Astronomen habe eine Region im Weltraum entdeckt, aus der eine “abstoßende” Kraft auf unsere Milchstraße wirkt. Klingt mysteriös, aber so kann man es in vielen Medien derzeit lesen. Es klingt aber nicht nur mysteriös, es klingt auch irgendwie komisch. Denn welche Kraft soll das sein? Die einzige Kraft, die auf kosmologischen Skalen zwischen den Galaxien wirkt, ist die Gravitation. Und die ist ja gerade die eine Kraft, die immer anziehend wirkt. Es gibt keine “Anti-Gravitation”, die abstoßen kann. Was ist da also los und was ist wirklich entdeckt worden?

Der Fachartikel zum Thema trägt den Titel “The dipole repeller” und stammt von Yehuda Hoffman von der Hebrew Universität in Jerusalem und seinen Kollegen. Sie haben aus einem Katalag Daten von ungefähr 8000 Galaxien in unserer kosmischen Nachbarschaft untersucht und sich angesehen, wie sie sich bewegen.

Sieht mysteriös aus, ists aber gar nicht so sehr: Die Bewegung der Galaxienhaufen in unserer Nachbarschaft (Bild: Hoffman et al, 2017)

Sieht mysteriös aus, ists aber gar nicht so sehr: Die Bewegung der Galaxienhaufen in unserer Nachbarschaft (Bild: Hoffman et al, 2017)

Wir wissen schon länger, dass nicht nur die Sterne in Galaxien organisiert, sondern auch die Galaxien selbst nicht willkürlich im All verteilt sind. Unsere Sonne bildet zusammen mit ein paar hundert Milliarden anderer Sterne die Milchstraßen-Galaxie. Und unsere Galaxie ist mit der Andromedagalaxie und ein paar anderen in der Lokalen Gruppe, einem Galaxienhaufen, organisiert. Mehrere Galaxienhaufen können wiederum einen “Superhaufen” bilden und selbst diese Superhaufen können noch gemeinsame Strukturen bilden. Unsere Lokale Gruppe gehört zum Beispiel mit knapp 100.000 anderen Galaxien zum Superhaufen Laniakea. Und diese ganze riesige Gruppe von Galaxien bewegt sich gemeinsam in Richtung des Shapley-Superhaufen, der gemeinsam mit dem großen Attraktor (einem weiteren Superhaufen) für die großräumige Bewegung der Milchstraße verantwortlich ist.

So weit war die Lage schon bekannt. Das, was Hoffman und seine Kollegen nun veröffentlicht haben, liefert hier keine dramatisch neuen Erkenntnisse, verfeinert aber das Bild ein wenig. Es gibt ja nicht nur die großen Ansammlungen von Galaxien sondern auch ebenso große Regionen, in denen sich gar nichts befindet. Diese “Voids” sind schwerer zu erforschen – dort ist ja nichts, was man beobachten könnte. Die Voids bestimmen in gewissen Sinne aber genau so die Bewegung von Galaxien wie das die großen Superhaufen tun.

Allerdings nicht durch eine “abstoßende” Kraft. Dabei handelt es sich um ein Missverständnis – der relevante Satz im Fachartikel dazu ist dieser hier:

“When describing the gravitational dynamics in co-moving coordinates, by which the expansion of the Universe is factored out, underdensities repel and overdensities attract.”

Die Wissenschaftler haben bei ihrer Beschreibung der Galaxienbewegung also sich mitbewegende Koordinaten benutzt. Koordinaten, bei denen die durch die Ausdehnung des Universums verursachte Bewegung der Galaxien schon rausgerechnet worden ist. Und wenn man das tut, dann sieht die Bewegung eben nicht mehr so aus, wie man das gewohnt ist. Stellt euch folgende Situation vor: Ihr fahrt mit dem Auto mit 50 km/h durch die Stadt. Hinter euch fährt ein Auto mit 30 km/h. Ihr fahrt beide in die gleiche Richtung und beide mit positiver Geschwindigkeit vorwärts. Und da ihr schneller seid, entfernt ihr euch vom Auto hinter euch. So weit, so klar. Jetzt könnt ihr aber auch euer Auto als “in Ruhe” betrachten. Eure Geschwindigkeit beträgt dann 0 km/h. Da sich das Koordinatensystem jetzt mit euch mit – also mit 50 km/h – bewegt hat das Auto hinter euch nun in diesem neuen Koordinatensystem keine Geschwindigkeit von +30 km/h mehr, sondern von -20 km/h (30-50 = -20). In diesem Koordinatensystem sieht es also so aus, als würde das hinter euch fahrende Auto von “abgestoßen”.

So ist das auch bei den Galaxien. Da kommt keine “mysteriöse” Kraft irgendwo aus dem Weltall. Aber es gibt Regionen in denen unterdurchschnittlich wenig Materie enthalten ist. Aus dieser Region wirkt keine bzw. eine viel geringere Anziehungskraft als aus den Regionen, in denen sich die Superhaufen befinden. Und wenn man das spezielle Koordinatensystem benutzt, dann sieht es so aus, als würden die Superhaufen die Milchstraße anziehen und die Leerräume sie “abstoßen”. In diesem Video erklären die Forscher das – wenn auch nicht unbedingt allgemeinverständlich – noch einmal genauer:

Hoffmann und seine Kollegen haben also keine “Anti-Gravitation” oder ähnliches entdeckt. Sondern mit ihrer Bewegungsanalyse ein Leerraum im Kosmos identifiziert, der die Dynamik unserer universalen Nachbarschaft ebenso beeinflusst wie das die großen Galaxienhaufen tun. Mit genaueren Beobachtungen hoffen die Astronomen, diesen Leerraum in Zukunft auch direkt nachweisen zu können und so mehr Informationen über das Verhalten der Galaxien in unserer Ecke des Kosmos zu erhalten.

