Wie stark ist die Gravitationsdehnung, die wir vom Rand des Universums erfahren?

Wie viel Gravitationseffekt erfahren wir (z. B. vielleicht -0,00001 G oder kleiner) vom Rand des sichtbaren Universums? Mit dem Rand des sichtbaren Universums spreche ich über die Region des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und darüber hinaus. In der Vergangenheit war das Universum sehr heiß und dicht, und wir sehen das Licht aus dieser Zeitperiode als den kosmischen Mikrowellenhintergrund. Es dauerte etwas weniger als das Alter des Universums, bis dieses Licht uns erreichte, und es wurde mit der Ausdehnung des Weltraums extrem rotverschoben. Da sich die Schwerkraft anscheinend mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, sollten wir auch einen Gravitationseffekt von dieser Hülle um uns herum erfahren. Soweit ich weiß, war das Universum damals extrem dicht, und es umgibt uns in alle Richtungen, was die Schwerkraft stark verstärken würde. Es ist jedoch sehr weit entfernt, was die Schwerkraft stark schwächen würde. Ich weiß nicht, ob die Rotverschiebung die Schwerkraft beeinflussen würde, da sie das Licht des kosmischen Mikrowellenhintergrunds hat, aber wenn ja, würde dies den Effekt ebenfalls stark schwächen. Vor diesem Hintergrund frage ich mich, welche Wirkung die Schwerkraft vom Rand des Universums auf uns haben würde?

Hinweis: Ich würde erwarten, dass dies ein sehr kleiner Effekt nach außen in alle Richtungen ist, so etwas wie -0,00000001 g oder so ähnlich, aber nicht 0.

Ich denke, die Beantwortung dieser Frage wird schwierig sein, da Sie anscheinend sowohl den Gravitationswellenhintergrund als auch das umgebende Gravitationsfeld zu einer Idee zusammenführen. Diese beiden Dinge müssen als getrennte Felder verstanden werden, bevor eine Antwort erklärt wird.
Nur aus Neugier, meinen Sie, alle zusammen, die aufgrund der Gleichförmigkeit nahe Null sein könnten, oder wenn Sie theoretisch die Hälfte des beobachtbaren Universums entfernen und nur das Ziehen von der anderen Hälfte spüren könnten.
@userLTK Ich würde in der Tat gerne wissen, welche Kraft nur aus dem halben Universum kommen würde, wie Sie es beschreiben. Das wäre sicher hilfreich. Ich habe ursprünglich gefragt, wie viel Dehnung wir durch die nahezu gleichmäßige Verteilung der Materie erfahren würden. Vielleicht sollte ich als separate Frage stellen.

Antworten (1)

In der Vergangenheit war das Universum sehr heiß und dicht, und wir sehen das Licht aus dieser Zeitperiode als den kosmischen Mikrowellenhintergrund.

Diese Aussage ist (teilweise) richtig.
Jedoch....

Da sich die Schwerkraft anscheinend mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, sollten wir auch einen Gravitationseffekt von dieser Hülle um uns herum erfahren. Soweit ich weiß, war das Universum damals extrem dicht, und es umgibt uns in alle Richtungen, was die Schwerkraft stark verstärken würde.

Diese Aussage weist vielleicht darauf hin, dass es einige Missverständnisse über den gegenwärtigen Zustand des Universums gibt und auch darüber, was kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung wirklich ist (Hervorhebungen hinzugefügt, um die Problembereiche zu identifizieren). Um also eine vernünftige Antwort auf die gestellte Frage zu geben, müssten auch diese Missverständnisse angesprochen werden.

