Frage von thebestcouple, 251

Inwiefern beweist die Hintergrundstrahlung den Urknall?

Hallo Zusammen

Die kosmische Hintergrundstrahlung ist ja eine fast perfekte Hohlraumstrahlung. Folglich muss sich unser ganzes Universum in einem fast perfekten thermodynamischen Gleichgewicht befinden.

Wie kann man jetzt dies aber als Indiz für den Urknall interpretieren?

Mein einziger Gedanke dazu ist, dass wenn alles aus einem sehr heissen Urknall entstanden ist und mit der Ausdehn ung abkühlte, dann müsse sich das irgendwie in einem thermodynamischen Gl.gew. befinden. (?)

Und falls dem wirklich so wäre, wieso kann man es als thermodynamisches Gl.gew. betrachten? Müsste man dafür das Universum als geschlossenen System betrachten?

Danke

Antwort
von grtgrt, 96

Die kosmische Hintergrundstrahlung beschreibt uns den Zustand unseres Universums, wie er etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall vorlag.

Dies erlaubt uns, zu beurteilen, wie zutreffend unsere durch Simulation auf Basis von

  • Ergebnissen der Experimente im CERN
  • sowie der Urknall- und der Inflationstheorie 

errechneten Aussagen sein könnten. 

Ganz erstaunlich ist, dass man am CERN glaubt, den Zustand unseres Universums, wie er etwa 1 Millionstel Sekunde nach dem Urknall vorlag, ständig neu reproduzieren zu können (das allerdings nur für die Dauer von maximal etwa 1 Millionstel einer Sekunde).

Vergleich dieser Beobachtungsergebnisse und ihrer Extrapolation per Inflationstheorie mit dem, was die kosmische Hintergrundstrahlung uns zeigt, deutet darauf hin, wir den Zustand unseres Universums, wie er sich uns im CERN zeigt, durchaus zutreffend erkannt haben.

Antwort
von ThomasJNewton, 116

Die Hintergrundstrahlung kommt nicht vom Urknall direkt, sondern ist in der Zeit entstanden, als ein Gleichgewicht zwischen Licht und Plasma bestand.

Das Plasma bestand hautsächlich aus He und He-Kernen, die bei der promordialen Nuclsosynthe entstanden waren, lange zuvor. Und natürlich aus Elektronen.

Ca. 380.000 Jahre nach dem Urknall hatte sich das Plasma soweit abgekühlt, dass sich Atome bildeten, die kaum noch mit der Strahlung wechselwirken. Das ist die schon erwähnte "Entkopplung".

Seitdem schwirrt das Licht weitgehend ungehindert durchs Universum, und hat sich von der Plasmatemperatur auf knapp 3 K abgekühlt, durch die Expansion.

Ich bin nicht der große Themodynamiker. Aber ich sehe, dass das Universum heute nicht mehr gleichmäßig mit Plasma oder Gas gefüllt ist. Ganz im Gegenteil, 99,9.. % sind weitgehen leer, und die Hintergrundstrahlung saust einfach ungehindert, bis auf den sehr geringen Anteil, der mal auf ein Staubkorn, eine Gaswolke oder einen Stern/Planeten/Mond trifft.
Und wo praktisch keine Wechselwirkung vorhanden ist, kann sich auch kein Gleichgewicht einstellen.
Oder nur mit solchen Teilchen, die nicht selbst Wärme erzeugen oder empfangen. Ein Staubkorn oder verwaister Kleinlanet ist irgendwann im themischen Gleichgewicht mit der Hintergrundstrahlung, ein Stern oder Planet in Sternennähe wird dazu warten müssen, bis der Stern ausgebrannt ist und die Restwärme abgegeben hat. Das dürfte sehr lange dauern.

Und wenn das Universum alles umfasst, muss es zwangsläufig ein geschlossenes System sein.
Womit sollte es denn Energie austauschen, wenn es nicts anderes gibt?