Kommentare (36)

  1. #1 Hawk
    2. Februar 2017

    Danke, Florian.
    Also doch nur ein Nettoeffekt, wie Wizzy drüben schon geschrieben hatte. Schade…

    Gruß Hawk

  2. #2 RPGNo1
    2. Februar 2017

    Danke, eine schöne Aufklärung für einen Laien wie mich.

    Ich möchte nicht wissen, wie viele Esos und Wissenschaftscranks sich jetzt wieder auf den Begriff “abstoßen” stürzen werden, um ihre abstrusen Hypothesen “beweisen” zu können, oder um volltönend zu verkünden, dass etablierte wissenschaftliche Theorien damit widerlegt seien.

  3. #3 Theres
    2. Februar 2017

    Was heißt nur, @Hawk? Ist doch spannend.
    Also, als Frühstücksfernsehen überfordert mich das Video ja, aber danke, Florian, für die Erklärung. Ich hab schon gewartet :)

  4. #4 Horst
    2. Februar 2017

    Ich frage mich immerwieder inwieweit diese Betechnungen Sinn ergeben, wenn die Zeitunterschiede nicht herausgerechnet und bspw. eine Galaxie in 3 Mrd. Lichtjahren Entfernung als “dort positioniert” angenommen wird. Diese Bewegungsanalysen sind doch ohne eine zuverlässige Aussage wo sich alle Objekte zu einem gegebenen Zeitpunkt befinden völlig obsolet. Da nichteinmal ein Drei-Körper-Problem zufriedenstellend genau gelöst werden kann, ist dieser ganze Quatsch mit ziemlicher Vorsicht zu genießen.

  5. #5 SkeptikSkeptiker
    Randpolen
    2. Februar 2017

    Also ich habe einen Osprey-Rucksack mit Anti-Gravity-System, trägt sich wunderbar…, da muss man nur einen Knopf drücken….nein, nur Spaß!

    Danke für den Artikel!

  6. #6 schlappohr
    2. Februar 2017

    Mal andersherum gedacht: Wäre es jetzt tatsächlich falsch, von einer abstoßenden Kraft zu sprechen? Effektiv bewegt sich die Masse weg von diesem Ort, und ein Beobachter, der nur diese “Masse-Wanderung” sieht, könnte nicht unterscheiden, ob sie von einem Schwerkraftmaximum angezogen oder von einem Schwerkraftminimum abgestoßen werden.
    In der Halbleitertechnik gibt eine ähnliche Denkweise: man spricht von Elektronenwanderung, aber auch von “Löcherwanderung”, wenn eine Fehlstelle im Kristallgitter von einem Elektron besetzt wird, das eine andere Stelle im Gitter verlassen hat und dort nun ein Loch hinterlässt. Effektiv ist das Loch gewandert. Auch wenn diese Betrachtungsweise etwas gewöhnungsbedürftig ist, so liefert sie doch als Denkmodell die richtigen Ergebnisse.

  7. #7 Florian Freistetter
    2. Februar 2017

    @Horst: “doch ohne eine zuverlässige Aussage wo sich alle Objekte zu einem gegebenen Zeitpunkt befinden”

    “Entfernung” ist ein Begriff der auf solchen Größenskalen keinen eindeutigen Sinn mehr machten – siehe hier: http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2012/01/03/die-rotverschiebung-und-die-vielen-entfernungen-der-kosmologie/

    Im Video sieht man auch, dass “Distanzen” von den Forschern als “Geschwindigkeiten” angegeben werden (entspricht im wesentlichen der Rotverschiebung)

    @Schlappohr: “Wäre es jetzt tatsächlich falsch, von einer abstoßenden Kraft zu sprechen?”

    Kommt drauf an. Wenn ich meine Kaffeetasse aus meiner Hand auf den Boden fallen lasse: Wäre es dann korrekt davon zu sprechen, dass meine Hand eine abstoßende Kraft ausgeübt hat? Oder war es die anziehende Kraft der Erde?

  8. #8 Gerrit
    2. Februar 2017

    @schlappohr:

    Wäre es jetzt tatsächlich falsch, von einer abstoßenden Kraft zu sprechen? […] In der Halbleitertechnik gibt eine ähnliche Denkweise: […] “Löcherwanderung”, wenn eine Fehlstelle im Kristallgitter

    Sicherlich kann man so denken. Allerdings wäre die Schlagzeile “Elektronenloch: Wissenschaftler entdecken neuen Elementarteilchen” nicht wirklich richtig. 😉

  9. #9 schlappohr
    2. Februar 2017

    “Wäre es dann korrekt davon zu sprechen, dass meine Hand eine abstoßende Kraft ausgeübt hat? ”

    Genau das ist meine Frage. Könnte man eine Gravitationstheorie aufstellen, die die abstoßende Kraft von masselosen Gebieten postuliert, anstatt der anziehenden Wirkung massiver Objekte, und dennoch zu den gleichen Ergebnissen kommt? (Von der mangelnden Sinnhaftigkeit einmal abgesehen). Nur zur Sicherheit: ich bin kein Esoteriker und plane auch nicht, die Physik zu revolutionieren. Das ist nur ein Gedankenspiel.

