Lässt dunkle Energie Galaxien über lange Zeiträume expandieren?

TLDR: Dunkle Energie treibt die beschleunigte Ausdehnung des leeren Raums zwischen Galaxienhaufen voran. Andere Effekte dominieren die Dynamik innerhalb eines gegebenen Clusters.

Wenn ich für einen Moment philosophisch werden darf, müssen wir uns daran erinnern, dass jede Gleichung, die wir aufschreiben, eine ungefähre Beschreibung der Natur ist, die aus vereinfachenden Annahmen aufgebaut ist und einen genau definierten Gültigkeitsbereich hat. Was ist also der Gültigkeitsbereich für Dunkle Energie?

Kosmologie wie Staub im Wind

Wenn wir die Friedmann-Gleichungen aus der FLRW-Metrik ableiten , nehmen wir an, dass der Inhalt des Universums eine einheitliche Dichte hat . Die Materie des Universums wird als einheitlicher, nicht wechselwirkender Staub modelliert. In diesem Fall sind die Staubkörner Galaxienhaufen . Mit "nicht interagierend" meinen wir, dass die Galaxienhaufen einfach an Ort und Stelle sitzen, es sei denn, sie werden von der kosmologischen Dynamik herumgetragen. Nur Staub im Wind, Mann.

Dunkle Energie passt als kosmologische Konstante in die Einsteinschen Feldgleichungen . Es hat eine konstante Energiedichte.

In der Vergangenheit lagen die Staubkörner dichter beieinander und das Universum war von Materie dominiert . Die kosmologische Dynamik wurde hauptsächlich von der Materie im Universum angetrieben. Als sich das Universum ausdehnte, wurde zwischen den Staubkörnern mehr leerer Raum. Die Materiedichte des Universums nahm ab. Schließlich sank die Materiedichte auf eine ähnliche Größenordnung wie die Dichte der Dunklen Energie. An diesem Punkt beginnt dunkle Energie, die kosmologische Dynamik merklich zu beeinflussen. Während sich das Universum weiter ausdehnt, nimmt die Materiedichte weiter ab, aber die Dichte der dunklen Energie bleibt gleich, was zu der von dunkler Energie dominierten Kosmologie führt, die wir heute sehen.

Die Friedmann-Gleichungen beschreiben die Dynamik von Galaxienhaufen. Das ist ihr Geltungsbereich.

in einem Staubkorn

Wenn wir auf ein einzelnes Staubkorn zoomen und hineinschauen, finden wir viele Galaxien. Das Wichtigste, was man verstehen muss, ist, dass die Raumzeit auf der Ebene eines einzelnen Galaxienhaufens nicht von dunkler Energie dominiert wird. Die durchschnittliche Materiedichte in einem Cluster ist viel größer als die durchschnittliche Dichte des Universums. Es gibt einfach viel mehr Leerraum zwischen Haufen als zwischen Galaxien innerhalb eines Haufens.

Wenn wir die gleichen kosmologischen Annahmen auf dieser Skala anwenden, wäre die Dynamik anders als bei Galaxienhaufen. Die erhöhte Materiedichte bedeutet, dass die Expansion nicht mit der gleichen Geschwindigkeit erfolgen wird. Die Expansionsrate zwischen Haufen ist größer als die Expansionsrate zwischen benachbarten Galaxien, die größer ist als die Expansionsrate zwischen Sternen innerhalb einer Galaxie.

Die Nicht-Interaktions-Annahme gilt sicherlich nicht innerhalb eines Clusters. Die Galaxien schweben nicht nur im Wind der Kosmologie, sie interagieren gravitativ und beeinflussen sich gegenseitig. In diesem Fall müssen wir uns möglicherweise Gedanken über die Lösung der Gravitation machen$N$-Körper-Problem mit einer kosmologischen Konstante ungleich Null.

Die Friedmann-Gleichungen, die die Kosmologie beschreiben, sind keine brauchbare Annäherung an die Dynamik innerhalb einer Galaxie. Die kosmologische Konstante (dunkle Energie) modifiziert die Gravitationsdynamik, aber sie treibt die beschleunigte Expansion nicht auf die gleiche Weise an wie für den leeren Raum zwischen Galaxienhaufen.

Wenn Sie die Friedmann-Gleichungen für die FLRW-Metrik aufschreiben, werden Sie sehen, dass dunkle Energie in der Vergangenheit nicht dominant war.

Die Energiedichten entwickeln sich so;

Dies zeigt uns, dass, wenn Sie in der Zeit vorbeigehen ($z \rightarrow \infty$), dominieren zuerst Materie und dann Strahlung die Dynamik des Universums. Die dunkle Energie hat erst vor kurzem begonnen, ihre Wirkung zu zeigen. Sie können diese Zeit sogar berechnen, indem Sie einfach gleichsetzen$\Omega_m = Omega_{\Lambda}$.

So für$z \gg 0.326$, das Universum war von Materie dominiert, und je weiter Sie in die Vergangenheit gehen, desto geringer wird die Wirkung der dunklen Energie.

Ein weiteres Problem mit Ihrer Argumentation ist die „Expansion des Universums“. Sie können sich Galaxien als Punkte vorstellen, die von der Ausdehnung des Weltraums getragen werden und sich nicht mit dem Weltraum selbst ausdehnen. Stellen Sie sich Galaxien als Punkte vor, die in die Oberfläche des Ballons eingebettet sind. Wenn Sie den Ballon aufblasen, vergrößert sich der Abstand zwischen den Punkten, aber an diesen Punkten passiert nichts. Dies ist eine ausgezeichnete Analogie, um zu verstehen, wie die Expansion des Universums funktioniert.

Um es also zusammenzufassen;

1. Die dunkle Energie war bis vor kurzem nicht wirksam, daher kann sie die Dynamik des frühen Universums nicht beeinflussen.
2. Die Galaxien werden von der Expansion des Universums nicht beeinflusst.

Eine Möglichkeit, darüber nachzudenken, ist, dass dunkle Energie beginnt, sich auszuwirken, wenn ihre Energiedichte mit der Energiedichte von Materie (oder Strahlung) vergleichbar wird. Die Energiedichte der Dunklen Energie beträgt ca$7 \times 10^{-30} g/cm^3$, was viel kleiner ist als die Dichte des interstellaren Raums (~ ein Wasserstoffatom pro Kubikzentimeter). Galaxien dehnen sich also nicht aus.

Die Energiedichte der Dunklen Energie ist größer als die Dichte des intergalaktischen Raums (was ca$1 \times 10^{-30} g/cm^3$), und daher findet hier die Erweiterung statt.