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Gedanken zur Dunklen Materie

kirk11

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Aus allem was ich in den letzten Monaten über DM gelesen und gelernt habe, möchte ich eine Schlußfolgerung konkret festhalten (wenn man von der groben Unterteilung ausgeht, dass DM primär aus Sehr leichten Teilchen, Leichten Teilchen, Mittelschweren Teilchen, Schweren Teilchen oder Superschweren Teilchen bestehen kann):

Die Wahrscheinlichkeit dass DM aus Sehr leichten Teilchen oder Leichten Teilchen besteht, halte ich für ziemlich bis sehr gering.

Diese Einschätzung stützt sich insgesamt auf die Informationen welche sich über Monate angesammelt haben, deswegen würde es zu weit führen alle Argumente dafür anzuführen, aber 2 Gründe möchte ich schon kurz erwähnen:

1. Bei Leichten bis Sehr leichten Teilchen denke ich dass diese längst entdeckt worden wären, so wie ja auch z.B. Neutrinos inzwischen nachgewiesen wurden obwohl diese ca. 250 seltener sind als DM-Teilchen. Diese Teilchen wären mit hoher Wahrscheinlichkeit allgegenwärtig und könnten entsprechend leicht allen Arten von Untersuchungen unterworfen werden.

2. DM zeichnet sich dadurch aus, dass sie sich vermutlich ziemlich stabil und stationär verhält, im Verhältnis zu ihrer Positionierung innerhalb der Galaxie. Selbst durch eine Kollision läßt sie sich kaum beeinflußen, was ihre Geschwindigkeit sowie ihre Richtung betrifft.
Leichte bis Sehr leichte Teilchen halte ich tendenziell für mobiler, auch dass DM-Teilchen überwiegend als 'kalt' vermutet werden, halte ich kompatibler für Teilchen ab mittelschwer.

Als Kandidaten welchen ich aus obiger Logik für nachvollziehbar(er) halte ist z. B. ein Gravitino:


Hier möchte ich folgendes zitieren:

...Ihre große Masse bedingt, dass diese Teilchen nur sehr verdünnt im Weltall auftreten können, denn ihr Gesamtbeitrag zur Masse im Universum darf nicht mehr als 25,8 Prozent betragen. Laut dem Max-Planck-Forscher bräuchte man in unserer Galaxie deshalb lediglich ein Teilchen auf 10.000 Kubikkilometer, um die Dunkle Materie zu erklären, wenn die Masse der Gravitinos, wie von Nicolai und Meissner postuliert, im Bereich der Planck-Masse liegen würde, also bei etwa einem Hundertmillionstel Kilogramm (10-8 kg). Zum Vergleich: Protonen und Neutronen, die Bausteine des Atomkerns, sind etwa zehn Trillionen Mal leichter (10-27 kg). Im intergalaktischen Raum wäre die Dichte noch sehr viel niedriger...

Ein Teilchen auf 10.000 Kubikkilometer - das ist natürlich schon eine Challenge so ein Teilchen zu finden, und könnte theoretisch ein Grund sein, warum man DM-Teilchen noch nicht detektiert hat.
 

P_E_T_E_R

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Bei Leichten bis Sehr leichten Teilchen denke ich dass diese längst entdeckt worden wären, so wie ja auch z.B. Neutrinos inzwischen nachgewiesen wurden obwohl diese ca. 250 seltener sind als DM-Teilchen. Diese Teilchen wären mit hoher Wahrscheinlichkeit allgegenwärtig und könnten entsprechend leicht allen Arten von Untersuchungen unterworfen werden.
Also, diese Schlussfolgerung kann ich überhaupt nicht nachvollziehen. Zunächst mal zu den Neutrinos: Du weißt ja sicher, dass es ein Viertel Jahrhundert brauchte zwischen ihrem theoretischen Postulat durch Pauli im Jahr 1930 und ihrem experimentellen Nachweis durch Cowen & Reines im Jahr 1956. Dabei war die theoretische Ausgangslage zur Erklärung des Beta-Zerfalls mit sehr klaren quantitativen Erwartungen dramatisch viel besser als man das von der DM sagen kann.

Will sagen, zur Kinematik vom Beta-Zerfall wusste man a priori alles. Nur ist es halt verdammt schwierig, solche Neutrinos nachzuweisen. Selbst heutzutage erfordert es gigantische Anlagen und sehr viel Geduld, um auch nur ein paar Ereignisse von dem auf der Erde ankommenden solaren Fluss von 70 Milliarden Teilchen pro cm² und Sekunde zu registrieren. Und selbst nach einer Unzahl von ständig aufwändiger werdenden Experimenten gibt es immer noch keinen direkten Messwert für die Masse der Neutrinos, sondern nur obere Grenzwerte.