  10. #10 schlappohr
    2. Februar 2017

    @Gerrit
    “Allerdings wäre die Schlagzeile “Elektronenloch: Wissenschaftler entdecken neuen Elementarteilchen” nicht wirklich richtig. ”

    Dabei hat das Loch alle Eigenschaften eines Elementarteilchens: Es kann sich bewegen (wenn auch etwas sprunghaft), hat eine Masse (Null), kann sich nicht am gleichen Ort wie an anderes Teilchen befinden, und es hat eine physikalische Wirkung (führt zu einer positivem Ladung im Halbleiterkristall). Nur zerfallen kann es anscheinend nicht. Scheint so eine Art Quark zu sein… wie gesagt, sind nur Spinnereien. Oh… und es hat abstoßende Gravitationswirkung :-)

  11. #11 MartinB
    2. Februar 2017

    @schlappohr
    Als effektive Theorie (in einem homogenen Medium) sollte das vermutlich gehen – so wie man im Wasser auch ne Theorie für Luftblasen auftsellen könnte, die nach oben schweben.

  12. #12 MartinB
    2. Februar 2017

    @schlappohr
    Nene, Löcher haben keine Masse Null, sondern eine effektive (positive) Masse, die durch die (umgedrehte) Parabelform des Valenzbandes zu Stande kommt.
    Dafür gibt es den Begriff des “Quasiteilchens”.

    Ich empfehle als Lektüre
    https://www.amazon.de/Funktionswerkstoffe-Physikalische-Grundlagen-Martin-B%C3%A4ker/dp/3658029692/ref=sr_1_1?ie=UTF8&qid=1397648809&sr=8-1&keywords=b%C3%A4ker+funktionswerkstoffe
    :-))

  13. #13 schlappohr
    2. Februar 2017

    @MartinB

    Schon gut, ich gebe mich geschlagen und gelobe, fürderhin dem Irrglauben der abstoßenden Gravitation und masselosen Löcher abzuschwören :-))

  14. #14 rolak
    2. Februar 2017

    abstoßend

    Ihr wollt doch nicht etwa ein effektives Modell für Lehneronen zusammenbasteln?

    Lektüre

    Ohne Deinen Weg zur Weltherrschaft über Gebühr beschneiden zu wollen, MartinB, statt mit Quasiteilchen könnte schlappohr ja erstmal mit defekten anfangen.

  15. #15 Boombox
    2. Februar 2017

    Entweder ist scinexx.de nicht so seriös, wie ich bisher dachte, oder die Forscher sind durch eine ungenaue Formulierung selbst mitverantwortlich dafür, dass der Sachverhalt in den Medien falsch dargestellt wird, vielleicht auch ein bisschen von beidem. Jedenfalls werden sie in einem Artikel auf scinexx.de zu dem Thema (http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-21102-2017-01-31.html ) mit der Aussage “Dies ist das erste Mal, dass eine solche Quelle der Abstoßung im Weltall identifiziert worden ist” zitiert.

    @MartinB: Interessant, Löcher können also auch eine Masse haben. Ja ja, die “Quantenwelt” ist schon echt merkwürdig. Das merke ich immer wieder, wenn ich etwas Neues darüber lese. :-)

  16. #16 Donkieshot
    Trantor
    2. Februar 2017

    Danke Florian. Mein Kosmologische Welt ist jetzt wieder in Ordnung.

  17. #17 Anhalter
    Düsseldorf
    2. Februar 2017

    bezogen auf das Automodell der unterschiedlichen Geschwindigkeiten:
    -Ist dieser Dipol Repeller dann langsamer als die Ausdehnungsgeschwindigkeit dieser Region des Universums? Falls Ja – was wäre die Erklärung?

  18. #18 a.b
    2. Februar 2017

    Dumme Laienfrage: Ist es nicht so, daß für einen externen Beobachter die Zeit in der Nähe großer Massen langsamer läuft (z.B. in der Nähe des Ereignishorizontes eines schwarzen Lochs)?
    Sollte dann nicht reziprok die Zeit in einem riesigen, extrem leeren “Void” schneller laufen und sich damit dieser Raum (bei konstanter Raumausdehnung pro Zeiteinheit) für einen externen Beobachter schneller ausdehnen, die Leerstelle damit wachsen? Wäre dieser Effekt groß genug, um von außen wie eine abstoßende Wirkung auszusehen?

  19. #19 Vortex
    2. Februar 2017

    Wäre ein Torus-Modell des gesamten Universums nicht eine mögliche Lösung, die hier alle Galaxien in Richtung des großen Attraktors anzieht, nur weil sich dort im Zentrum des galaktischen Torus deren Singularität sich befindet?

    Die Oberfläche des Torus wäre dann unser 3D-Raum, der
    das gesamte Universum eben entsprechend krümmt.

  20. #20 Vortex
    2. Februar 2017

    Ergänzung zu #19:

    Das eigentliche Zentrum der Anziehung befindet sich, von uns aus betrachtet hinter den Shapley Attractor, dort müßte sich dann die Torusfläche nach innen bewegen, also vmtl. außerhalb unseres sichtbaren Universums.

