Steigt die Temperatur des Universums?

Ich weiß, dass die Temperatur des Universums aufgrund seiner Expansion nach dem Urknall abnimmt, aber nachdem ich diesen Artikel in AOP verfasst habe (bitte beachten Sie, dass ich keinen Zugriff auf das Journal habe, also habe ich nur die Zusammenfassung gelesen). wenn ich das lese bin ich ziemlich verwirrt.

Ein Nachrichtenmedium gibt an, dass:

Die Studie des Zentrums für Kosmologie und Astroteilchenphysik der Ohio State University zeigt, dass das "Universum heißer wird". Diese große Offenbarung kam inmitten der rastlosen Untersuchungen der Wissenschaftler zur thermischen Geschichte des Universums in den letzten 10 Milliarden Jahren.

Es wurde auch festgestellt, dass:

Die Studie erklärte auch, wie mit der Entwicklung des Universums die Schwerkraft dunkle Materie und Gas im Weltraum zu Galaxien und Galaxienhaufen zusammenzieht. Der Zug ist so heftig, dass immer mehr Gas geschockt und erhitzt wird. Wissenschaftler verwendeten eine neue Methode, um die Temperatur von Gas weiter von der Erde entfernt zu messen. Während der Forschung verglichen die Wissenschaftler diese Messungen dann mit Gasen, die näher an der Erde und in der Nähe der heutigen Zeit liegen. Sie sagten, dass „das Universum aufgrund des Gravitationskollaps der kosmischen Struktur mit der Zeit heißer wird und die Erwärmung wahrscheinlich anhalten wird“. Daten des Planck und des Sloan Digital Sky Survey wurden verwendet, um zu beobachten, wie die Temperatur des Universums gestiegen ist. Das Universum erwärmt sich aufgrund des natürlichen Prozesses der Galaxien- und Strukturbildung.

Also meine Frage ist:

• Verstößt es indirekt gegen das Prinzip, dass das Universum aufgrund von Expansion abkühlt? Oder ist es nur ein zusätzlicher Faktor in einem kleinen Bereich unseres Weltraums? Oder tritt es schon lange als regelmäßiges Phänomen auf?

•Kann mir jemand das ganze Phänomen mit mehr Wissenschaft/ oder einer wissenschaftlichen Erklärung erklären, die mehr ist als das, was ich gefunden habe?

•Wenn die Ergebnisse wahr sind, was sind dann die wahrscheinlichen Auswirkungen?

Ich hoffe, Klarheit über das Papier zu haben, vielleicht habe ich es aus Naivität nicht vollständig verstanden, neben der Antwort sind weitere Vorschläge willkommen.

[Bearbeiten: Überprüfen Sie dies]

Lassen Sie mich Ihnen die arxiv-Site vorstellen, auf der Forscher ihre Arbeiten einreichen. Wenn Sie nach dem Titel der geschlossenen Arbeit und dem Begriff "arxiv" suchen, erhalten Sie sehr oft kostenlos die vollständige PDF-Datei, wie hier arxiv.org/abs/2006.14650

Antworten (3)

Es gibt einen Unterschied zwischen der "Temperatur des Universums" und der Temperatur der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMBR).

Ersteres kann durch im Universum ablaufende physikalische Prozesse verändert werden, beispielsweise durch die Umwandlung potentieller Gravitationsenergie oder die Freisetzung nuklearer Bindungsenergie in die thermische Energie von Teilchen. Die CMBR-Temperatur hingegen ist festgelegt, wenn sie nur durch die Expansionsgeschichte des Universums gebildet und modifiziert wird; es repräsentiert die Temperatur eines Schwarzkörperstrahlers mit dem gleichen Spektrum wie der CMBR.

In der Studie, auf die Sie sich beziehen, ist die "Temperatur des Universums" die dichtegewichtete mittlere Elektronentemperatur und ist von Ordnung 10 6 K. Diese Elektronen wurden durch eine Vielzahl von physikalischen Prozessen erhitzt, die letztendlich mit der Bildung von Galaxienhaufen, Galaxien und Sternen verbunden sind (z. B. Supernovae oder kollisionslose Schockerwärmung in gravitationsbeschleunigten Strömungen - Kravtsov & Yepes 2000; Bykov et al . 2008 ) und haben im Vergleich zum Alter des Universums lange Abkühlzeiten.