Antwort
von KosmoFreak, 139

Hallo thebestcouple,

die Urknalltheorie besagt, dass das Universum am Anfang als (nahezu) punktförmiger Zustand vorlag und eine sehr, sehr hohe Temperatur besaß. Infolge der Expansion des Universums kühlte es sich langsam ab, da sich die Energie gleichmäßig auf die Raumzeit aufteilt.

Zunächst konnten sich dabei keine Atome bilden, da sie nach der Bildung sofort wieder von energiereichen Photonen ionisiert wurden. Als das Universum dann schließlich soweit abgekühlt war, dass dies nicht mehr möglich war, konnten die Photonen nun nicht mehr mit der Materie wechselwirken. Der Physiker nennt das Entkopplung zwischen Strahlung und Materie. Das Universum im heutigen Zutand ist in etwa 2,8K kalt, sodass die Photonen nun noch sehr wenig Energie besitzen.

Laut der Inflationstheorie (heute ein Teil der erweiterten Urknalltheorie) fand der thermische Austausch des Universums vor einer Phase statt, die man inflationäre Expansion nennt.

LG, KosmoFreak.

Kommentar von thebestcouple ,

Ja soweit ist mir auch alles klar. Ich versteh nur nicht, dass wenn man sich die Hintergrundstrahlung anschaut auf das Urknallmodell schliessen kann. wo besteht der direkte Zusammenhang?

Kommentar von KosmoFreak ,

Das Urknallmodell postuliert ein Photonenmeer, das bei einer Temperatur von 3000K nicht mehr in der Lage war, Einfluss auf die Materie zu nehmen. Indem wir den Skalenfaktor des Universums zurückrechnen (seine Größe und Beschleunigung), können wir genau sagen, wie viel Temperatur es heute noch hat beziehungsweise wie groß es damals war. Nun haben wir eine gleichmäßige Strahlung gemessen, welche zudem noch die Temperatur hat, welche durch das Modell vorhergesagt wird. Kein anderer Kandidat konnte solch eine isotrope, homogene Strahlung postulieren.

Antwort
von Astroknoedel, 114

Hallo, das Wesentliche wurde schon genannt.

Nun, die Photonen konnten also nicht mehr mit der Materie wechselwirken und die übrigen wurden durch die Expansion der Raumzeit in den Mikrowellenbereich verschoben, und das messen wir halt heute.

Kommentar von Astroknoedel ,

Dass die Hintergrundstrahlung weitestgehwnd isotrop und homogen ist (abgesehen von kleinen, durch andere Dinge bedingten Schwankungen) wird durch das Inflationsmodell einigermassen erklärt. 

Antwort
von ALEMAN2015, 94

Wenn die Strahlung 400000 Jahre nach dem Urknall emittiert wurde, muss sie jetzt rund 13 Mrd. Lichtjahre vom Ort des Urknalls entfernt sein. Wenn unsere Galaxie irgendwo in der Mitte des Universums liegt, muesste die Strahlung also laengst "durch" sein. Wenn wir aber am Rand des Universums liegen, koennte die Strahlung nicht nach allen Seiten gleichmaessig sein. Vielleicht hat diese Strahlung eine ganz andere Ursache und nichts mit dem Urknall zu tun.

Kommentar von Astroknoedel ,

Der Urknall war nicht "an einem Ort". Da beim Urknall die gesamte Raumzeit ihren Anfang hat, ist jeder Punkt gleichzeitig ein "Mittelpunkt". Das besagt das Kosmologische Prinzip.

Ebenso wenig gibt es einen "Rand" im Universum.


Kommentar von ALEMAN2015 ,

Das verstehe ich zwar nicht, aber vielleicht kannst du erklaeren, welchen Weg die Hintergrundstrahlung seit dem Zeitpunkt ihrer Entstehung genommen hat. Normalerweise entfernt sich eine Strahlung mit Lichtgeschwindigkeit geradlinig von ihrem Ursprung und ist dann "weg", wenn nichts nachgeliefert wird. Was hat denn die Hintergrundstrahlung die 13 Mrd. Jahre gemacht, bevor sie hier gemessen wird?