    Der Ort des Dipole Repeller ist dann die andere Seite des Torus, von wo vmtl. die gesamte Masse des Universums herausgeschleudert wurde, natürlich nur falls das Torus-Modell des Universums sich in der Praxis irgendwann bestätigt.

    Der Spektrum Artikel war etwas zaghaft in der Darstellung, denn der kosmische Torus müßte allerdings viel kugeliger und enger sein, wie hier im Video dargestellt, also irgendwo hinter den Shapley Attractor, (der sich hier im Video unten befindet) dürfte dann der eigentliche Eingangstrichter zur Singularität sich befinden, also rein hypothetisch :).

  21. #21 Alderamin
    3. Februar 2017

    @Anhalter

    So wie ich das verstanden habe ist die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Weltalls dort nicht langsamer, sondern der “Repeller” ist einfach eine Region mit sehr wenig Masse (ein “Void”, wie der Kosmologe sagt), die entsprechend wenig Gravitation ausübt. Entsprechend scheinen die Galaxien von dort fortzustreben, weil sie nichts aus dieser Richtung bremst.

    Die von Florian erwähnten mitbewegten Koordinaten rechnen die Hubble-Expansion aus der Bewegung heraus (die bewegen sich nämlich mit der mittleren Raumexpansion gemäß einer hypothetischen homogenen Masseverteilung mit), so dass nur die von der lokalen Schwerkraft verursachte Bewegung übrig bleibt. Und die muss aus dem Void heraus verhältnismäßig schneller sein, weil da eben keine Masse von innen mit ihrer Schwerkraft zieht. Deswegen sieht es scheinbar so aus, als ob die Masse dort abgestoßen würde (im Verhältnis zur Bewegung der Materie anderswo, wo die Masse gleichmäßiger im Raum verteilt ist).

  22. #22 Alderamin
    3. Februar 2017

    @a.b.

    Der Effekt, dass die Zeit im Schwerefeld langsamer vergeht, macht sich nur bei sehr großen Schwerefeldern bemerkbar. Selbst im verhältnismäßig starken Schwerefeld der Erde vergeht die Zeit nur um Mikrosekunden pro Tag langsamer (der Effekt auf GPS-Satelliten beträgt etwa 5,3*10^-10 in der Verstimmung ihrer internen Uhren; dazu kommt dann aber noch der Anteil durch ihre Bewegung um die Erde). Da es hier um in großer Entfernung zu den Galaxien doch sehr schwache Schwerefelder geht, kann man den Effekt der gravitativen Zeitdilatation völlig vernachlässigen.

    Nicht jedoch die Verteilung der Masse. Es geht hier im wesentlichen darum, wie diese die Bewegung der Galaxien beeinflusst, wenn man die Raumexpansion ausklammert (ansonsten entfernt sich nämlich alles voneinander aufgrund der Hubble-Expansion und die Effekte der gegenseitigen Massenanziehung sind nicht so offensichtlich).

  23. #23 Anhalter
    Düsseldorf
    3. Februar 2017

    @Alderamin – Ich setzte voraus, dass die Hubble Ausdehnung “ungleichmäßig” ist (je weiter weg – je schneller) und das wir als Bezugsgröße = 0 uns dann demzufolge entfernen würden. Einen Einfluß der lokalen Gravitation sah ich nicht vorrangig, aber danke für die Erläuterung.

  24. #24 Horst
    4. Februar 2017

    “Entfernung” ist ein Begriff der auf solchen Größenskalen keinen eindeutigen Sinn mehr machten – siehe hier: http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2012/01/03/die-rotverschiebung-und-die-vielen-entfernungen-der-kosmologie/

    Das beantwortet aber nicht die Frage, denn die Forscher haben mit ihrem 3D-Modell eine Raum-Zeit-Bewegungsmodellierung vorgenommen. Für eine Modellierung werden Entfernungsannahmen gemacht, welche wiederum aus irgendwelchen Approximationen stammen. Im Umkehrschluss lässt sich aus den Aussagen extrahieren, das sie zu keinem Zeitpunkt wissen wo sich alle ihre beobachteten Objekte aktuell befinden und ihre schicke Annimation ein extrem verzerrtes Bild darstellt. Auf dieser extrem verzerrten Wahrnemung wiederum Annahmen abzuleiten die ein Bild abliefern mit der Aussage “Dies und das IST so und so” nähert sich aus mathematischer Sicht der Wahrsagerei.

  25. #25 Horst
    4. Februar 2017

    Ein simples Beispiel:

    Wir haben eine Gruppe von Scienceblogs-Kommentatoren – sagen wir 100 Personen – die sich alle um Herrn Freistetter mit verschiedenen, teils großen Abständen und verschiedener Anzahl an Klein-Grüppchen geschart haben. Herr Freistetter führt nun aus Interesse um sich herum über eine gewisse Zeitspanne eine Beobachtung durch und macht eine Simulation wo sich welche Person und welche Gruppe hinbewegt um daraus ein Modell abzuleiten. Leider ist es nun aus technischen Gründen so, das Herr Freistätter die Information über die Position jeder anderen Person um ihn herum nur mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/Tag erhält. Nun sind einige Kommentatoren schon ziemlich alt (Horst zum Beispiel) und er hat bereits ein Anfangsbild der Personenverteilung. Er sieht hier beispielsweise in großer Entfernung kleine Babys der Komentatoren in Kinderwägelchen die in eine bestimmte Richtung geschoben werden. Im Laufe einer sehr langen Zeit kann Herr Freistätter also eine Aussage darüber treffen wo sie sich auf Grund ihrer Richtungsgeschwindigkeit hinbewegen, wie viele es sind, wie alt die Personen ungefähr sein müssten, usw.