Dem gegenüber ist unser theoretisches a priori Wissen über die Eigenschaften von DM wirklich jämmerlich. Das kann man ja schon aus den binnen eines Jahres sehr weit divergierenden "Vorhersagen" zur mutmaßlichen Masse der DM-Teilchen schließen:

Das Gravitino als DM Kandidat von Meissner & Nicolai soll eine Masse von der Größenordnung der Planck-Masse haben, also 2,4 x 10^18 GeV = 2,4 x 10^27 eV. Nur ein Jahr vorher haben die selben Autoren noch das "Minoron" mit einer Masse von 10^-3 eV als DM-Kandidaten ins Spiel gebracht. Zwischen diesen Vorschlägen klaffen sage und schreibe 30 Größenordnungen. So viel zur "predictive power" der Theorie zur Dunklen Materie ...

Meissner & Nicolai: Planck mass charged gravitino dark matter (2019)

Lewandowski, Meissner & Nicolai: Conformal standard model, leptogenesis, and dark matter (2018)
 
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kirk11

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Zum Thema Neutrinos hier noch ein recht interessanter Artikel:


woraus ich folgendes zitieren möchte:

...Bei einer von Null verschiedenen Ruhemasse bietet diese Theorie nicht nur eine befriedigende Erklärung für das solare Neutrinoproblem, sondern legt sofort entscheidende Parameter für die Kosmologie fest, da dann auch die Massenverteilung im frühen Universum von den Neutrinos dominiert wird...

Es ging mir nicht darum irgend jemand von meinem aktuellen Standpunkt in punkto wie schwer DM-Teilchen sein dürften zu überzeugen oder mir einzubilden dass ich diese persönliche Meinung wirklich schlüssig darstellen kann (ich habe mich deswegen auch auf nur 2 von mehreren Argumenten beschränkt).
Das ist ein Bereich bei dem wir uns bis auf weiteres mit persönliche Einschätzungen, Theorien etc. zufrieden geben müssen, bis (zweifelsfreie) Erkenntnisse gewonnen werden, welche hier substantiell helfen Klarheit zu schaffen.

Es stimmt schon dass für das Aufspüren von Neutrinos andere Voraussetzungen gegeben waren als für die DM-Teilchen. Allerdings weiss man (zumindest indirekt) über die DM auch schon so einiges, ausserdem machen die Teilchen in Summe eben viel mehr Masse aus als die Neutrinos.

Dass die Liste der DM-Kandidaten sehr lang ist, ist nichts Neues, dass dasselbe Autorenteam mehrere Kandidaten ins Spiel bringt, mach da auch keinen großen Unterschied mehr.

Mir ging's beim Gravitino weniger um den Kandidaten an sich, sondern mehr als Beispiel dafür dass bei schwerer(en) Teilchen z. B. ein Teilchen auf 10.000 Kubikkilometer (bei einem nicht sonderlich beeindruckend klingenden Gewicht von 10 ^- 8 kg) ein auf der Hand liegender Grund für die Schwierigkeit der Detektion der DM leicht nachvollziehbar dargelegt wird.

Und es gibt m.W. noch erheblich schwerere Kandidaten, wo dann der durchschnittliche Abstand zwischen den Teilchen entsprechend größer ist.
 

P_E_T_E_R

Mitglied
Mir ging's beim Gravitino weniger um den Kandidaten an sich, sondern mehr als Beispiel dafür dass bei schwerer(en) Teilchen z. B. ein Teilchen auf 10.000 Kubikkilometer (bei einem nicht sonderlich beeindruckend klingenden Gewicht von 10 ^- 8 kg) ein auf der Hand liegender Grund für die Schwierigkeit der Detektion der DM leicht nachvollziehbar dargelegt wird.
Eine derart geringe Teilchendichte wäre in der Tat mit konventioneller Technik kaum nachweisbar.

Man kann die zu erwartende Reaktionsrate W als Produkt von Wirkungsquerschnitt σ, Teilchenstromdichte j, und Anzahl der Targetteilchen N_T formulieren:

W = σ j N_T

(a) Mit einer DM Partikeldichte von ρ ~ 1 / 10 000 km³ = 10^-13 /m³ und einer galaktischen Geschwindigkeit von v ~ 250 km/s ~ 250 000 m/s haben wir dann eine DM Teilchenstromdichte von

j = ρ v ~ (10^-13 /m³) x ( 250 000 m/s) ~ 2,5 x 10^-8 / (m² s)

(b) Die Anzahl N_T der Targetteilchen für einen hypothetischen Detektor wie XENON mit einem Targetvolumen von 1 x 1 x 1 m³ gefüllt mit flüssigem Xenon ist dann etwa

N_T ~ 1,35 x 10^28

Damit erhalten wir eine Reaktionsrate von

W = [3,4 x 10^20 / (m² s)] σ ~ [1 x 10^28 / (m² a)] σ

mit a ~ 3,15 x 10^7 s

Um mit einem DM-Detektor wie XENON mehr als nur ein einziges Ereignis pro Jahr zu registrieren, müsste der Wirkungsquerschnitt dann bereit größer als 10^-28 m² oder 10^-24 cm²= 1 barn sein. Das wäre dann aber bereits ein sehr großer Wirkungsquerschnitt. Zum Vergeich, typische Wirkungsquerschnitte von Neutrinos sind 10^-42 cm² !
 

kirk11

Mitglied
Was mich schon seit einiger Zeit etwas wundert, ist dass Dunkle Energie (DE) praktisch nie als möglicher Faktor ins Spiel gebracht, z.B. in Bezug auf das Rotationsbild bei Galaxien.

