Warum sind ferne Galaxien eigentlich keine winzigen Materieteilchen?

Vergessen wir nicht, dass wir neben weit entfernten Galaxien mit hoher Rotverschiebung auch nahe Galaxien beobachten können (und viele in jeder Entfernung dazwischen). Diese Beobachtungen naher Galaxien können einzelne Sterne auflösen, die eindeutig die gleichen sind wie Sterne in unserer eigenen Galaxie, und einer Physik gehorchen, die mit der Physik übereinstimmt, die unsere eigene Sonne antreibt.

Außerdem wird die Masse von Galaxien gemessen , indem ihre Geschwindigkeitskurven beobachtet werden (tatsächlich war dies die Quelle des ersten Teils des Rätsels um die fehlende Masse).

Kurz gesagt, nein: Es besteht keine Möglichkeit, dass wir bei der Masse dieser Objekte einen Fehler von Größenordnungen gemacht haben.

Es ist nicht wahr, dass uns die Spezielle Relativitätstheorie sagt, dass "jedes Objekt, das sich mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit von uns wegbewegt, in unseren Beobachtungen an Masse zunimmt". Diese Aussage hängt davon ab, welche Beobachtung man macht, dh ob man die relativistische Masse oder die Ruhemasse misst. Für kosmologische Beobachtungen ist die relativistische Masse normalerweise keine interessante Größe. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Masse von Galaxien abzuschätzen, eine davon ist zum Beispiel Gravitationslinsen, die den Vorteil hat, dass sie auch dunkle Materie berücksichtigt. Oder man betrachtet die Winkelgeschwindigkeiten von Sternen, die das Zentrum umkreisen, die von der Gesamtmasse abhängen (berücksichtigt auch dunkle Materie). In jedem Fall erhalten Sie die gesamte Gravitationsmasse (Energie) im Ruhesystem der Galaxie, dh ihre Ruhemasse.

Was uns die spezielle Relativitätstheorie sagt, ist, dass sich ein Körper mit einer Geschwindigkeit bewegt$v$die eine Ruhemasse hat$m_0$wird eine beobachtete Masse von haben

Dies gilt immer noch in astrophysikalischen Situationen. Zum Beispiel ist die scheinbare Helligkeit von Quasaren genannten Objekten aufgrund eines sehr ähnlichen Effekts viel größer als ihre "echte" Helligkeit.

Aber was tatsächlich passiert, ist, dass sich der Weltraum selbst ausdehnt . Zweifellos wissen Sie, dass sich ein Objekt umso schneller von uns entfernt, je weiter es von uns entfernt ist. Aber die Geschwindigkeit, mit der es sich von uns wegbewegt, ist nicht auf die Geschwindigkeit zurückzuführen, die das Objekt selbst besitzt, sondern eher auf die Geschwindigkeit aufgrund der Ausdehnung des Raums.

Denken Sie an zwei Punkte auf einem Ballon. Wenn Sie in den Ballon hineinblasen, bewegen sich die beiden Punkte mit einer gewissen Geschwindigkeit voneinander weg. Aber das liegt nicht daran, dass die Punkte selbst eine Geschwindigkeit haben, sondern daran, dass sich der Raum, in dem sie sich befinden (der Ballon), selbst ausdehnt. Die Situation mit dem Universum ist nicht ganz analog, aber doch etwas ähnlich.

Da also die Körper selbst keine relativistische Geschwindigkeit besitzen, messen wir eigentlich die Ruhemasse des Objekts.

PS: Viele astrophysikalische Abhandlungen sprechen von dieser Größe, die "eigenartige Geschwindigkeit" genannt wird, die tatsächlich die Geschwindigkeit ist, die das Objekt selbst besitzt. Diese besondere Geschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, die über der Geschwindigkeit des Objekts aufgrund der Ausdehnung des Raums liegt. Wie die Differenz zwischen den beiden Geschwindigkeiten usw. gemessen und berechnet wird, liegt außerhalb Ihrer Frage (und dieser Antwort), daher werde ich hier nicht darauf eingehen, aber ich fand es erwähnenswert, dass astrophysikalische Objekte ihre eigenen haben Geschwindigkeiten (in der Größenordnung von a$100$Zu$1000$ $km$/$s$).

BEARBEITEN: Die spezielle Relativitätstheorie gilt nur für Trägheitsbezugsrahmen in Bezug auf uns. Die Raumausdehnung ist ein sich beschleunigender und damit nicht-trägheitsbezogener Bezugsrahmen. Man muss also allgemeine Relativitätsgleichungen verwenden (mit denen ich nicht allzu vertraut bin).

Es ist jedoch nützlich, sich daran zu erinnern, dass die Zunahme der Masse eines relativistischen Objekts von der Masse-Energie-Äquivalenz herrührt. Die Gesamtenergie eines Körpers mit Impuls$p$wird von gegeben

Stellen Sie sich vor, Sie und ein Freund stehen an zwei Punkten im Raum. Wenn sich der Raum mit einiger Geschwindigkeit ausdehnt, bewegen Sie und Ihr Freund sich voneinander weg, und daher wird das Licht von ihm in Bezug auf Sie rotverschoben. Aber er gewinnt keine Energie , indem er sich von dir wegbewegt, ihr beide steht nur da. Daher ist die Masse, die Sie messen, dieselbe wie seine Ruhemasse, da$p = 0$in der obigen Gleichung und$\gamma = 1$.