    Kann er aber – und das ist der Kern meiner Frage – eine definitive und wissenschaftlich haltbare Aussage darüber treffen wo sich alle Personen zum heutigen Zeitpunkt befinden, wie sich die Gruppen später grupperit haben und ob die Personen die er sieht überhaupt noch leben? Ist es nicht vielmehr so, das eine wissenschaftliche Modellbildung auf Grund dieser Daten definitiv NICHT zu Daten führt die haltbare Gesetzmäßigkeiten beschreiben?

    Meine Frage noch weiter verkürzt lautet also: sind diese Entwicklungen mit einbezogen auf die wissenschaftlichen Berechnungen aus dem Titelthema? Ich würde meinen nein, denn die Informationen verwaschen zu stark wenn man sie derart approximiert. Daher auch meine Aussage “mit Vorsicht zu genießen”.

  26. #26 Florian Freistetter
    4. Februar 2017

    @Horst: “zum heutigen Zeitpunkt “

    Genau das ist das Problem – die Sache mit der “Gleichzeitigkeit” mach im Rahmen der Relativitätstheorie auf großen Distanzen keinen Sinn mehr. “Jetzt” lässt sich nicht so einfach definieren, wenn es um große Distanzen geht. Das hat Einstein damals schon in den ersten Sätzen seiner Arbeit von 1905 festgestellt. “Jetzt” ist, wenn das Licht bei uns ankommt. Bevor es ankommt, existiert das Ding für uns nicht.

  27. #27 Alderamin
    4. Februar 2017

    @Horst

    Man weiß sehr genau, wo welche Objekte sich zu welcher Zeit befinden. DDie Frage ist nur, bezüglich welchem Koordinatensystem.

    In “mitbewegten Koordinaten”, die mit der Hubble-Expansion mitwachsen, ändern sich die Positionen der Galaxien z.B. nur aufgrund ihrer Eigenbewegung relativ zur kosmischen Hintergrundstrahlung, die als globales Bezugssystem verwendet werden kann (das nach dem Urknall entstandene Gas war demgemäß in Ruhe, wenn man die Hubble-Expansion abzieht). Wenn man ein solches Bezugssystem nimmt, hat man auch ein eindeutiges definiertes “Jetzt” (was man nicht hat, wenn sich Objekte relativistisch zueinander bewegen). In diesen Koordinaten hat z.B. das beobachtbare Universum einen Radius von 42 Milliarden Lichtjahren (und da die Koordinaten fest sind und auf den heutigen Zeitpunkt kalibriert, ist dieser Radius für alle Zeiten früher und zukünftig fest; allerdings schrumpft der zukünftig überblickbare Radius in diesen Koordinaten kontinuierlich).

    Die “tatsächliche” Entfernung, die “Eigendistanz” (proper distance), die man an einem langen, zwischen zwei Objekten gespannten Maßband ablesen könnte, wenn man es jetzt kappen und einrollen würde, lässt sich aus der mitbewegten Entfernung bestimmen, indem man diese mit dem “Skalenfaktor” a des Universums multipliziert. Das ist derjenige Faktor, der angibt, wie groß eine Bezugsentferung (in Eigendistanz gemessen) in einem bestimmten Weltalter relativ zum heutigen Zeitpunkt skaliert ist. Als das Universum nur halb so groß wie heute war, war der Skalenfaktor z.B. 0,5. Der Skalenfaktor hängt mit der Rotverschiebung z des Lichts von Objekten in dieser Entfernung zusammen: a=1/(1+z). Z.B. bedeutet eine Rotverschiebung von z=1, dass sich die Wellenlänge des Lichts verdoppelt hat, denn z ist die Differenz aus beobachteter zu ausgesendeter Wellenlänge im Verhältnis zur ausgesendeten Wellenlänge. Wenn also 550 nm als 1100 nm beobachtet werden, gilt z=(1100-550)/550 = 1. Dann ist der Skalenfaktor a = 1/(1+1) = 0,5. Die Eigendistanz von Objekten bei z=1 war also zur Aussendezeit ihres Lichts halb so groß wie sie es heute ist (die heutige Eigendistanz entspricht der mitbewegten Entfernung).

    Dazwischen liegt die Lichtlaufzeitentfernung, das ist diejenige Entfernung, die das Licht zurücklegen musste, als es sich aus der im Beispiel halben heutigen Entfernung auf den Weg machte und diese unterwegs auf die doppelte Größe wuchs. Die vom Licht bereits zurückgelegte Teilstrecke spielt für die Laufzeit dabei keine Rolle mehr, deswegen muss das Licht weniger als die heutige Eigendistanz zurücklegen, aber mehr als die ursprüngliche, weil die vor ihm liegende Strecke noch wächst. Über den Hubble-Parameter und seinen Einfluss auf die Eigendistanz lässt sich die Lichtlaufzeitentfernung berechnen.