Im ganz großen Maßstab - dem Universum - soll DE ja antigravitativ wirken und die beschleunigte Expansion des Universums erklären.
Aber wie wirkt sie sich in kleineren Maßstäben aus - immerhin soll sie ja ziemlich homogen verteilt und dadurch omnipräsent sein, z. B. was Galaxien betrifft ?
Ist die Wirkung hier neutral (bzw. nicht vorhanden), auch leicht expansiv oder bewirkt sie gar - direkt oder indirekt - zumindest teilweise das beobachtete Rotationsverhalten in Galaxien ?

Unterhalb eines der wenigen Beispiele, wo sich ein Astrophysiker (der Niederländer Verlinde) mit dieser Thematik beschäftigt und gleich zu einer sehr pointierten Einschätzung gelangt.
Ich gebe das hier wieder, enthalte mich aber einer eigenen Meinung dazu, weil dazu müßte ich mich noch um einiges ausführlicher mit diesem ganzen Themenbereich beschäftigen. Offene Türen wird er mit solchen Theorien jedenfalls eher nicht einrennen... ;)


woraus ich zitieren möchte:

Dunkle Materie, sagt Verlinde, sei nicht eine Ansammlung unsichtbarer Teilchen, sondern "ein Wechselspiel zwischen gewöhnlicher Materie und Dunkler Energie".

Der gesamte Artikel ist ziemlich lang, aber nach meiner Einschätzung durchaus lesenswert.
 

P_E_T_E_R

Mitglied
Der Name Verlinde mit seiner Entropic Gravity oder auch Emergent Gravity Theorie tauchte hier ja bereits mehrmals auf, auch in diesem mittlerweile schon sehr langen Thread. Seine Überlegungen sind so weit außerhalb konventioneller Vorstellungen, dass es sehr schwierig ist, ihm zu folgen. Jedenfalls haben sie, soweit mir bekannt ist, keinen Durchbruch bei den hier erörterten Problemen gebracht.

Mein Eindruck ist, dass ein wirklicher Durchbruch wohl erst mit neuen experimentellen Fakten kommen wird ...
 

kirk11

Mitglied
... keinen Durchbruch bei den hier erörterten Problemen gebracht.

Nun gut, aber da ist er in guter Gesellschaft, in punkto Entschlüsselung der DM hat wohl noch keiner den Durchbruch geschafft ;), aber direkt falsifizieren konnte man auch noch nicht (ich meine jetzt bei der Thematik welche ich zitiert habe), soweit ich weiß.

Es ging mir aber auch mehr darum, dass bei ihm sozusagen auch die DE das Spielfeld betrifft und theoretisch berücksichtigt wird.
Schon der Vollständigkeit halber sollte man sich m.E. auch in diese Richtung Gedanken machen, solange keine echten Fortschritte auf den üblichen Pfaden gemacht werden.
 

M_Hamilton

Mitglied
Hallo,

Dunkle Energie verhält sich ganz anders als Dunkle Materie. Die Dunkle Energie wird meistens als kosmologische Konstante oder analoge Vakuumenergie interpretiert:


Als kosmologische Konstante wäre die Dunkle Energie im Universum absolut homogen, sie würde keinen Halo um Galaxien bilden, der die Rotationskurven erklären könnte.

Außerdem wäre die Dichte der Dunklen Energie in der Zeit konstant, auch in einem expandierenden Universum. Das ist ein drastischer Unterschied zur gewöhnlichen und Dunklen Materie: Wenn sich ein Volumen verdoppelt und darin ist eine bestimmte Masse an gewöhnlicher oder Dunkler Materie, halbiert sich ihre (mittlere) Dichte. Die Dichte der Dunklen Energie würde dagegen konstant bleiben, d.h. der Energiegehalt in dem Volumen würde sich ebenfalls verdoppeln.

Da sich das Universum ausdehnt, sinkt die Dichte von gewöhnlicher und Dunkler Materie immer weiter, während die Dichte der Dunklen Energie konstant bleibt.

Gewöhnliche/Dunkle Materie und Dunkle Energie werden in der ART auch durch einen anderen Energie-Impuls-Tensor beschrieben und wirken daher verschieden als Quelle von Gravitation: Gewöhnliche/Dunkle Materie als Staub mit Energiedichte>0 und Druck=0, während Dunkle Energie Energiedichte>0 und Druck<0 hat.

