Expansion des Universums

Expansionsdynamik des Weltalls


Seit dem Urknall ist das Universum in steter Ausdehnung begriffen und führt die Galaxien dabei mit sich fort. Die Dynamik dieser Expansion wird durch die Gravitationswirkung der Materie beeinflusst, die sich aus der sichtbaren (baryonischen) und der dunklen Materie zusammensetzt und eine bremsende Wirkung erzeugt. Seit der Entdeckung, dass sehr weit entfernte Supernovae offenbar viel weiter entfernt sind, als man erwartet, vermutet man, dass vor etwa 6 Milliarden Jahren die Expansion von einem gebremsten in einen beschleunigten Zustand übergegangen ist. Dafür wird etwas verantwortlich gemacht, was offenbar eine Art negativen Druck erzeugt, der die Galaxien immer schneller auseinander treibt - die "Dunkle Energie". All diese Erkenntnisse werden in dem aktuellen Standardmodell der Kosmologie, dem LCDM-Modell  (Lambda Cold Dark Matter) zusammengefasst und dargestellt.
Die folgenden Programme und Simulationen stellen einige Aspekte dieses Modells anschaulich dar.


Das Raum-Zeit Diagramm des LCDM-Modells


Das Programm stellt die Bahnen von Licht und Materie im Raum-Zeit Diagramm des LCDM-Universums dar. Der Ort und der Zeitpunkt einer Galaxie zum Zeitpunkt der Lichtemission können innerhalb des Diagramms frei gewählt werden. Das Programm berechnet dann den weiteren Lauf der Photonen und der Galaxie durch die Raumzeit und gibt an, wann und wo Licht und Materie zum heutigen Zeitpunkt befinden. Außerdem werden die Rotverschiebung z, der Hubble-Radius, der Ereignishorizont und der Partikelhorizont angezeigt.

Download des Programms "Expansion.exe"

Lichtkurven von Supernovae


Die Helligkeit von Supernovae des Typs 1a ändert sich während der Zeit ihrer Sichtbarkeit stets nach dem gleichen Muster. Daher ist zu erwarten, dass die Lichtkurven dieser Supernovae nahezu identisch sind. Dies trifft auf sehr weit entfernte Supernovae (High-z-Supernovae) nicht mehr zu. Aufgrund der Raumausdehnung während der Zeit, in der die Photonen den Weg zu uns zurücklegen, treffen die Photonen zeitverzögert ein. Es entsteht eine Art Zeitdehnung - die Lichtkurven sind längs der Zeitachse gedehnt.
Das Programm stellt die Lichtkurven von 5 weit entfernten Supernovae dar. Diese Lichtkurven lassen sich über die Lichtkurve einer sehr nahen Supernova schieben und mit einem Schieberegler kann man dann die Zeitachse solange stauchen, bis die Kurven übereinanderliegen. Da die Zeitdehnung sich aus dem Term 1/(z+1) berechnet, lässt sich so die Rotverschiebung z der 5 Supernovae bestimmen.


Download des Programms "Lichtkurven.exe"

Veranschaulichung des Hubble-Gesetzes


Das Programm stellt die gleichmäßige Ausdehnung des Raumes dynamisch dar. Innerhalb dieses Raumes sind Galaxien aufgereiht, die durch die Expansion des Koordinatensystems mitgenommen werden. Deutlich sieht man, dass die Galaxien, die sich weiter vom Beobachter befinden schneller wegbewegen, als die nahen Galaxien, obwohl die Abstände im expandierenden Raum äquidistant bleiben.

Außerdem lässt sich der Weg eines Photons und der Galaxie, die das Lichtteilchen aussendet, im superluminaren Raum, also im Raumbereich hinter dem Hubble-Radius (Überlichtgeschwindigkeit) verfolgen. Das Photon, das in Richtung des Beobachters ausgesendet wurde, bewegt sich zunächst von diesem weg, da der expandierende raum es mitnimmt. Schließlich wird es aber vom "nachrückenden Raum" überholt und kommt in den subluminaren Raum. Erst dann bewegt es sich zum Beobachter hin, wo es dann irgendwann mit Lichtgeschwindigkeit bei ihm eintrifft.


Download des Programms "Hubblegesetz.exe"

Die Skalenfunktion


Die Skalenfunktionen der Expansionsmodelle bilden die zeitliche Entwicklung der Ausdehnung des Weltalls ab. Das Programm stellt zum einen die Skalenfunktion des Einstein-de Sitter Modells und zum anderen die Skalenfunktion des LCDM-Modells dar. Die Dichteparameter und die Hubblekonstante können verändert werden. So lässt sich zeigen, dass die LCDM-Kurve in die des Einstein-de Sitter Modells übergeht, wenn man den Dichteparameter der Dunklen Energie auf Null regelt. Zudem lässt sich jeweils das Weltalter der einzelnen Modelle ablesen.

Download des Programms "Skalenfunktion.exe"

 
 
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