    Um den Hubble-Parameter zu kalibrieren, muss man z in Abhängigkeit von der Lichtlaufzeitentfernung kennen, das macht man z.B. durch Typ-I-Supernova-Explosionen, die alle gleich hell sind und an ihrem Spektrum zu erkennen sind (kaum Wasserstofflinien). Misst man die Helligkeit eines Objekts mit bekannter Abstrahlung, kann man seine Entfernung berechnen. Man muss im kosmologischen Maßstab allerdings berücksichtigen, dass das Weltall früher kleiner war und dadurch auf den 360°-Himmel projiziert vergrößert erscheint. Dies wirkt sich auch auf die Helligkeit aus. Daher gibt es auch eine “Leuchtkraftentfernung”, die die scheinbar verringerte Entfernung durch diesen “Lupeneffekt” angibt (entsprechend gibt es auch eine “Winkeldurchmesserentfernung”, die sich auf den Sehwinkel einer Referenzstrecke bezieht). Berücksichtigt man die Hubble-Expansion, so lässt sich aus der Leuchtkraftentfernung die Lichtlaufzeitentfernung ableiten und daraus die anderen Entfernungen.

    Die Formeln sind alle ziemlich komplex, aber es gibt eine eindeutige Lösung, wenn man die Beziehung zwischen der Helligkeit von Typ-I-Supernovae und ihrer Rotverschiebung z bestimmt. Außerdem kann man den Hubble-Parameter aus der Struktur der Hintergrundstrahlung ermitteln. Man hat in den letzten Jahren eine kleine Abweichung von ca. 3% zwischen den Messungen für den Hubble-Parameter aus diesen beiden Beobachtungen gefunden, der noch nicht geklärt ist, aber bis auf diese kleine Diskrepanz sind alle diese Entfernungen wohldefiniert. In der Wikipedia sind die Formeln zur Berechnung enthalten. Damit lässt sich auch die Schwerkraftwirkung zwischen entfernten Galaxien bestimmen. Das ist alles nicht trivial, aber wohldefiniert und eindeutig lösbar.

    Für das allgemeine Verständnis ist wohl die Eigendistanz die ausschlaggebende. Diese stimmt für Objekte zur heutigen Zeit mit der mitbewegten Distanz überein. “Heute ” ist auf das Bezugssytem bezogen, in dem die kosmische Hintergrundstrahlung in jeder Richtung symmetrisch erscheint. Unsere Bewegung (Erde, Sonne, Milchstraße) weist diesem Bezugssystem gegenüber eine Eigenbewegung von ca. 600 km/s auf, weil die Milchstraße Richtung “Great Attractor” gezogen wird. Wie sich die anderen Galaxien zwischen “Great Repeller” und “Great Attractor” bewegen, darum geht es in dem hier diskutierten Paper.

  28. #28 EchtSuperDasPodcast
    Mannheim; dehnte sich aus, als es die Stadtmauern eingerissen wurden - weil sinnlos
    6. Februar 2017

    @Alderamin Alle Achtung!

    (1) Selbst wenn alles im Großen sozusagen wie geschmiert berechnet ist und man durchblickt…- kann man denn verbindlich sagen, dass sich die Hubbelkonstane in Voids genauso verhält, wie im nicht-Void! Also saust es gleich auseinander, ob viele Glaxien da sind oder nicht?

    (2) Grund: (anderst herum) Ich als schwach informierter Laie (und Mannheimer) habe mal gehört, dass sich Galaxien INNEN DRIN selbst nicht ausdehnen. Wenn also gaaaanz viele Galaxien da sind, die sich dann alle nicht ausdehnen…geht sozusagen der Hefeteig doch nicht ganz homogen auf (weil die Rosinen = Galaxien gleich groß bleiben) oder?

    (3) Wenn sich der Raum ausdehnt und die Glaxien nicht, müssen die Galaxien im sich ausdehenden Raum nach innen fliegen und sozusagen kleiner werden.

  29. #29 Horst
    7. Februar 2017

    Genau das ist das Problem – die Sache mit der “Gleichzeitigkeit” mach im Rahmen der Relativitätstheorie auf großen Distanzen keinen Sinn mehr. “Jetzt” lässt sich nicht so einfach definieren, wenn es um große Distanzen geht. Das hat Einstein damals schon in den ersten Sätzen seiner Arbeit von 1905 festgestellt. “Jetzt” ist, wenn das Licht bei uns ankommt. Bevor es ankommt, existiert das Ding für uns nicht.

    und genau hier muss ich widersprechen, vielleicht habe ich mich nicht verständlich genug ausgedrückt: die Realität beginnt mit der Interaktion der weit entfernten Objekte untereinander, dabei ist es völlig nebensächlich ob der weit entfernte Beobachter diese Information bereits besitzt oder nicht. An meinem oben genannten Beispiel wäre das z.B. eine Interaktion – “Heirat und Kinder” eines weit von Herrn Freistätter entfernten Pärchens. Auch wenn Herr Freistätter als Beobachter davon nichts weiß, ist die Familie dennoch real und die zukünftige Entwicklung dann eine gänzlich Andere mit entsprechenden Auswirkungen auf das Gesamtsystem. Wenn Herr Freistätter aber nur seine eigen Wahrnehmung verwendet, wird er falsche Rückschlüsse ziehen, insbesondere dann wenn er versucht unter Auslassung dieser Möglichkeit Gesetzmäßigkeiten abzuleiten die das Gesamtsystem beschreiben sollen. Wenn also die aktuelle Forschung nur so arbeitet sind Die Erkenntnisse relativ wertlos.