Viele Grüße
Mark
 

kirk11

Mitglied
DE ist - auf seine eigene Art - weitgehend ein Mysterium, postuliert um wiederum ein gravitatives Rätsel zu lösen, diesmal nicht um einen gravitativen Effekt zu erklären, sondern einen antigravitativen...

Aber die basics sind auch hier nur sehr mager bekannt. Warum wirkt DE antigravitativ, woraus besteht sie, wie schwer sind ihre Teilchen (oder besteht sie gar nicht aus Teilchen), warum gab es ca. 380.000 Jahre nach dem Urknall praktisch noch keine DE (nach dem gängigen Modell), etc., etc. ?

Es wäre mir jedenfalls neu, dass es auf solche und viele weitere Fragen rund um die DE schon zufriedenstellende, allgemein akzeptierte Antworten gäbe.

Und solange dies der Stand der Dinge ist, sollte man m.E. auch nicht ausschliessen das DE z.B. bei der Rotation von Galaxien irgendeine (direkte oder indirekte) Rolle spielt.
 

P_E_T_E_R

Mitglied
Und solange dies der Stand der Dinge ist, sollte man m.E. auch nicht ausschliessen das DE z.B. bei der Rotation von Galaxien irgendeine (direkte oder indirekte) Rolle spielt.
Warum willst du die Dinge noch komplizierter machen als sie sind?

Der Stand der Dinge ist doch, dass eine beschleunigte Expansion auf Basis von Supernova-Beobachtungen erst bei kosmologischer Rotverschiebung wirksam ist und deshalb über die vergleichsweise geringen Dimensionen einer einzelnen Galaxis keine wesentliche Rolle spielt.
 

kirk11

Mitglied
Warum willst du die Dinge noch komplizierter machen als sie sind?

Der Stand der Dinge ist doch, dass eine beschleunigte Expansion auf Basis von Supernova-Beobachtungen erst bei kosmologischer Rotverschiebung wirksam ist und deshalb über die vergleichsweise geringen Dimensionen einer einzelnen Galaxis keine wesentliche Rolle spielt.
Selbst im eher kurz gehaltenenen Wikipedia-Artikel zur DE fallen Schlüsselbegiffe wie Gravitation und DE-Teilchen (mit einer Schätzung von 10 ^ - 81 kg als Gewicht).
Auch wenn das extrem leicht ist, es müsste dann eben entsprechend viele geben pro Kubikzentimeter - und das praktisch überall.
Sterne, Gaswolken, SL, DM, DE (um die 5 wichtigsten 'Akteure' aufzuzählen) befinden sich alle in dem Raumbereich, in dem sich die betreffende Galaxie befindet und determinieren gemeinsam das Rotationsverhalten.
Ich sehe keinen Grund dafür, waum DE a priori keine Rolle spielen kann - dafür weiß man einfach noch zu wenig über sie.
 

kirk11

Mitglied
Ich hatte oberhalb die Wikipedia-Quelle leider fehlerhaft zitiert, deswegen unterhalb noch das Original-Zitat:

'...Die Elementarteilchen, die man einem solchen Skalarfeld zuschreibt, wären überaus leicht (ungefähr 10 ^ −82 Elektronenmassen) und dürften, von der Gravitation abgesehen, praktisch nicht mit normaler (baryonischer) Materie wechselwirken...'
 

P_E_T_E_R

Mitglied
Ob man Dunkle Energie (DE) jetzt rein phänomenologisch mit einer kosmologischen Konstante wie im bislang hier diskutierten Lambda-CDM Modell oder dynamisch als Skalarfeld mit hypothetischen Teilchen beschreibt, ändert aber nichts an dem Umstand, dass DE für die Erklärung der galaktischen Rotationskurven völlig irrelevant ist. Um das zu begreifen, braucht man ja nur die jeweiligen Dichten zu vergleichen.

8,5 x 10^-27 kg/m³ = kritische Dichte

7 x 10^-27 kg/m³ = DE-Dichte im Universum

2,2 x 10^-27 kg/m³ = DM-Dichte im Universum

7 x 10^-22 kg/m³ ~ DM-Dichte in der Milchstraße

Solange DE im Unterschied zu DM homogen verteilt ist, spielt sie zur Erklärung der Rotationskurven von Galaxien keine wesentliche Rolle.
 

kirk11

Mitglied
Wenn z.B. die Dichte in Galaxien wie der Milchstraße von DM und DE in etwa gleich wäre, dann wäre es ein wirklich grobes astrophysikalisches Versäumnis gewesen, die DE bei der Gravitationsbewertung nicht einzubeziehen bzw. nicht zu berücksichtigen.

Dass es nicht gar so einfacht gestrickt sein wird, war also zu erwarten... ;)

Bei 7 x 10^-22 kg/m³ ~ DM-Dichte in der Milchstraße stellt sich mir die Frage, ob sich das als Durchschnittswert auf die Galaxie inklusive Halo und Korona bezieht (oder nur auf den Bereich der Milchstraßen-Scheibe).

