Supernovas und Raumexpansion

captain kirk

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die supernovas gelten als indiz(?)/beweis(?) für die beschleunigte ausdehnung des universums. warum?
bitte eine laiengerechte antwort. danke!
 

mac

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Hallo captain kirk,

man bestimmt bei großen Entfernungen die (ca.) Entfernung über das Ausmaß der Rotverschiebung.

Eine davon unabhängige Methode, die auch noch in sehr großen Entfernungen genügend Licht für Messungen liefert, ist die Messung der Helligkeit einer Supernova vom Typ 1a. Die sind zwar selten, aber bei so ungeheuer vielen Galaxien eben doch häufig genug, um zu einigermaßen brauchbaren Ergebnissen zu kommen.

Durch Vergleich der Rotverschiebung und der Helligkeit dieser Supernovae hat man festgestellt, daß sich diese beiden Maßstäbe nicht genau linear zueinander verhalten, sondern daß man sie (etwas) genauer modellieren kann, wenn man annimmt, daß sich unser Universum seit einigen Milliarden Jahren immer schneller ausdehnt.

Noch ein paar Worte zur Genauigkeit solcher Messungen. Diese Daten sind mit den besten und modernsten Geräten, mit denen die Menschheit aufwarten kann, gewonnen worden. Trotzdem sind sie sau schlecht, weil man eben gerade am Limit dessen misst, was die Geräte noch hergeben. Die Auswertung dieser Messungen erfolgt mit statistischen Methoden und das Ergebnis: Beschleunigte Expansion ist ein sogenannter best Fit an die krass verrauschten Messwerte.

Damit hier keine Missverständnisse aufkommen, ich sage nicht daß sie falsch sind. Jede andere Interpretation dieser Daten wäre auf jeden Fall falscher, aber sie müssen noch nicht das Letzte Wort zu diesem Thema sein. Im Laufe der nächsten Jahre, Jahrzehnte? wird man immer mehr Daten dazu sammeln können, auch mit besseren Geräten, dann wird sich auch ein immer schärferes Bild des tatsächlichen Ablaufes ergeben. Auch erscheint es möglich, daß sich die Modellvorstellungen über den Ablauf einer SN1a noch verfeinern lassen. Ich persönlich gehe davon aus, daß sich das Universum beschleunigt ausdehnt, aber ich wäre auch nicht übermäßig überrascht, wenn man diese Aussage noch des öfteren verfeinern (nicht unbedingt umkehren) würde.

Herzliche Grüße

MAC
 
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Bynaus

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Um Mac's Aussage zum "Fitten" noch etwas zu illustrieren:

DL-vs-z-21Nov06.gif
 

mac

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vielen Dank für das Bild Bynaus.

Captain kirk, Du kannst in dem Bild vor allem bei den weit entfernten Supernova-Messwerten (im Bild sind es die auf der rechten Seite) die großen Fehlerbalken sehen. Das sind die (hier) waagerechten Striche, die den Messpunkt nach links und rechts überragen. Üblicherweise (aber nicht immer) zeichnet man den sogenannten 1s-Bereich ( Ein Sigma Bereich) ein. Das bedeutet, daß innerhalb dieses Bereiches ca. 68% aller Messergebnisse liegen würden. Erst wenn man diesen Balken doppelt so groß zeichnet, dann liegen 95% aller Messwerte in diesem Bereich.

Die Länge des jeweiligen Fehlerbalkens hängt davon ab, welche Fehlerquellen, welchen Einfluss auf die Messung aller Daten, die zu der Entfernungsangabe für diese Supernova geführt haben, hatten.