Kommentar von thebestcouple ,

die Hintergrundstrahlung flog nicht vom einem Mittelpunkt weg. Sondern durch die Expansion des Universums wurde sie gedehnt, sprich sehr stark rotverschoben.

Kommentar von Astroknoedel ,

Genau, diese Strahlung ist eben nur die Hintergrundstrahlung

Kommentar von ALEMAN2015 ,

Gut, gedehnt oder nicht, die Strahlung macht ihren Weg und verschwindet frueher oder spaeter. Sie kann ja nicht stationaer sein. 

Kommentar von Astroknoedel ,

Ja, aber sie hatte keinen fest definierten örtlichen "Ursprung".

Kommentar von ALEMAN2015 ,

Nun, der Ursprung war die damalige Lage und Ausdehnung des Universums.

Kommentar von uteausmuenchen ,

ALEMAN2015,

BITTE befasse Dich doch erst einmal selbst auf seriösen Webseiten mit den Aussagen der modernen Kosmologie, bevor Du hier ständig widersprichst.

Astroknoedel und thebestcouple stellen es absolut richtig dar. Der Urknall fand überall im beobachtbaren Universum statt. Es gab keinen Mittelpunkt, keinen Ursprung oder sonst etwas in dieser Art.

Jeder einzelne Ort im heutigen Universum war bereits im ganz jungen Universum enthalten.

Und nein, dafür muss der CMB nicht "stationär" sein.

Der CMB ist einfach das älteste Licht, das wir sehen, wenn wir in eine beliebige Raumrichtung in den Raum blicken. Der Horizont sozusagen. Befänden wir uns an einem anderen Ort im Universum, wäre das Bild dasselbe: Wieder käme aus allen Richtungen der CMB als ältestes Licht an.

Das liegt daran, dass das ganz junge Universum einfach überall von Licht erfüllt war. Wenn das Universum sich jetzt ausdehnt und die Abstände im Universum größer werden, dann gilt dennoch weiter, dass von jedem Raumpunkt im Universum irgendein Licht gerade so weit weg ist, dass es unser Auge im Alter des Universums gerade erreicht - und das ist der CMB, der in diesem Moment in unser Auge fällt.

Kommentar von ALEMAN2015 ,

Aha, jetzt ist es mir schon klarer, danke fuer die Erlaeuterung. Das setzt allerdings voraus, dass der Raum mit dem Urknall erst entstanden ist und die Materie nicht, wie ich bislang annahm, beim Urknall in den bereits vorhanden Raum expandiert ist. Darueber habe ich geteilte Meinungen gesehen..

Kommentar von Astroknoedel ,

Ja, die Raumzeit ist mit dem Urknall entstanden.

Kommentar von ALEMAN2015 ,

Das sagst du so in deinem jugendlichen Leichtsinn, aber es kann ja auch ganz anders gewesen sein.

Kommentar von Astroknoedel ,

Dann fangen wir mal an :

Es gibt genug experimentelle Daten und Beobachtungen und Berechnungen, die ein Urknallmodell in der Form beinhalten, wie wir es kennen. Da wären:

- Die Expansion der Galaxien, die Hubble 1929 entdeckt hat. Es hat sich herausgestellt, dass das kosmologische Prinzip einen Mittelpunkt der Expansion verbietet. Also ist es in der Tat der Raum, der expandiert. Die Geschwindigkeit ist die Hubble-Konstante. Ich bin jetzt zu faul, die hier hinzuschreiben. Georges Lemaitre fofmulierte dann zum ersten Mal eknd solche Anfangstheorie, die wr "Uratom" nannte.

- Die Allgemeine Relativitätstheorie, besser gesagt, die Friedmann-Gleichungen. Die ART sagt einen singulären Anfangszustand der Raumzeit voraus, also einen unendlich kleinen Punkt, in dem die Raumzeit ebenfalls komprimiert war. Die Friedmann-Gleichungen habe ich nur miteinbezogen, weil sie die Entwicklung des Universums (auch mithilfe des kosmologischen Prinzips) nach dem Urknall beschreiben kann.