Auch wäre interessant zu wissen, was sich für eine Masse ergeben würde - z.B. im Vergleich / Verhältnis zur bayronischen Masse - wenn man die 7 x 10^-27 kg/m³ = DE-Dichte für die gesamte Galaxie (also auch inklusive des Volumens des Halos und der Korona) ausrechnen würde - das dürfte für die Formel-Profis hier eine relativ leichte Übung sein.

Die Erklärung der Rotation in Galaxien durch die DM ist ja sozusagen nur die kleinste Skala.
Die DM soll ja des weiteren (u.a.) das Verhalten von Galaxiehaufen und (Galaxien-)Superhaufen erklären (was nur mit der bayronischen Masse wiederum nicht möglich wäre, nach der gängigen Lehrmeinung).

Und in dieser Größenordnung - da spielt ja z.B. weitgehend leerer Raum zwischen Galaxien auch schon eine Rolle - wird wohl das Dichte-Verhältnis zwischen DM und DE nicht mehr so stark zu Gunsten der DM ausfallen, denke ich mal...
 

P_E_T_E_R

Mitglied
Dichte ist ja das Verhältnis von Masse zu Volumen, und solange dieses Verhältnis konstant ist, kommt es nicht auf die Größe des betrachteten Volumens an.

Solange wir also davon ausgehen, dass DE im Weltraum homogen verteilt ist und keine lokalen Schwankungen hat (wovon mangels gegenteiliger Indizien auszugehen ist), gilt diese Dichte von 7 x 10^-27 kg/m³ nicht nur im gesamten Weltraum, sondern auch lokal in der Milchstraße.

Im Gegensatz dazu ist DM ganz und gar nicht homogen verteilt. Innerhalb der Milchstraße kann man von einer DM-Dichte von 7 x 10^-22 kg/m³ in der Umgebung der Sonne ausgehen (*). Wenn man stattdessen ein Volumen betrachtet, welches nahezu die gesamte baryonische und DM-Masse der Milchstraße umfasst, dann hat dieses sicher eine etwas geringere mittlere Dichte, ist aber gleichwohl weiterhin um sehr viele Größenordnungen höher als die oben genannte DE-Dichte.

Zur Erklärung der Rotationskurven von Galaxien spielt deshalb nur die baryonische und die DM-Masse eine Rolle. Entsprechendes gilt für die Kinematik von Galaxienhaufen.

___________________________________________________________________________________
(*) Die Fixierung der DM-Dichte in der solaren Umgebung und in der Milchstraße ist Gegenstand aktueller Forschung und dazu gibt es umfangreiche Literatur, z.B.

J.E. Read: The Local Dark Matter Density

Dabei wird die Dichte in astronomischen Einheiten von Sonnenmassen pro Kubikparsec angegeben. Zur Umrechnung:

1 M_s/pc³ = 6,77 x 10^-20 kg/m³

so dass

ρ_dm ~ 0,01 M_s/pc³ ~ 7 x 10^-22 kg/m³
 
Zuletzt bearbeitet:

kirk11

Mitglied
...Entsprechendes gilt für die Kinematik von Galaxienhaufen...

Ich erwähnte diesbezüglich auch Superhaufen und - bis ich aufgrund von Zahlen einen anderen Informationsstand habe - gehe ich davon aus dass in diesen Maßstäben der Dichte-Unterschied zwischen DM und DE ganz erheblich geringer ist.

Aber die grundlegende Ausgangsposition ändert sich sowieso nicht, immerhin sollen knapp 3 / 4 der Masse des Universums aus DE bestehen. Dass es da gravitative Auswirkungen gibt, steht wohl ausser jedem Zweifel.

Die spannendere Frage ist, welche Wirkung die DE auslöst - gravitativ oder wiederum antigravitativ (wie für das Universum im Ganzen) ?

Im ersteren Fall würde jeweils entsprechend weniger DM benötigt im zweiteren Fall entsprechend mehr um zusätzlich noch den antigravitativen Effekt zu neutralisieren...

Es ist ja sowieso interessant, dass DE postuliert wurde, obwohl (nach meinem Wissensstand) noch immer nicht geklärt wurde wie Antigravitation überhaupt funktionieren kann / soll...
 