  30. #30 Florian Freistetter
    7. Februar 2017

    @Horst: “Auch wenn Herr Freistätter als Beobachter davon nichts weiß, ist die Familie dennoch real”

    Ich hab auch nicht behauptet, dass ferne Galaxien nicht real sind. Sondern nur, dass die Worte “gleichzeitig” und “jetzt” auf kosmologischen Skalen nicht mehr so leicht anzuwenden sind wie im Alltag.

    P.S. Ich fände es netter, wenn sie meinen Namen nicht so konsequent falsch schreiben.

  31. #31 EchtSuperDasPodcast
    Mannheim, wo verschwobelte Gedanken oft zu so lächerlichen Erfindungen wie Fahrrad oder Automobil führen...
    8. Februar 2017

    @Horst: Also das glaube ich nicht: “dabei ist es völlig nebensächlich ob der weit entfernte Beobachter diese Information bereits besitzt oder nicht.” … Das sehe ich anders. Die Realität beginnt bei der Wahrnehmung. Der alte Horst zum Beispiel, könnte sterben bevor ihn eine Information erreicht.

    Es ist eine von Philosopeh schon lange in anderer Form durchdachte Sache, sind wir doch alle (nur), wie die Gefangenen im Höhlengleichnis:
    https://de.wikipedia.org/wiki/H%C3%B6hlengleichnis

    Das Problem ist, dass man doch sowieso nur eine Annäherung des ganzen wahrnehmen kann. Diese reine Wahrheit der Realität unabhängig von der Beobachtung scheint mit unmöglich.

    Sowohl beim Entsender, als auch beim Empfänger könnte z.B. ein Dreikörperproblem vorherrschen oder ein anderes großes Durcheinander von Raumdehnung, kleinen und großen Gravitationslinsen oder vielleicht vergeht die Zeit selbst nicht konstant gleichmäßig schnell. Ganz zu schweigen von Schrödingers Katze 😉

  32. #32 zeroc
    Berlin
    9. Februar 2017

    @Horst

    “die Realität beginnt mit der Interaktion der weit entfernten Objekte untereinander, dabei ist es völlig nebensächlich ob der weit entfernte Beobachter diese Information bereits besitzt oder nicht.”

    Das widerspricht sich doch! Lass mal den Beobachter weg! Der ist zur Veranschaulichung da! Hier geht es doch ausschließlich um Informationen und solange das Licht eines weit entfernten “Dings” nicht bei uns ist, sind sämtliche andere Informationen(einschließlich gravitative Wechselwirkung) ebenfalls nicht bei uns. Es gibt kein Gesamtsystem!

  33. #33 Alderamin
    9. Februar 2017

    @EchtSuperDasPodcast

    (1) Selbst wenn alles im Großen sozusagen wie geschmiert berechnet ist und man durchblickt…- kann man denn verbindlich sagen, dass sich die Hubbelkonstane in Voids genauso verhält, wie im nicht-Void! Also saust es gleich auseinander, ob viele Glaxien da sind oder nicht?

    Die Hubble-Konstante ist das, was sich aus der auf größten Skalen homogenen und isotropen Verteilung der Materie und der Dunklen Energie (die überall gleich groß ist) ergibt. Die folgt der Friedmann-Lemaitre-Gleichung, wo nur in Dichten Omega (der Dunklen Energie, der sichtbaren und der Dunklen Materie) gerechnet wird (unten, im Absatz vor Kapitel “Useful solutions”). Alles, was die lokale Verteilung verursacht, fällt unter die Eigenbewegung der Materie, z.B. dass Andromedagalaxie und Milchstraße aufeinander zu fallen und beide sich in Richtung Great Attractor bewegen. Zieht man die Hubble-Expansion ab (“mitbewegte Koordinaten”), bleibt genau dieser Anteil übrig, und der wird in dem hier diskutierten Papier betrachtet. Ein Void ist dann eine Art Hügel im Gravitationspotenzial, von wo alles runter rollt.

    (2) Grund: (anderst herum) Ich als schwach informierter Laie (und Mannheimer) habe mal gehört, dass sich Galaxien INNEN DRIN selbst nicht ausdehnen. Wenn also gaaaanz viele Galaxien da sind, die sich dann alle nicht ausdehnen…geht sozusagen der Hefeteig doch nicht ganz homogen auf (weil die Rosinen = Galaxien gleich groß bleiben) oder?

    Alles, was gravitativ gebunden ist (oder durch andere Kräfte zusammen gehalten wird, etwa Molekülbindungen in einem Tisch oder Dir), nimmt an der Expansion nicht teil, sondern “rutscht” darüber weg. Wie vorletztes Jahr beim Gravitationswellendetektor LIGO: die Erde, der Tunnel, die Befestigungen der Spiegel waren fest, aber das Vakuum in der Röhre wurde von den Gravitationswellen gedehnt und gestaucht, was den Weg und die Laufzeit der Laserstrahlen beeinflusste. Hier geht’s am Ende auch um Gravitation, nur nicht um Wellen, sondern kontinuierliches “Fließen” oder “Aufquellen” der Raumzeit. Ab etwa 20 Millionen Parsec sind die Kräfte zwischen den Galaxien so klein, die dadurch verursachte Bewegung so gering, dass die Raumexpansion den Abstand schneller wachsen lässt, als diese Bewegung, und ab da schiebt es die Galaxien mit wachsender Entfernung zunehmend auseinander.

