorie ist der Raum mit physikalischen Qualitäten ausgestattet; es existiert also in diesem Sinne ein Äther. Gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie ist ein Raum ohne Äther undenkbar; denn in einem solchen gäbe es nicht nur keine Lichtfortpflanzung, sondern auch keine Existenzmöglichkeit von Maßstäben und Uhren, also auch keine räumlich-zeitlichen Entfernungen im Sinne der Physik. Dieser Äther darf aber nicht mit der für ponderable Medien charakteristischen Eigenschaft ausgestattet gedacht werden, aus durch die Zeit verfolgbaren Teilen zu bestehen; der Bewegungsbegriff darf auf ihn nicht angewendet werden.

 

Ein Sagnac-Interferometer ist ein Interferometer, das es ermöglicht, Rotationen absolut zu messen (Ring-Laser). Es ist das optische Gegenstück zum Foucault'schen Pendel. Doch relativ zu welchem System mißt man hier die Rotation? Zum kosmischen Kompaß der Trägheit? - zum kosmischen Äther? Aussagen zur Existenz eines Äthers bleiben widersprüchlich - weil bei Translation (Michelson-Morley-Versuch) volle Mitführung des Äthers durch die Erde stattfinden müßte, bei Rotation (Michelson-Gale-Versuch) hingegen der Äther relativ zum kosmischen Hintergrund ruhen müßte.

A scientist commonly professes to base his beliefs on observations, not theories...I have never come across anyone who carries this profession into practice...Observation is not sufficient...theory has an important share in determining belief.

 

Sir A. Eddington (1882-1944)



Aktuelles

kritisch betrachtet

Eine neue Computersimulation im Jahre 2023 des Kosmos (Flamingo project) hat nicht nur Dunkle Materie, sondern auch baryonische Materie und galaktische Winde berücksichtigt. Die Hoffnungen, die S8-Anomalie der Strukturbildung dadurch zu klären, wurden aber enttäuscht. Ursache: anstatt w=-1 (Kosmologische Konstante) doch w = -2/3?

 

 

Eine kleine historische Sensation hat sich Ende 2022 in Belgien ereignet: Das  verloren geglaubte einzige Videointerview mit George Lemaitre (1894-1966) aus dem Jahre 1964 wurde in einem Archiv wiedergefunden. Es war falsch eingeordnet worden. Nicht nur auf youtube kann man es finden, sondern es existiert inzwischen (Januar 2023) auch eine schriftliche Transkription [arXiv:2301.07198v2] in französischer und englischer Sprache. Ich beabsichtige, dieses legendäre Interview zeitnah ins Deutsche zu übersetzen.  Bis jetzt kannte man nur ein schriflich niedergelegtes Interview aus dem  Jahre 1938.

 

 

Ende 2018 entstand weltweit ein riesiger Medienrummel (Medien-Hype), leider auch unterstützt von der Oxford University, dass das Problem der dunklen Materie und der Dunklen Energie durch die Einführung von zusätzlichen negativen Massen (dark fluid) mit zusätzlicher kontinuierlicher Materie-Erzeugung im Universum sehr einfach gelöst werden könne. Ursache sei einfach ein Vorzeichenfehler, behauptete Jamie Farnes von der Oxford University. (A&A 620, id. A92, 2018) Sofort tauchten aber Gegenstimmen auf, welche die Unmöglichkeit von negativen Massen (träger Masse,schwerer Masse, gravitativer Masse) im Rahmen der Einsteinschen Theorie darlegten. Zudem zeigte sich im Laufe des Jahres 2019 ein schwerer Fehler im Simulations-Programm und die Tatsache, dass sich im Rahmen dieser gewagten These und ihrer korrigierten Simulation die Halos um Galaxien nicht in der beobachten postulierten Form (dunkle Materie) bilden können. Ein öffentlicher Widerruf dieser fehlerhaft  falschen Hypothese hat aber nie stattgefunden! Historisch kann man diese Affäre als den NEGATIVE MASS BUG bezeichnen.

 

Hinweise auf eine angebliche Phase der "Inflation" im frühen Universum zerfallen zu Staub: Im März 2014 veranstaltete ein Team um den Harvard Astronomen J. Kovac (BICEP2) für eine völlig übereilte propagandistische Pressekonferenz (schon einen Tag vorher als  Sensation angekündigt!): Man hat in der Hintergrundstrahlung des Universums Signaturen einer Polarisation entdeckt, die angeblich eindeutig auf Gravitations-wellen in einer Inflationsphase des frühen Universums schließen lassen. Der eigentliche Skandal ist, daß man die Daten fast ausschließlich durch MIE-Streuung von Mikrowellen an inter-stellaren Staubteilchen erklären kann und muss -  und genau daran hatte das "Team" bei der Auswertung nur sehr unzulänglich gedacht! Ein aggessiver Versuch, die Öffentlichkeit durch Sensation zu täuschen und eine nicht überprüfbare (nicht falsi-fisierbare) Theorie (Inflations - Hypothese) salonfähig zu machen. Der Citation-Index dieser Veröffentlichung ist inzwischen wesentlich höher als ihr Widerruf. Die Raffgier nach Forschungs-geldern und Nobelpreisen treibt auch in der Wissenschafts - Industrie  immer bizarrere Blüten...

Nachweis angeblich überall im Universum vorhandener DUNKLER MATERIE in Form von Elementarteilchen gescheitert! Das bis jetzt empfind-lichste Experiment LUX in Sanford/South Dakota USA konnte in einer ersten Phase Ende Oktober 2013 keine WIMPs - Teilchen feststellen, die angeblich einen großen Teil der angeblich existierenden Dunklen Materie ausmachen sollen. Alle früheren angeblichen Nachweise sind somit fehlerhaft gewesen. Ein sehr wichtiges, schönes und befriedigendes Resultat "Die Sekte der Gläubigen an die "Dunkle Materie", die sich selber als alternativlos ansieht,  bleibt so weiter in der Krise.  Die Hypothese der "Dunklen Materie" ist allerdings im Sinne von Ockhams Rasiermesser die wahrscheinlichste "Minimalhypothese", da sie extrem einfach ist und jede dynamische Anomalie durch Hinzufügen exotischer Materie erklären kann. Ob allerdings so in der Zukunft der von Teilchenphysikern  geschürte "Big Science" Teilchen-Lobbyismus  mit der platten Devise - Wir verstehen nichts, können aber alles erklären - das vorherrschende Dogma bleiben wird, wissen nur die Sterne...