Mischa

Mitglied
Ich erwähnte diesbezüglich auch Superhaufen und - bis ich aufgrund von Zahlen einen anderen Informationsstand habe - gehe ich davon aus dass in diesen Maßstäben der Dichte-Unterschied zwischen DM und DE ganz erheblich geringer ist.
Superhaufen sind in einer lambda-CDM Kosmologie dann gravitativ gebunden (widerstehen also der beschleunigten Expansion), wenn ihre mittlere Dichte heute in etwa das 2.4-fache der kritischen Dichte betraegt:

https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2009MNRAS.399...97A/abstract

LG,

mischa
 

kirk11

Mitglied
Superhaufen sind in einer lambda-CDM Kosmologie dann gravitativ gebunden (widerstehen also der beschleunigten Expansion), wenn ihre mittlere Dichte heute in etwa das 2.4-fache der kritischen Dichte betraegt:

https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2009MNRAS.399...97A/abstract

LG,

mischa
Ist das so zu verstehen:

Wenn sich 2 Superhaufen in relativer Nähe befinden, einer davon > 2.4 der kritischen Dichte, der andere < 2.4 der kritischen Dichte, dass sich zweiterer als Ganzes schneller bewegt und zwar in Richtung nach 'außen', also zur Grenze des Universums ?
 

kirk11

Mitglied
Oder ist das so gemeint:

Unterhalb des Grenzwertes ist der Superhaufen 'intern' nicht ausreichend gravitativ gebunden um sich nicht langsam auseinander zu bewegen und so seine Struktur (als zusammengehöriger Superhaufen) im Laufe der Zeit zu verlieren ?
 

kirk11

Mitglied
'...Sie beschreibt die Raum-Zeit um ein elektrisch geladenes Gravitationszentrum. Wir leiten in diesem Artikel den klassischen Grenzfall her, um ihn für weitere Untersuchungen benutzen zu können. Bemerkenswert erscheint die Tatsache, dass der Radius, bei welchem die Dominanz der repulsiven Antigravitation mit der attraktiven Gravitation wechselt (Regimechange), mit dem klassischen Elektronenradius identisch ist...'

'...Für den Planeten Merkur ist die Antigravitation der Sonne um das Einhundertmillionenfache kleiner als ihre Gravitation. Es ist aus diesem Grunde kein Wunder, wenn allgemein davon ausgegangen wird, dass die Gravitation nicht abgeschirmt werden kann. Tatsächlich ist von der Existenz dieser kleinen Größe abhängig, ob es Schwarze Löcher gibt und ob ein Urknall jemals stattgefunden hat. In superstarken Gravitationsfeldern, d.h. in der Nähe des Schwarzschild-Radius, wächst die Antigravitation so stark an, dass sie die Entstehung echter raum-zeitlicher Singularitäten verhindert...'

Die Datenlage im WWW zur Antigravitation ist leider äußerst dürftig.

Da klammert man sich an jeden Strohalm...

Deswegen meine Frage:
Wie wird das hier eingeschätzt, sind obige Ausführungen (aus obigen PDFs, wo auch reichlich Formeln zur Verwendung kommen),
ein guter Einstieg zum Thema Antigravitation oder eher ein vermutlicher 'Rohrkrepierer' ?
 

P_E_T_E_R

Mitglied
Wichtiger als was wir davon halten, ist wohl deine eigene Einschätzung. Um da ein kritisches eigenes Urteil entwickeln zu können, musst du dich halt in die Materie einarbeiten, sprich studieren, und dann unter qualifizierter Anleitung eigene Lösungen entwickeln.

Da wissenschaftliche Kommunikation heutzutage praktisch nur noch in der englischen Sprache stattfindet, ist auch das ein wesentliches Element. Da findest du dann auch weitere Hinweise zu den gestellten Fragen:

Reissner–Nordström metric (Wikipedia)

Charged Black Holes: The Reissner-Nordström Geometry
 

M_Hamilton

Mitglied
Hallo,

Wie wird das hier eingeschätzt, sind obige Ausführungen (aus obigen PDFs, wo auch reichlich Formeln zur Verwendung kommen),
ein guter Einstieg zum Thema Antigravitation oder eher ein vermutlicher 'Rohrkrepierer' ?
In der ersten Arbeit wird ein Effekt der Reissner-Nordström-Metrik


beschrieben, der als Reissner-Nordström-Repulsion bekannt ist. Dieser Effekt wurde anscheinend eine Zeitlang in der Literatur kontrovers diskutiert:



Bei einem Schwarzen Loch mit Masse M und Ladung Q (ohne nackte Singularität, d.h. in natürlichen Einheiten M>|Q|) erreicht ein (ungeladenes!) Testteilchen, das radial einfällt, die Singularität bei r=0 nicht, sondern wird von ihr abgestoßen (das ist die Repulsion):


Diese Abstoßung kommt von dem Beitrag zum Gravitationsfeld, der von dem Energie-Impuls-Tensor des elektromagnetischen Feldes erzeugt wird (wegen E=mc^2 erzeugt auch reine Energie ein Gravitationsfeld).

Die Reissner-Nordström-Metrik wird in der oben zitierten Arbeit auf ein einzelnes Elektron angewandt, was fragwürdig ist (da Elektronen punktförmig sind, müssten sie dann Schwarze Löcher sein, also wegen der Hawking-Strahlung Masse verlieren und verdampfen, etc. Das zeigt nur, dass solche klassischen Betrachtungen, ohne Quantengravitation, nicht funktionieren).