Im Gegensatz dazu entstand das CMBR-Spektrum etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall, war an diesem Punkt im Wesentlichen festgelegt (bei etwa 3000 K) und wird erst nachträglich durch die Expansionsgeschichte des Universums modifiziert, die die Wellenlängen dehnt, was zu einer Abkühlung führt ( derzeit 2,7 K).

Die beiden Temperaturen wären um die Epoche herum ähnlich gewesen, als der CMBR gebildet wurde, sind aber seitdem auseinandergegangen, weil die Materie für den CMBR effektiv transparent und entkoppelt wurde. Laut dem Artikel , auf den sich die Frage bezieht, hat sich die dichtegewichtete mittlere Elektronentemperatur zwischen etwa um den Faktor 3 erhöht z = 1 und die Gegenwart; aus 7 × 10 5 K zu 2 × 10 6 K. Im gleichen Zeitraum hätte sich der CMBR von 5,4 K auf 2,7 K abgekühlt.

Kühlt oder erwärmt sich das Universum also?
@Lost Laut dem in der Frage genannten Artikel hat sich die gewichtete mittlere Elektronentemperatur dazwischen erhöht z = 1 und heute um etwa den Faktor 3.
Ok Rob danke. Da ich in dieser Hinsicht ein Noob bin, möchte ich Sie auch Folgendes fragen: Was bedeutet die Temperatur des Universums genau? Ist es nicht die durchschnittliche Temperaturdichte des Weltraums?
@ Verlor die dichtegewichtete mittlere Elektronentemperatur. dh die Temperatur, die Sie Elektronen aufgrund ihrer Geschwindigkeitsverteilung zuweisen würden.
Ist dies angesichts der Art von Temperaturen, über die wir sprechen, nur eine erwartete Folge davon, dass Sterne heiß sind und Sterne dort sind, wo sich der größte Teil der Materie des Universums befindet, und nicht eine Messung der Temperatur des gesamten Weltraums?
@ nick012000 Was meinst du mit "die Temperatur des Weltraums als Ganzes"? Temperatur ist eine Eigenschaft von Materie. Das meiste Gas, das in und um Galaxien herum existiert, hat Temperaturen von 10 5 - 10 6 K. Die meiste Materie im Universum befindet sich nicht in Sternen.
@RobJeffries Hat die Sonne nicht ungefähr 99% der Masse im Sonnensystem oder so? Wenn das für die meisten Sonnensysteme typisch ist, würde das dann nicht bedeuten, dass die meiste Masse des Universums aus Sternen besteht? Die Temperatur des Weltraumvakuums beträgt etwa 3 oder 4 Grad Kelvin, nicht wahr?
@ nick012000 Vakuum hat keine (einfache) Temperatur. Materie und (mancher) Strahlung können Temperaturen zugeordnet werden. Die Temperatur des Plasmas im interplanetaren Medium ist von Ordnung 10 6 K. Die Massenverteilung im Sonnensystem ist nicht repräsentativ für das Universum.
@RobJeffries. Interessant. Wollen Sie damit sagen, dass die Plasmatemperatur im Universum 380.000 Jahre nach dem BB etwa 3000 K betrug und dass ihre Temperatur seitdem auf etwa 10^6 K gestiegen ist? Welche Mechanismen haben diesen Anstieg verursacht? Werden solche hohen Temperaturen nicht nur im Inneren von Sternen erreicht, das vom Plasma isoliert ist?
@ttonon Ja. Viele Mechanismen erhitzen dieses Plasma und es ist nicht dicht genug, um effizient zu kühlen. Dies ist eine Q+A-Site. Frage ein Q.

Dies ist eine hilfreiche Rezension :

Eine neue Studie eines internationalen Forscherteams, darunter Mitglieder des Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU), legt nahe, dass die mittlere Temperatur von Gas in großen Strukturen des Universums in den letzten Jahren etwa dreimal gestiegen ist 8 Milliarden Jahren, um heute etwa zwei Millionen Kelvin zu erreichen.

Kursiv von mir

....

Die Studie stellte fest, dass die mittlere Elektronentemperatur vor etwa acht Milliarden Jahren (bei einer Rotverschiebung z=1) etwa 700.000 Kelvin betrug und heute auf etwa zwei Millionen Kelvin ansteigt. Darüber hinaus stellten die Wissenschaftler fest, dass seine Entwicklung fast ausschließlich durch das Wachstum von Strukturen vorangetrieben wird, da Gas in kollabierenden Großstrukturen stoßartig erhitzt wird.