Das Urknallmodell legt nahe, dass alles, was wir in unserem beobachtbaren Universum sehen, einst in einer unendlich kleinen, heißen und dichten Region des Weltraums konzentriert war. Der Urknall ereignete sich jedoch überall , worauf eine superluminale Ausdehnung des Raums durch einen Prozess namens Inflation folgte . Das Universum war immer noch zu heiß, als dass sich Photonen frei bewegen könnten. Erst in den nächsten 380.000 Jahren dehnte es sich weiter aus und wurde schließlich so weit abgekühlt, dass sich die ersten Wasserstoffatome bildeten. Zu diesem Zeitpunkt wurde das Licht zum ersten Mal sichtbar. Der Überrest dieses Lichts ist das, was wir jetzt kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung nennen .

Auch hier ist es wichtig zu beachten, dass sich der Raum kontinuierlich in alle möglichen Richtungen ausdehnte, als das erste Licht überall ausgestrahlt wurde. Mit anderen Worten, die "dichte" Region, von der aus die Raumzeit begonnen hatte, war nun insgesamt vergleichsweise viel weniger dicht geworden. In all diesen Jahren hat diese Expansion nicht aufgehört und jede Region, in der das Licht zuerst emittiert wurde, ist nun in große Entfernungen zurückgegangen (46 Milliarden Lichtjahre in jede Richtung) . Alle Regionen haben sich noch weiter abgekühlt, um sich zu Sternen und Planeten, Galaxien, Haufen und allen anderen vorstellbaren Himmelsobjekten zu entwickeln.

Um die gestellten Fragen zu beantworten (der Einfachheit halber bleiben wir bei CMB als "Rand") ....

  • Außerhalb unseres beobachtbaren Universums gibt es keinen Raum, der uns wie eine Betonhülle umgibt . Genau genommen ist es nur eine Grenze dafür, wie weit in die Vergangenheit zurück und wie tief wir mit unseren aktuellen Technologien in den Weltraum blicken können. Auch hat dies nichts mit dem gegenwärtigen Zustand des Universums dort zu tun. Das Universum ist homogen und isotrop – das heißt, Sie könnten an jeden anderen Ort im Universum gehen und es würde immer noch genauso aussehen wie von hier aus – überall Sterne und Galaxien. Ihr Blickwinkel würde bestimmen, welche Galaxie Ihnen als entfernter Fleck erscheint und welche Region des Weltraums lediglich als CMB-Strahlung erscheint.

  • Die Regionen, die wir jetzt als CMB sehen, 46 Milliarden Lichtjahre entfernt, sind in der Tat eine der entferntesten Regionen des Weltraums , von wo aus alles, einschließlich der Schwerkraft, irgendwelche Auswirkungen auf uns gehabt hätte. Inzwischen wäre alles, was wir als CMB sehen, zu Himmelsobjekten verschmolzen. Aber es gibt einen Haken ... Denken Sie daran, wenn die Sonne jetzt aus dem Sonnensystem verschwinden würde, würde es immer noch ungefähr 8 Minuten dauern, bis die Erde aus ihrer Umlaufbahn befreit ist. Das heißt, der Stand der Sonne vor 8 Minuten bestimmt, welche Schwerkraft wir jetzt dadurch spüren .

  • Um also den Gravitationszug von CMB (46 Milliarden Lichtjahre entfernt) zu berechnen, müssen wir den Zustand der Materie vor 13,8 Milliarden Jahren minus 380.000 Jahren (als das CMB emittiert wurde) betrachten. Wir können grob davon ausgehen, dass es damals überall nur Wasserstoffatome waren. Die Gesamtmasse aller dieser Atome zusammen wäre der Masse des beobachtbaren Universums äquivalent gewesen , dh 10 53 k g .

  • Aber noch einmal, das CMB wurde überall emittiert und die isotrope Natur des CMB sagt uns, dass die Abweichungen von der Gleichmäßigkeit nur bis zu sieben Teile in einer Million betragen ! Das heißt, als das CMB vor 13,8 Milliarden Jahren minus 380.000 Jahren emittiert wurde, war die Masse des beobachtbaren Universums nahezu perfekt gleichmäßig in alle möglichen Richtungen verteilt. Aus einer Entfernung von 46 Milliarden Lichtjahren bedeutet dies dann eine fast gleiche Anziehungskraft von überall, wo Licht (und Schwerkraft) uns seitdem erreicht hat. Daher die Gravitationswirkung der Materiedas heißt (dh war) gleichmäßig in einem Radius von 46 Milliarden Lichtjahren von uns verteilt, würde dem entsprechen, was man fühlen würde, wenn sie irgendwie den Mittelpunkt der Erde erreichen würden – dh ein nahezu perfektes Gleichgewicht mit einer Nettokraft erfahren würden von Null.