Herzliche Grüße

MAC
 

captain kirk

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ganz hab ich es noch nicht verstanden: aus der diskrepanz zwischen dem licht einer 1a supernova und der rotverschiebung der dazugehörigen galaxis lässt sich die beschleunigte ausdehnung des raums ableiten. richtig?
wenn ja: worin besteht diese diskrepanz?
das diagramm zeigt die messwerte von 1a supernovas unter zuhilfenahme verschiedener messmethoden, mit den dazugehörigen fehlertoleranzen. stimmt das?
@mac: du gehst davon aus, dass sich das universum beschleunigt ausdehnt. du hast allerdings auch die schwierigkeiten beschrieben, unter denen die messungen stattfinden. wie beweiskräftig sind diese messungen? könnte es theoretisch sein, dass es doch keine beschleunigung gibt, sondern nur eine ausdehnung?
 

jonas

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Hi captain Kirk :)

Willkommen auf der Brücke ;)

Ich bin mir nicht ganz sicher, ob Du auf dem schwankenden Schiff der Astrophysik einen wichtigen Punkt der Supernova Typ 1A schon kennst, deswegen von mir dieser Einschub.

Eine Supernova Typ 1A ist eine sogenannte Standardkerze. Standardkerze deswegen, weil man von ihr mit guten Gründen annimmt, dass sie immer mit der selben Helligkeit stattfindet. Da sie auch unglaublich hell explodiert - klar, sonst wäre sie ja keine SUPER-Nova - so kann man sie auch recht weit sehen.

Wenn etwas mit einer ganz bestimmten Helligkeit abfackelt, dann kann man daraus ermitteln wie weit weg das Ereignis stattgefunden hatte. Nämlich aus der restlichen Helligkeit, die bei uns ankommt. Man misst die Helligkeit und errechnet aus ihrer Strärke die ENtfernung. Denn man weiss, wie stark die Helligkeit abnimmt, abhängig davon wie weit diese "Taschenlampe" von uns entfernt ist.

Warum ist eine Supernova vom Typ 1A nun eine Standardkerze? Nun, Sterne, die ihren Brennstoff verbraten haben, haben je nach ihrer Grösse und Masse ein bestimmtes Endstadium. Unsere Sonne zum Beispiel wird irgendwann den Wasserstoff verbraten haben und dann das produzierte Helium weiter verbrennen. Weiter wird sie es nicht schaffen. Nach dem Helium geht es bei ihr wegen fehlender Masse und fehlendem Druck und Hitze nicht mehr weiter und sie zieht sich zu einem weissen Zwerg zusammen.

Kandidaten für SN1A sind da sehr ähnlich, denn auch bei ihnen erlischt das nukleare Feuer nachdem das Helium - salopp gesagt - aufgebraucht ist. Nun sind aber SN1A Kandidaten nicht alleine. Nach gegenwärtiger Vorstellung sind sie in direkter Nachbarschaft mit anderen Sternen, also Doppel- oder sogar Mehrfachsternsysteme. Der Nachbarstern des SN1A Kandidaten wird irgendwann auch seinen Wasserstoff zu Helium verbrannt haben. Dann setzt bei ihm das Heliumbrennen ein, was ihn ungeheuer aufbläht, nämlich zu einem roten Riesen. Da der rote Riese seine Hüllen wegen des Heliumfeuers nun weit mehr in den Raum um sich treibt als zuvor, kann der begleitende SN1A Kandidat Materie von ihm abschlecken. Wissenschaftlich nennt man das akkretieren.

Der SN1A Kandidat nimmt also zusätzliche Masse auf. Diese zusätzliche Masse, die ihm mehr oder weniger kontinuierlich zugeführt wird, erhöht nun den Druck, der auf seinen Kern ausgeübt wird. Dort nähert sich der Druck dann allmählich der Grenze an, der die Materie nicht mehr imstande ist zu widerstehen, sie "möchte" sich zu einem Neutronenstern verdichten.

In dem Augenblick, in dem das passiert, setzen aber sofort - wegen Druck und Temperastur - neue Prozesse ein. Was der SN1A Kandidat zuvor wegen fehlender Masse nicht geschafft hatte, kann er jetzt plötzlich, nämlich die nächste Fusionsstufe zünden. Dies geschieht zunächst "hustend", also es kommt zu lokalen Fusionsausbrüchen. Aber zuletzt kommt es dann zum finalen Kollaps und der gesamte SN1A Kandidat zündet insgesamt die Fusion zur nächsten Elementgenaration. Dieses Ereignis geschieht schlagartig und zerreisst den Stern völlig, es ereignit sich die Super Nova ... Typ 1A.