-Die Hintergrundstrahlung, die hier ja schon thematisiert wurde. Da diese überall präsent ist ist sie mit der Raumzeit expandiert und hat sich dementsprechend verschoben, das wurde aber auch schon gesagt.

Es gibt natürlich auch Alternativen zur Urknalltheorie, wie die Steady-State-Theorie oder die Lichtermüdung. Diese lassen sich aber bei näherer Betrachtung nicht lange halten.

Kommentar von ALEMAN2015 ,

Die lassen sich sogar sehr lange halten.

- Schon Hubble hat es abgelehnt, die von ihm entdeckte Rotverschiebung als Indiz fuer eine Expansion zu deuten. Die Rotverschiebung kann ganz andere Ursachen haben.

- Mit mathematischen Spielereien wie den Friedmann-Gleichungen, kann ich alles beweisen.

- Die Hintergrundstrahlung kann genauso gut als aktuelles Phaenomen angesehen werden, das mit einem evtl. Urknall nichts zu tun hat. Dass die "Raumzeit expandiert", ist nur eine Hypothese.

Kommentar von Astroknoedel ,

Dann erkläre mir doch mal bitte , wie du diese Ergebnisse interpretieren würdest. Was ist denn die Hintergrundstrahlung sonst ? 

Kommentar von uteausmuenchen ,

ALEMAN2015,

Schon Hubble hat es abgelehnt, die von ihm entdeckte Rotverschiebung als Indiz fuer eine Expansion zu deuten

Darf ich an dieser Stelle daran erinnern, WANN Hubbles Arbeit erschien? 1929, genau. Seit damals haben wir "ein wenig" mehr Daten.

Ja, richtig, zu Hubbles Zeit waren die Daten keineswegs ausreichend. Heute sieht das ganz anders aus. Ein Jahrzehnte altes Zitat - noch dazu ohne Quellenangabe - als Beleg zu missbrauchen, es wären auch heute Zweifel angebracht, das ist etwas daneben.

Mit mathematischen Spielereien wie den Friedmann-Gleichungen, kann ich alles beweisen.

DAS möchte ich sehen, wie Du aus der Friedmann Gleichung die Hintergrundstrahlung ableitest...

Der entscheidende Punkt ist aber: Die Geschichte läuft anders herum. Nicht so, wie Du es hier darstellst.

Aus der Vermutung der Expansion rechnet man zurück und macht eine Vorhersage: Gleichmäßige Starhlung aus allen Richtungen von unter 4 Kelvin.

Und genau das entdeckt man 2 Jahrzehnte später.

Ja, es ist leicht, ein Modell an vorhandene Daten anzupassen.

Erheblich schwerer wird es, wenn man die Parameter festgezurrt hat, um die Daten zu fitten - wenn jemand mit Daten aus anderen Experimenten kommt. Dann muss man nämlich die Hosen runterlassen und schauen ob die nun mehr festgezurrten Werte auch die anderen Daten erklären.

Beim Urknall tun sie das.

Gänzlich schwierig wird es allerdings, mit einem falschen Modell Vorhersagen zu machen, die präzise eintreffen.

Also bitte nicht falsch darstellen, ja?

und die Materie nicht, wie ich bislang annahm, beim Urknall in den bereits vorhanden Raum expandiert ist.

Bevor man Modelle kategorisch ablehnt, sollte man sich zumindest so weit mit ihnen beschäftigen, dass man überhaupt weiß, was die Physik mit dem Modell denn eigentlich meint.

Und nein: Kein Physiker beschreibt den Urknall als Expansion der Materie in den bereits vorhandenen Raum hinein - also als eine Art Explosion.

Mich würde wirklich einmal interessieren, bei welchen Quellen Du Dich zur ART/Urknall... etc informierst. Klimawandel - EIKE - weiß ich jetzt.