Da die kosmische Mikrowellenstrahlung einige Kelvin beträgt, muss klar sein, dass man von dem Gas um große Strukturen spricht. Die übliche Temperatur, die in Zeitlinien des Urknalls gemessen wird , ist die kosmische Mikrowellenstrahlungstemperatur.

Es sind also zwei verschiedene "Temperaturen des Universums", soweit ich das verstehen kann, die Elektronengastemperatur, die nicht direkt mit den Temperaturen verbunden ist, die zur Beschreibung der Urknallausdehnung verwendet werden, und die Abkühlung der kosmischen Mikrowellenstrahlung mit der Zeit.

Ich hoffe, dass ein Astrophysiker antwortet, um es klar zu machen.

Ich habe vor einiger Zeit gelesen (und kann mich jetzt nicht mehr an die Quelle erinnern), dass die gesamte Photonenenergie außer CMB eine Energie von etwa 10% der CMB-Energie hat. Ich vermute, dass die Elektronenenergie ungefähr gleich der Photonenenergie ist, mit der es im Gleichgewicht ist. Ist dies richtig, sollte es möglich sein, eine einigermaßen genaue Masse-Energie-Dichte dieser Elektronen und möglicherweise auch der dadurch ionisierten Kernionen (meistens H und He) zu berechnen.
@Buzz Ich denke nicht, dass "es ist im Gleichgewicht" eine richtige Hypothese ist. Wie Rob sagt, waren sie im gesamten Universum im Gleichgewicht, als sich die Photonen entkoppelten. Jetzt ist das Universum in verschiedene Regionen getrennt, soweit ich weiß, nicht im Gleichgewicht miteinander.
Ich entschuldige mich für meinen nachlässigen Umgang mit meiner Sprache. @anna v Die diskutierte Elektronenenergie (pro Elektron) ist viel größer und jünger als die CMB-Energie (pro Photon) bei der Entkopplung. Ich vermute, dass, wenn eine Ladung neuer Elektronenenergie erzeugt wurde, diese mit Photonen interagierte, und für eine Weile gab es einen lokalen Energieaustausch in Richtung eines lokalen Gleichgewichts. Wenn dies richtig ist, dann liefern die gesamten neuen hochenergetischen Photonen, die ungefähr 10 % der gesamten CMB-Energie haben, eine Grundlage für die Berechnung der Masse-Energie dieser Elektronen.

Sie können einige "Universumstemperaturen" definieren:

  1. Kosmischer Mikrowellenhintergrund (2.7K ab sofort)
  2. Kosmischer Neutrino-Hintergrund (theoretisch, aber niedriger als CMB, wahrscheinlich wie 2K)
  3. Kosmischer Gravitationswellenhintergrund (theoretisch, aber mehr oder weniger offensichtlich, niedriger als oben)
  4. Temperatur der Baryonenmaterie in einer Region des Universums (viel höher, im Allgemeinen 10^2..10^7K)

Alle diese Dinge sind auf die eine oder andere Weise voneinander "entkoppelt" - dh sie können über einen beobachtbaren Zeitraum keine signifikante Energiemenge austauschen, sodass sie ihre unterschiedlichen Temperaturen beibehalten. (2) und (4) können sogar mehr als eine Partikelpopulation beherbergen, die voneinander entkoppelt sind und unterschiedliche Temperaturen haben.

Der fragliche Artikel befasst sich mit der Temperatur der Elektronen um die großen kosmischen Strukturen herum.

Denken Sie daran, dass die Temperatur der anderen mehr oder weniger gewöhnlichen Dinge in derselben Region sehr unterschiedlich sein kann. Wenn Sie an derselben Stelle eine Art Staub haben, liegt dieser möglicherweise in der Nähe der CMB-Temperatur. Das Gas ist einfach nicht dicht genug, um einen effizienten Wärmeaustausch zu ermöglichen.

"Sie könnten Stunden brauchen, um auszugleichen." @fraxinus Können Sie abschätzen, wie viel Zeit die Ansammlung von Elektronen und Photonen benötigen würde, um Energie in Richtung Gleichgewicht auszutauschen?
OK, OK, das Wort ist ziemlich schlecht für den beabsichtigten Zweck. Ich lösche den ganzen Satz, bis ich eine bessere Formulierung finde.
Steigt die Temperatur des Universums?
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