    (3) Wenn sich der Raum ausdehnt und die Glaxien nicht, müssen die Galaxien im sich ausdehenden Raum nach innen fliegen und sozusagen kleiner werden.

    Nö, die Galaxien sind überall (bis auf die Eigenbewegung) ortsfest. Es kommt nur mehr Raum zwischen ihnen hinzu. Deswegen ändern sich ihre mitbewegten Koordinaten eben nicht. Aber die Eigendistanzen ändern sich trotzdem.

  34. #34 Alderamin
    9. Februar 2017

    @Horst

    Auch wenn Herr Freist‌ätter als Beobachter davon nichts weiß, ist die Familie dennoch real und die zukünftige Entwicklung dann eine gänzlich Andere mit entsprechenden Auswirkungen auf das Gesamtsystem. Wenn Herr Freist‌ätter aber nur seine eigen Wahrnehmung verwendet, wird er falsche Rückschlüsse ziehen, insbesondere dann wenn er versucht unter Auslassung dieser Möglichkeit Gesetzmäßigkeiten abzuleiten die das Gesamtsystem beschreiben sollen. Wenn also die aktuelle Forschung nur so arbeitet sind Die Erkenntnisse relativ wertlos.

    Singuläre Ereignisse spielen für die großräumige Entwicklung des Universums keine Rolle (falls nicht zufällig irgendwo das Vakuum auf einen niedrigeren Zustand getunnelt ist und ein sich von dort aus mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitender Feuerball auf dem Weg zu uns ist…). Das Universum ist isotrop (in jeder Richtung gleich) und homogen (in jeder Entfernung großräumig gleich), d.h. das, was im Moment in unserer Umgebung passiert, passiert in ähnlicher Weise anderswo auch: Gas zieht sich zusammen, bildet Galaxien und Sterne, die sich dann aufgrund ihrer wechselseitigen Schwerkraft umeinander und aufeinander zu bewegen, während der Raum um sie herum expandiert.

    Die Bewegungen im hier beschriebenen Artikel spielen sich in ein ein paar hundert Millionen Lichtjahren Entferung ab, das ist kosmologisch gesehen nebenan und heute. Das bisschen Lichtlaufzeit spielt da nicht die große Rolle. Die kosmischen Mühlen mahlen sehr langsam. Trotzdem wird natürlich bei der Berechnung der Kräfte z.B. in Simulationen berücksichtigt, dass sich die Entfernungen durch die Raumexpansion ständig ändern und damit auch die Gravitationskräfte.

    Eine sehr erfolgreiche Simulation, die die Entstehung der Struktur im Universum reproduziert hat, war etwa Illustris.

  35. #35 Madouc
    Hamburg
    17. Februar 2017

    Hallo Florian,

    ich lese deine Blogs nun schon sehr lange, und ich finde sie große Klasse. Ich bin selbst kein Physiker, würde mich selbst als “interessierten und belesenen Laien” bezeichnen.

    Zu diesem Text und auch der israelischen Veröffentlichung die ich gelesen habe, habe ich mehrere Fragen:

    Nur einmal ganz kurz angenommen es gäbe eine Antigravitation, wie könnten wir diese überhaupt von der Gravitation unterscheiden, denn beides würde doch in die selbe Richtung wirken und sich lediglich im Betrag addieren oder?

    Müssten wir nicht – gäbe es Antigravitation – merkwürdige Dinge beobachten können, wie zum Beispiel Dinge die wir nur aufgrund der vorhandenen sichtbaren Masse nicht erklären können?

    Was mich auch brennend interessiert ist, ist Gravitation nun eine Kraft die zwischen zwei Körpern wirkt (Newton) oder etwas, das von Massen ausgeht und die Raumzeit krümmt (Einstein)? Soweit ich weiß ist das aktuelle Paradigma der Physik die Einstein’sche Variante auch bekannt als Relativitätstheorie. Meine Frage dazu: Wie genau krümmt (verbiegt, verzerrt) eine Masse den Raum? Wie setzt sie an, und was wird beeinflusst? Was ist Raum überhaupt?

    Wir wissen aus E=mc², dass Masse und Energe äquivalente Dinge sind, und aus dem Quantenvakuum wissen wir auch, dass immer wieder spontan Energie materialisiert und sich sofort wieder in Energie annihiliert, sonst gäbe es schließlich auch keine Hawkingstrahlung. Meine Frage hierzu: Wie wirkt denn in diesem Fall E auf die Raumzeit (den Raum)? Wäre es töricht anzunehmen, dass wenn m den Raum “krümmt”, das Äquivalent E dann den Raum “ausbeult”?

    Ich wäre dir sehr dankbar wenn du mein Gedankenwirrwarr ein wenig durch Erklärung und Einsicht ordnen könntest :-)

    Grüße aus Hamburg
    Madouc

  36. #36 Roland
    10. April 2017

    unterdurchschnittlich viel Materie
    oder
    überdurchschnittlich wenig Materie

    sorry