PS: Sollte es oben irgendwelche Unstimmigkeiten geben, würde ich die Vorschläge zur Korrektur oder Verbesserung der Antwort von ganzem Herzen begrüßen.

Sehr schöne ausführliche Antwort! Ich glaube, dass die Schwerkraft, wie Sie erwähnt haben, im Gleichgewicht wäre, weil sie in alle Richtungen wirken würde. Ich glaube jedoch, dass es einen "Stretching-Effekt" geben würde, möglicherweise die Erklärung für dunkle Energie! Wie stark wäre diese Dehnung? Wenn sich Staub in einer Kammer im Zentrum der Erde befinden würde, glaube ich, würde er langsam zu den Rändern dieser Kammer gravitieren und langsam nach außen beschleunigen, wie es die Galaxien in unserem Universum tun.
Danke dir! Ich glaube einfach nicht, dass dunkle Energie als etwas angesehen werden kann, das eine Folge der Anwesenheit von Materie (oder von etwas außerhalb des beobachtbaren Universums) ist und eine Anziehungskraft auf die für uns sichtbaren Objekte ausübt. Vielmehr wird es oft als eine Eigenschaft des Weltraums selbst beschrieben, dessen Auswirkungen auf kosmologischer Ebene, dh zwischen Galaxienhaufen, deutlich werden. Die folgenden Fragen und Antworten könnten von Interesse sein: 1 , 2 und 3
@Jonathan In der Newtonschen Physik ist das Gravitationsfeld in einer hohlen, gleichmäßigen Kugel Null. Das ist nicht nur im Zentrum der Kugel, es ist überall innerhalb der Kugel Null. Siehe Shell-Theorem . In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Schlussfolgerung dieselbe: Die Raumzeit innerhalb einer hohlen, gleichförmigen Kugel ist gemäß dem Satz von Birkhoff flach .
@Jonathan Die Wirkung der Schwerkraft ist genau das Gegenteil von der der dunklen Energie. Es verlangsamt die Expansion und würde letztendlich, wenn es genug Materie gäbe (es gibt keine), dazu führen, dass sich der Raum wieder zusammenzieht. Sie können die Entwicklung des Universums nicht (richtig) in einem Newtonschen Rahmen betrachten, Sie benötigen GR und die Robertson-Walker-Metrik.
@Rob Jeffries In Anbetracht der Dinge in unserer Nähe haben Sie Recht, die Schwerkraft verlangsamt die Expansion des Universums. Was würde jedoch die Schwerkraft aus dem extrem dichten Teil des Universums vor dem kosmischen Mikrowellenhintergrund und darüber hinaus bewirken? Dies wäre effektiv eine extrem dichte, aber weit entfernte Kugelhülle, die alles umgibt. Mir scheint, dass das das Universum gravitativ ausdehnen sollte.
@Jonathan Es ist unbestreitbar, dass gravitierende Materie die Expansion überall im Universum und überall verlangsamt. Sie versuchen, sich eine Newtonsche schalenartige Struktur vorzustellen, und es funktioniert einfach nicht so.
@PM 2Ring Wurde das Schalentheorem experimentell verifiziert? Ich würde erwarten, dass etwas in der Nähe des inneren Randes einer Kugel zum nächsten Rand gravitieren würde, insbesondere wenn es sehr nahe wäre. Mir ist klar, dass die "Hülle des Universums" von den Objekten innerhalb ihres Bezugsrahmens gleich weit entfernt sein würde.