Mit der beschleunigten Expansion des Universums durch die Dunkle Energie (als kosmologische Konstante verstanden) hat die Reissner-Nordström-Repulsion aber nichts zu tun. Es ist auch eher ungünstig, die Dunkle Energie als Antigravitation zu bezeichnen:


Viele Grüße
Mark

ps. Hat sich mit Peters Antwort überschnitten.
 

kirk11

Mitglied
Wichtiger als was wir davon halten, ist wohl deine eigene Einschätzung.

Aus Sicht der Allgemeinheit (des Forums) ist wohl jede Einschätzung ca. gleich wichtig;
im Falle einer Beurteilung wo es primär um die Validität von Formeln geht ist meine Einschätzung leider (noch) nicht so qualifiziert (und das dies in 1 - 2 Jahren vielleicht anders ausschaut, würde halt eine ziemlich lange Wartezeit bedeuten... :cool:).

Es geht mir hier bei den verlinkten Artikeln in erster Linie um die Inhalte zum Thema Antigravitation. Aus welchen Theorien diese abgeleitet werden interessiert mich persönlich nur sekundär.

Hier noch ein Zitat:

...Diese effektiv wirksame Antigravitation wird für ein Elektron berechnet. Im
Ergebnis wird ein prinzipiell messbarer Effekt deduziert. Untersuchungen in dieser Richtung existieren bisher vermutlich nicht, weil in der Teilchenphysik angenommen wird, dass die Gravitation in diesem Bereich keine Rolle spielt. Es wird gezeigt, dass das Gegenteil der Fall ist, dass insbesondere wegen der Stärke der elektrischen Kraft im Mikrokosmos metrische Theorien der Gravitation zu berücksichtigen sind, wenn es um die Feinstruktur der Elementarteilchen geht, z.B. ob das Elektron wirklich keine innere Struktur besitzt.

Doch die Teilchenphysiker haben in einem Punkt Glück, denn die Antigravitation sorgt gerade dafür, dass in der heute experimentell zugänglichen Umgebung
geladener Elementarteilchen die Gravitation nicht einfach nur viel kleiner als die Coulomb-Kraft ist, sondern, dass sie nahezu vollständig verschwindet!
Nach der klassischen Newtonschen Gravitationstheorie existiert ein solcher antigravita
tiver Effekt nicht...


Im Gegensatz zu vielen Artikeln werden zu den Texten und Schlussfolgerungen in den PDF-Dateien löblicherweise die dazugehörigen Formeln und Ableitungen angegeben, sodass prinzipiell eine Falsifizierung oder Verifizierung möglich sein könnte (wenn man entsprechend 'formelfest' ist...)

Mir geht es speziell um folgende beiden Punkte:

1. Im Bereich von extremer Gravitation (z.B. in Zusammenhang mit SL) soll sich laut Autor auch eine extrem starke Antigravitation aufbauen bzw. bestehen. Wenn sich dies verifizieren ließe, dann wäre das ein Argument gegen klassische SL und für MECOs und - wenn man das jetzt etwas mutig weiter denkt vielleicht sogar für die verschmähten Gravasterne.
1. ist aber eigentlich etwas off-topic, da dies weder mit DM noch mit DE etwas direkt zu tun hat.

2. Gibt es wirklich eine antigravitative Wirkung durch die Ladung von Elementarteilchen (hier wird das anhand von Elektronen durchgerechnet) ?
Falls ja, dann sehe ich hier das Potential für einen ersten Schritt zum Verständnis der antigravitative Wirkung der DE (oder der Kosmologische Konstante, des Skalarfeldes,...)

Es könnten ja in jedem Fall sehr kleine Elementarteilchen jeweils mit elektrischer Ladung beteiligt sein, in ungeheurer Menge. In Summe könnte das eine entsprechend hohe antigravitative Wirkung entfalten, da die Masse und deren gratvitative Wirkung im Vergleich sehr gering wäre.
Und man müßte nicht einmal in die exotische Wunderkiste greifen, für diesen Ansatz.

Selbst wenn gar keine Teilchen im Spiel wären sondern nur Energie, könnte das zu einem ähnlichen Ergebnis führen, solange es sich um eine entsprechend elektrisch geladene Energie handelt.
 

P_E_T_E_R

Mitglied
Wie in dem Abschnitt Black hole electron skizziert ist, ignoriert eine Beschreibung im Reissner-Nordström Formalismus den Spin und suggeriert anti-gravitative Effekte auf Skalen wie der Compton-Wellenlänge, also vergleichbar mit der Dimension von Atomkernen, die experimentell längst ausgeschlossen sind.

Die Idee stammt auch nicht von Retzlaff, sondern basiert auf Arbeiten von Brandon Carter und Alexander Burinskii, die sich allerdings mit dem Kerr-Newman Formalismus für rotierende schwarze Löcher befassen.

Streuexperimente an Hochenergielabors in Europa und USA haben bis zu Energieskalen von mehreren TeV keine Hinweise auf Abweichungen von einer Punktladung für die nominell strukturlosen Partikel wie das Elektron gefunden. Das entspricht einer Ortsauflösung, die weit unterhalb der Comptonwellenlänge liegt, bei der angeblich solch ein Regimewechsel stattfinden soll.