Aber Kosmologie? GOM? mahag? Unzicker?

Also jedenfalls nicht bei seriösen Quellen. Aber es würde mich wirklcih mal interessieren. Verrätst Du es mir?

Kommentar von ALEMAN2015 ,

Also ich mache jetzt keine Bibliografie fuer dich, aber die von dir genannten Quellen sind mir auch bekannt. Diese und andere haben gemeinsam, dass sie m.E. berechtigterweise auf Widersprueche und Unstimmigkeiten hinweisen, aber kein alternatives Beschreibungsmodell anbieten, oder nur ein sehr duerftiges, z.B. hier aus "physikgrundlagen.de", wonach die Hintergrundstrahlung 

"als die mittlere Temperatur aller Objekte im sichtbaren Universum" anzusehen sei.

Das ist fuer mich genauso wenig aussagekraeftig wie z.B. "das Nachleuchten des Urknalls".

Wie dem auch sei, ich lehne kein Modell "kategorisch" ab, habe nur den Eindruck, dass man sich an einem Standardmodell festgebissen hat und zu wenig ueber den Tellerrand hinwegschaut.

Kommentar von uteausmuenchen ,
Diese und andere haben gemeinsam, dass sie m.E. berechtigterweise auf Widersprueche und Unstimmigkeiten hinweisen,

Du weißt aber auch, dass die Kritik an der Relativitätstheorie sehr häufig vor allem durch politische Ideologien geschürt wird. - Besonders in den Fällen, in denen physikalisch völlig abstruse Kritik geübt wird.

Und Deine Antwort oben ist - mit Verlaub - mehr als hinreichend falsch, um sie mit einer dieser höchst fragwürdigen Quellen zu assoziieren. Daher meine Frage.

habe nur den Eindruck, dass man sich an einem Standardmodell festgebissen hat und zu wenig ueber den Tellerrand hinwegschaut.

Der Standardvorwurf aller Pseudowissenschaft gegen die echten Wissenschaften. - Ein Satz, der am Wesen der Physik vollkommen vorbeigeht.

Der Punkt ist - wie in aller seriösen Wissenschaft - die Übereinstimmung von theoretischer Vorhersage und Beobachtungsdaten. Kein anderes Modell als das ΛCMD kann auch nur annähernd so gut die Daten erklären.

Und nein, man ruht sich keines wegs auf dieser Übereinstimmung aus. Sondern man testet das Modell schärfer. LISA ist jetzt aufgebrochen auf der Suche nach einem direkten Nachweis von Gravitationswellen.

Die Idee ist: Wenn die im Moment anerkannt beste Theorie falsch sein sollte, dann merken wir das am schnellsten, wenn wir sie auf Herz und Nieren prüfen. Und wenn wir damit fertig sind, dann prüfen wir sie mit der nächsten Generation Messgeräte wieder.

Nur: ΛCMD besteht alle diese Tests. Es ist kein Tellerrand in Sicht, über den man schauen könnte. Wir suchen danach. Wir suchen seit 1931 danach. Aber ΛCMD war immer besser als alle anderen Modelle.

Und genau so sollte man es auch darstellen.

Antwort
von Roderic, 57

Zum einen ist die Hintergrundstrahlung kein 100%er "Beweis" - sie ist "nur" ein Indiz, der die Urknalltheorie unterstützt.

Allerdings ein sehr plausibler.

Zum anderen gelten Betrachtungen bezüglich eines thermodynamischen Gleichgewichtes nur für Systeme, die

a: stationär und

b: abgeschlossen (Betonung auf ab!) sind.

Beides trifft für das Universum nicht zu.

Antwort
von BOZZZZ, 94

Ich glaub du hast da was falsch verstanden. VOR dem Zeitpunkt, an dem die kosm. HiStr. entstand, herrschte ein thermodynamisches Gleichgewicht. Ist auf der Wikiseite eigentlich gut erklärt:
https://de.m.wikipedia.org/wiki/Hintergrundstrahlung
Im Abschnitt "Theorie"

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