Die übliche Antwort (wie oben erwähnt) kommt von einer empirisch konsistenten Standardkosmologie, für die sich der Raum selbst ausdehnt. Zu den Beweisen gehören 1. der kosmische Mikrowellenhintergrund mit seinem Ursprung in der Nähe der frühen Rekombinationsepoche, rotverschoben durch die Ausdehnung auf die aktuelle Temperatur von 2,7 K 2. die baryonische Natur der leuchtenden Materie, wie durch Spektraldaten angezeigt 3. die Übereinstimmung von WMAP, BAO, Supernovae und viele andere Tests für Distanzmaße zu hoher Rotverschiebung

Wenn Sie Recht hätten, hätten wir Schwierigkeiten, die Details astrophysikalischer Phänomene zu erklären, die bei niedrigeren Rotverschiebungen beobachtet werden, wie Sternentstehungsregionen und aktive Galaxienkerne. Vergessen Sie nicht, dass die Beobachtungen mit unserem eigenen Sonnensystem und der Milchstraße beginnen, die sich nicht allzu sehr von anderen Spiralgalaxien unterscheidet.

Trotzdem haben Sie in gewisser Weise Recht, denn eine Galaxie mit hoher Rotverschiebung könnte durchaus eine andere Form eines Moleküls sein, das im Labor ruht, da Materie nach den Gesetzen der QFT möglicherweise alle andere Materie enthält. Sogar die Standard-Kosmologie (die heutzutage offen für Diskussionen ist) würde zustimmen, dass es Stringtheorie-Dualitäten zwischen sehr unterschiedlichen Skalen gibt, und es gibt keinen Grund, warum wir diese Ideen nicht auf unsere Sicht des Kosmos anwenden sollten.

Wenn Ihr Argument richtig wäre, wären wir beim Umgang mit beschleunigten Elektronen in Labors so verwirrt und würden sie mit Galaxien verwechseln.

Selbst basierend auf meiner sehr begrenzten Erfahrung mit der Relativitätstheorie tragen die sehr grundlegenden Formeln für Energie und Impuls dafür Rechnung. Daher gibt es einen Unterschied zwischen Ruhemasse ($m$) und beobachtete Masse ($\gamma m$). Seien Sie also versichert, wenn diese Formeln richtig wären, müssten Galaxien riesig sein.

Ich dachte, da ich das angesprochen habe und keine guten Erklärungen bekommen habe, würde ich es selbst beantworten. Das Einstecken einiger Zahlen hilft. Ich habe dies für Lichtgeschwindigkeit = 299.792,458 km/s verwendet. Hubble-Konstante = 72 km/sec/Megaparsec. Die Hubble-Konstante ist notwendigerweise eine Annäherung, weil niemand genau weiß, was sie ist, und sie wissen auch nicht, ob sie eine Konstante über die Zeit ist. Die Hubble-Konstante wird verwendet, um die Geschwindigkeit entfernter Galaxien aufgrund der Expansion des Universums zu berechnen. Basierend auf einigen einfachen Berechnungen mit den obigen Zahlen komme ich zu folgendem Ergebnis: Wenn Sie 13.573.936.292 Lichtjahre verlassen, dehnt sich das Universum mit 0,99999999994 Lichtgeschwindigkeit aus. Ich möchte darauf hinweisen, dass dies etwa 203 Fuß pro Stunde langsamer ist als die Lichtgeschwindigkeit, also ziemlich nah dran ist. Mit der Lorentz-Transformation (Relativität) können wir die Wirkung auf eine galaktische Masse herausfinden, die sich mit dieser Geschwindigkeit von uns wegbewegt. Angenommen, wir beobachten eine Galaxie von der Größe der Milchstraße oder Andromeda, die sich mit dieser Geschwindigkeit von uns entfernt. Die Ruhemasse der Milchstraße oder Andromeda beträgt etwa 700 Milliarden Sonnenmassen. Geben oder nehmen. Wendet man die Lorentz-Transformation auf diese Beobachtung an, würde die Ruhemasse der fernen zurückweichenden Galaxie etwa 7.493.550 Sonnenmassen betragen. Selbst bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit ist dies also immer noch eine große Masse. Es ist kein winziges Teilchen, wie ich dachte. Daher müssen wir nicht einmal das Handschwenkargument verwenden, dass die Expansion des Universums in relativistischen Berechnungen nicht wirklich zählt. Ich denke, das eigentliche theoretische Problem und die Frage wären: Was passiert bei der Singularität? Das ist ganz am äußeren Rand der Ausdehnung, Objekte bewegen sich genau mit Lichtgeschwindigkeit, und hier bricht die Relativitätstheorie zusammen. Aber niemand weiß darauf eine Antwort. Das Interessante beim Einfügen der Zahlen ist, dass es keine Widersprüche gibt, wenn Sie wirklich nahe an der Lichtgeschwindigkeit sind. Und meine Berechnungen liegen sehr nahe, denn 203 Fuß pro Stunde sind viel langsamer als ich gehe. Ich könnte schneller kriechen.