Gravitative Effekte sind bekanntlich viel geringer als die Coulomb-Kräfte zwischen Ladungen. Bevor sie überhaupt in Konkurrenz zueinander treten könnten, müssten sie um sehr viele Größenordnungen anwachsen, und das gilt auch für hypothetische anti-gravitative Kräfte. Es gibt aber keinerlei experimentellen Hinweise darauf, und zwar bis zu mikroskopischen Dimensionen, die weit unterhalb der Größe von Atomkernen liegen.

Und weiterhin, die beschleunigte Fluchtbewegung von Galaxien findet auf kosmologischen Distanzen statt. Selbst wenn es tief im "Innern" eines Elektrons anti-gravitative Effekte gäbe, sehe ich nicht, wie das eine beschleunigte Fluchtbewegung auf astronomischen Skalen bewirken soll.
 
Zuletzt bearbeitet:

M_Hamilton

Mitglied
Hallo Kirk,

2. Gibt es wirklich eine antigravitative Wirkung durch die Ladung von Elementarteilchen (hier wird das anhand von Elektronen durchgerechnet) ?
Falls ja, dann sehe ich hier das Potential für einen ersten Schritt zum Verständnis der antigravitative Wirkung der DE (oder der Kosmologische Konstante, des Skalarfeldes,...)
Hast du den Quora-Artikel gelesen, den ich oben verlinkt habe?


Darin steht: The problem is that the word "anti-gravity" invokes a vision of a vehicle floating above the ground (as seen in many science fiction movies). Dark energy will not allow the development of anti-gravity floating vehicles. In fact, dark energy cannot even be added to an object so that it could repel other objects (it doesn't matter if the other object has "dark energy" in it or not). [...] So this is the only sense that dark energy has anti-gravity—it is causing the accelerated expansion of the universe. But note that we will never be able to use dark energy to levitate a vehicle in the Earth's gravitational field—so it is not that kind of anti-gravity.

D.h. die "Anti-Gravitation" durch die Dunkle Energie führt zu der beschleunigten Expansion des Universums, aber nicht zu der Abstoßung von Testteilchen, wie bei der "Anti-Gravitation" durch die Reissner-Nordström-Repulsion (die Reissner-Nordström Raumzeit ist außerdem statisch, d.h. zeitunabhängig, der Raum expandiert nicht). Die Reissner-Nordström-Repulsion kommt auch nicht direkt von der Ladung, sondern von der gravitativen Wirkung des radialen elektrischen Feldes im Raum (Coulomb-Feld).

Wenn man annimmt, dass die Dunkle Energie durch ein Gas von geladenen Teilchen beschrieben wird, würde das zu allen möglichen Widersprüchen führen: Die Dunkle Energie wäre nicht dunkel, sondern würde mit Licht wechselwirken und würde durch elektrische und magnetische Felder beeinflusst.

Ein geladenes Gas würde auch nicht zu einer beschleunigten Expansion des Universums führen: Die Dunkle Energie (kosmologische Konstante) wird durch einen Energie-Impuls-Tensor beschrieben, der dem einer "exotischen" idealen Flüssigkeit mit p=-rho entspricht:


Man kann sich vermutlich überlegen, dass man diesen Energie-Impuls-Tensor nicht aus dem einer gewöhnlichen Flüssigkeit/Gas und dem eines elektromagnetischen Feldes zusammensetzen kann (abgesehen davon, dass in einem vollkommen homogenen und isotropen Gas das elektromagnetische Feld Null sein müsste, da keine Richtung ausgezeichnet ist). Man braucht aber diesen Energie-Impuls-Tensor, um die Wirkung der Dunklen Energie zu erklären (beschleunigte Expansion des Universums).

Die Dunkle Energie kann deshalb nicht aus einem Gas von geladenen Teilchen bestehen.

Viele Grüße
Mark
 
Zuletzt bearbeitet:

M_Hamilton

Mitglied
Es scheint übrigens nicht einfach zu sein, eine wirklich anschauliche Erklärung zu geben, warum sich das Universum durch die Dunkle Energie beschleunigt ausdehnt bzw. warum es bei einer geladenen Punktmasse zu der Reissner-Nordström-Repulsion kommt. Das sind eher Dinge, die man ausrechnen muss und die am Ende herauskommen. Man kann sie vermutlich klassisch nicht erklären (bei der Dunklen Energie kommt es vor allem auf die gravitative Wirkung des negativen Drucks an, die in der klassischen Physik nicht existiert; etwas ähnliches ist wahrscheinlich bei der RN-Repulsion der Grund). Es sind jedenfalls verschiedene Effekte mit verschiedenen Ursachen und Wirkungen.

Viele Grüße
Mark
 
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(Alle Angaben für 10 Grad ö.L. Länge / 50 Grad n.B.)

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