Erklärung von Dunkler Materie und Dunkler Energie für Laien

Dunkle MaterieIhr Verständnis von dunkler Materie ist nicht schlecht, aber hier sind ein paar klärende Details. Umlaufbahnen: Die Geschwindigkeit der Umlaufbahn eines Objekts hängt von zwei Dingen ab: dem Radius seiner Umlaufbahn und der darin enthaltenen Masse. Im Sonnensystem sind über 99 % der Masse im Zentrum konzentriert, daher ist der Radius der dominierende Effekt auf die Umlaufgeschwindigkeit. Wenn wir weiter von der Sonne entfernte Planeten betrachten, nimmt ihre Umlaufgeschwindigkeit ab. In der Galaxie ist es eine ähnliche Geschichte, aber mit zunehmendem Orbitalradius bekommen Sie auch immer mehr Masse in Ihre Umlaufbahn, da die Galaxie voller anderer Sterne ist. Trotzdem würden wir erwarten, dass die Orbitalgeschwindigkeiten sinken, wenn Sie Objekte am Rand der Galaxie betrachten, da die Sterne beim Herausbewegen diffuser werden und nicht genug Masse innerhalb der Umlaufbahn vorhanden ist, um den zunehmenden Radius auszugleichen. Stattdessen,

Hier ein Beispiel einer sogenannten Rotationskurve der Spiralgalaxie NGC 3198 :

Ohne dunkle Materie würden wir erwarten, dass die Geschwindigkeit von Objekten als Funktion des Radius (vom Massenmittelpunkt) der Kurve mit der Bezeichnung „Scheibe“ folgt. Was wir jedoch sehen, scheint die Summe der beiden Beiträge zu sein (die Scheibe und der „Halo aus dunkler Materie“, der diese Scheibe umgibt), die mit tatsächlichen Daten überzeichnet ist.

Wir haben auch Beweise für diese zusätzliche Masse von Gravitationslinsen. Wenn Licht an einem großen Objekt wie einem Galaxienhaufen vorbeigeht, kann sein Weg durch die Schwerkraft dieses Objekts gebogen werden. Wir können diesen Effekt sehen, wenn sich ein Galaxienhaufen vor einer noch weiter entfernten Galaxie befindet, das Licht des Hintergrundobjekts wird vergrößert und verzerrt. Wir können den Weg berechnen, den das Licht genommen haben muss, um so zu erscheinen, wie wir es sehen, und die Masse, die erforderlich ist, um es auf diese Weise zu biegen, kann nicht nur mit den Sternen und dem Gas erklärt werden, die wir im Linsencluster sehen. Dies deutet wiederum darauf hin, dass es zusätzliche Masse gibt, die wir nicht sehen können.

Dunkle Energie Damit liegen Sie nicht allzu weit weg, mit einem großen Unterschied: Dunkle Energie ist die „Kraft“, die das Universum veranlasst, seine Expansion zu beschleunigen . Wir erwarten, dass sich das Universum nach dem Urknall-Kosmologiemodell ausdehnt, aber wir würden erwarten, dass es sich verlangsamt, da die gegenseitige Schwerkraft von allem im Universum aufeinander einwirkt. Dunkle Energie scheint einen "Druck" auf jeden Teil des Weltraums auszudehnen, aber sie ist sehr schwach und wurde während des größten Teils der Geschichte des Universums von der Schwerkraft und anderen Faktoren dominiert. Erst in den letzten paar Milliarden Jahren hat es begonnen, die Macht zu übernehmen.

Es funktioniert ungefähr so. Stellen Sie sich vor, Sie haben eine 1-D-Region der Raumzeit mit einer Länge von 1 Einheit (nur der Einfachheit halber). Hier ist es: |--------| Jetzt wirkt auf diese Region dieser „Expansionsdruck“ der dunklen Energie. Nehmen wir an, es sind 0,07 Einheiten pro Jahr und Einheit. Das bedeutet, dass diese Region der Raumzeit jedes Jahr um 7 % größer wird. In 10 Jahren wird die Länge doppelt so lang sein: |--------|--------| Nun, jede dieser Regionen hat den gleichen Expansionsdruck wie die ursprüngliche! Also werden sich beide in 10 Jahren verdoppeln, und dann werden sich diese verdoppeln und so weiter. Was also passiert, ist, dass Sie lokal eine kleine Ausdehnung erhalten, aber je weiter etwas entfernt wird, desto schneller beschleunigt es sich von Ihnen weg. Der tatsächliche Effekt der Dunklen Energie ist um Größenordnungen kleiner, etwa 67,15 ± 1,2 (km/s)/Mpc ( Wikipedia), aber es bedeutet immer noch, dass alle Galaxien, die mehr als 4,5 Gigaparsec von uns entfernt sind, derzeit schneller als mit Lichtgeschwindigkeit von uns weggetragen werden. (Wir können sie jetzt noch sehen, weil das Licht, das wir sehen, emittiert wurde, lange bevor die Expansionsrate so hoch wurde.) Die Expansion summiert sich über die riesigen Entfernungen, die wir im Universum sehen.

Dunkle Energie wirkt sich nicht auf Dinge wie Planeten, Sonnensysteme und Galaxien aus, weil die Wirkung auf kleinen Skalen so schwach ist, dass die Schwerkraft ihr mehr als entgegenwirkt. Seine Wirkung ist vor allem über den weiten, leeren Weiten des Weltraums zwischen Galaxienhaufen zu sehen.

Ich hoffe, das hilft!