Wie viele Photonen befinden sich durchschnittlich im freien Raum?

Die Anzahldichte von Photonen im Universum beträgt ungefähr 410 pro cm$^3$(ein bisschen größer als die Annäherung in der Quelle in den Kommentaren, die die durchschnittliche Photonenenergie verwendet) und wird von der Strahlung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) dominiert. Photonen von Sternen/Galaxien sind mehr als zwei Größenordnungen kleiner und können daher vernachlässigt werden. Diese Antwort gibt einen grafischen Überblick über die verschiedenen Beiträge.

Wenn Sie an der Gesamtzahl der Photonen im (beobachtbaren) Universum interessiert sind, multiplizieren Sie es mit seinem Volumen, das durch seinen Radius von 47 Milliarden Lichtjahren gegeben ist (Sie können seinen Radius nicht wie in Ihrem Kommentar berechnen, da die Expansionsrate nichts damit zu tun hat die Lichtgeschwindigkeit) grob zu bekommen$10^{89}$Photonen. Diese Zahl ist während der gesamten Geschichte des Universums ungefähr konstant (aber die Energie ist es nicht).

Die Energie von Photonen trägt zur Gesamtenergie des Universums bei, nimmt jedoch mit der Expansion in die vierte Potenz ab, wie in der Antwort von Evan Rule erörtert. Diese Energie ist jedoch "normale" Energie in dem Sinne, dass sie zu einer Gravitationskraft führt (die heute vernachlässigbar ist, aber dominierte, bis das Universum ~ 47.000 Jahre alt war) und somit so wirkt, dass sie die Expansionsrate verringert. Im Gegensatz dazu hat dunkle Energie den gegenteiligen Effekt, die Expansionsrate zu erhöhen . Die Antwort auf Ihre letzte Frage lautet also nein.

Grundsätzlich könnten Strahlung oder strahlungsähnliche Teilchen wie Neutrinos zumindest ein Teil der Dunklen Materie sein . Dies wäre sogenannte "heiße dunkle Materie", aber ihre Bedeutung wurde als Hauptbeitrag ausgeschlossen, da sie kosmologische Strukturen auswaschen würde, anstatt sie zu verursachen (siehe zB diese Frage + Antworten ) .

Die Energiedichte von Photonen beeinflusst die Expansion des Universums, ähnlich wie die Wirkung von Dunkler Materie und Dunkler Energie. Derzeit hat die Photonenenergiedichte jedoch einen viel geringeren Effekt als dunkle Energie oder dunkle Materie. Dies liegt an der unterschiedlichen Skalierung der Energiedichten der verschiedenen Komponenten mit der Größe des Universums. Die Energiedichte der Dunklen Materie skaliert (wenig überraschend) mit der Dichte der gewöhnlichen Materie

Photonen werden jedoch nicht nur durch die Raumausdehnung in ihrer Dichte verdünnt, sondern auch rotverschoben, sodass ihre Energiedichte um einen zusätzlichen inversen Skalierungsfaktor abnimmt

Wir sehen also, dass mit fortschreitender Zeit und zunehmendem Skalierungsfaktor die Dichte der dunklen Energie konstant ist und die Dichte der dunklen Materie abnimmt$a(t)^{-3}$und Photonenenergiedichte sinkt wie$a^{-4}$. Aus diesem Grund leben wir derzeit in einer Zeit beschleunigter Expansion: Strahlung und Dichte der Dunklen Materie wurden durch die Expansion ausreichend verdünnt, so dass die Dunkle Energie dominiert.

Es ist wichtig zu beachten, dass sich das Universum in Perioden, die entweder von Strahlung, dunkler Materie oder dunkler Energie dominiert werden, unterschiedlich entwickelt. Insbesondere kann nur dunkle Energie eine beschleunigte Expansion erzeugen. Sowohl Strahlung als auch Dunkle Materie wirken, um die Expansion zu verlangsamen und schließlich umzukehren, wenn auch auf quantitativ unterschiedliche Weise.

Zu ausreichend frühen Zeiten, wann$a(t)\ll 1$, ist die Photonendichte groß im Vergleich zur Dichte der dunklen Materie und der dunklen Energiedichte. Während dieser strahlungsdominierten Epoche wird die Strahlungsenergiedichte die Skalenfaktorentwicklung vorantreiben.

Die folgende Grafik zeigt, wie sich der Skalierungsfaktor in einem Universum wie dem unseren entwickelt hat. Nach einer anfänglichen Periode exponentieller Expansion (Inflation) war das Universum strahlungsdominiert, dann materiedominiert und schließlich von dunkler Energie dominiert.

Schließlich findet sich in dieser Antwort eine Berechnung der heutigen Photonenenergiedichte aus der CMB-Temperatur .