@Jonathan Entschuldigung, wenn ich mich ein bisschen repetitiv anhöre. Ehrlich gesagt ist es wirklich ein Irrtum zu glauben, dass sich außerhalb unseres Horizonts eine Art dichte Hülle befindet. Die Homogenität und Isotropie des Universums sorgt dafür, dass alles überall nahezu die gleiche Dichte hat. Wenn das Universum irgendwann in seinen frühen Momenten so dicht wie Eisen war, dann war es überall so. Und da scheint es so zu sein 10 − 30 Mal weniger dicht als Wasser, sollte es auch überall sonst gleich sein – von seinem Zentrum bis zu seinem Rand (wenn Zentrum / Rand überhaupt jemals existieren könnte!). Weil die Entfernungen so groß sind...
...und weil das Licht in einer Sekunde nur eine endliche Strecke zurücklegen kann, wird der Blick auf größere Maßstäbe gleichbedeutend mit einem Blick zurück in die Zeit. Tatsächlich ist CMB also nur ein Überbleibsel (und ein Beweis für) dieser dichten Vergangenheit, aus den Regionen, die uns damals ziemlich nahe waren, aber jetzt aufgrund der Expansion viel zu weit weggedriftet sind. Die physikalische Form des Universums ist noch unbestätigt. Eine "Sphäre" ist ganz einfach die Grenze dessen, was wir von unserem Standort aus beobachten (und somit beeinflussen) können. Der "Rand" ist daher die Grenze der Entfernung, von der aus uns jemals etwas im Gegenzug beeinflussen kann.
@Jonathan Ich bezweifle, dass ein direkter empirischer Test des Shell-Theorems durchgeführt wurde. Ich schätze, es würde Spaß machen, eine große einheitliche Kugelschale in die Umlaufbahn zu bringen und darin Schwerkrafttests durchzuführen, aber es wäre mit der aktuellen Technologie ein ziemlich teures Unterfangen. ;) OTOH, es gibt viele indirekte Beweise. Die wichtigste Konsequenz des Schalentheorems ist, dass es voraussagt, dass das Gravitationsfeld über einer gleichförmigen Kugel unabhängig vom Radius ist, dh die Kugel verhält sich gravitativ, als ob ihre gesamte Masse in ihrem Zentrum konzentriert wäre, und wir haben viele Beweise dafür WAHR.
@Jonathan Wenn Sie die Schwerkraft am Boden eines Minenschachts messen, besagt das Shell-Theorem, dass Sie die Hülle des Materials über Ihnen ignorieren können. Nun, die Erde ist sicherlich keine einheitliche Kugel, sie ist ein sich drehender, inhomogener, abgeflachter Sphäroid, der in der Nähe des Kerns viel dichter ist als anderswo, aber wenn man das berücksichtigt, stimmen Gravimetermessungen am Boden von Minenschächten mit dem Schalensatz überein. OTOH, vielleicht ist das Schalentheorem falsch, und unsere Theorien über die innere Struktur der Erde sind falsch. :)
@Jonathan Du hast gesagt: "Etwas in der Nähe des inneren Randes einer Kugel würde zum nächsten Rand gravitieren". Nein, das passiert bei einer vollkommen gleichförmigen Kugelschale nicht. Natürlich besteht das Zeug in der realen Welt aus Atomen. Wenn Sie also nahe genug an die Innenfläche der Hülle herankommen, sieht es ein bisschen klumpig aus, aber in dieser Entfernung sind Sie nah genug für die elektromagnetischen Kräfte zwischen den Atomen darin Die Hülle und die Atome in Ihrem Testteilchen sind wichtiger als die Schwerkraft. Siehe physical.stackexchange.com/questions/158757/…
@PM 2Ring Sehr interessant! Ich hatte anfangs Schwierigkeiten mit dem Schalensatz, aber jetzt bin ich überzeugt!
Wie stark ist die Gravitationsdehnung, die wir vom Rand des Universums erfahren?
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