Da die Masse dieser SN1A Kandidaten zum Zeitpunkt ihrer Explosion praktisch immer gleich ist (wegen des kritischen (quantenmechanischen) Drucks im Kern), ist auch ihre Explosionshelligkeit immer gleich. Und auch das Spektrum, also die ausgesandten Wellenlängen der Strahlung ist immer die selbe.

So kann man aufgrund der Resthelligkeit, die bei uns ankommt, die Entfernung bestimmen und aus der Rotverschiebung des Spektrums die Entfernungsgeschwindigkeit. Aus der Kombination dieser Daten sind dann Rückschlüsse über die Expansionsgeschwindigkeiten möglich und auch über deren zeitliche Verteilung.
 
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jonas

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Und weil jonas seine Antwort wenig laienfreundlich gestaltet hat: SN1a -Standardkerzen
Hatte ich das? :( genau das wollte ich eigentlich, also laienfreundlich gestalten. Wollte eben nicht einfach auf den Wiki Artikel verweisen. Nuja, muss halt noch etwas üben, vielleicht auch von Orbit und mac Didaktik lernen ;)
 

ins#1

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@jonas: ich weiß, dass es gut gemeint war. Aber deine Antwort war (imho) etwas zu viel Information. Und gerade der Abschnitt im Wiki-Artikel zu SN1a ist - so wie er ist - genau passend. Danke trotzdem, deine Beiträge lese ich echt gerne hier.

Gruß
ins#1
 

MichaMedia

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Hatte ich das? :( genau das wollte ich eigentlich, also laienfreundlich gestalten. Wollte eben nicht einfach auf den Wiki Artikel verweisen. Nuja, muss halt noch etwas üben, vielleicht auch von Orbit und mac Didaktik lernen ;)
Für den Einen Ja, für den Anderen nicht, für mich hast du das mehr und besser Beschrieben als ich es im Buche habe oder in Wiki steht, Danke.
Du bist das Mittelding, der Erklärer für Laien im fortgeschrittenem Stadium ;)
 

mac

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Hallo,

Nuja, muss halt noch etwas üben, vielleicht auch von Orbit und mac Didaktik lernen ;)
Die unterschiedliche Einschätzung zu Jonas’ Post, z.B. zwischen ins#1 und Micha, wirft ein deutliches Licht auf die ‚Probleme’ mit denen wir alle hier immer wieder ‚zu kämpfen’ haben.

Man kann hier gar nicht davon ausgehen, daß ins#1 der ‚größere Laie’ war und deshalb Jonas’ Beitrag als nicht laiengerecht einschätzt. Das Problem liegt meiner Meinung nach viel mehr darin, daß der/die Erklärende in einem solchen Forum viel zu wenig über sein Gegenüber weis.

Eine Erfahrung die wir wahrscheinlich alle aus unserer Schulzeit kennen: Der Lehrer erklärt etwas, eine ganze Schulstunde lang und nur drei aus der Klasse haben es nicht begriffen, einer fragt nach aber sie begreifen es wieder nicht, trauen sich aber nicht mehr noch mal nachzufragen. Nach der Unterrichtsstunde diskutieren sie es aber mit einigen ihrer Mitschüler und es genügen oft nur wenige Worte, um das Missverstehen aufzuklären. Die Mitschüler, die den Lernprozess gerade hinter sich gebracht haben, erkennen die in frage kommenden Hürden viel einfacher, als der Lehrer.

Und dieses ‚viel einfacher’ ist in einem solchen Forum, bei so bunt gemischten ‚Werdegängen’ nicht gegeben. Dann ist es halt oft nur Glück, wenn es einem gelingt etwas so zu erklären, daß der/die Andere es gut versteht.

Herzliche Grüße

MAC
 

Orbit

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So ist es, mac
Und darum bin ich im Verlaufe meiner Lehrertätigkeit immer mehr zum selbständigen Erarbeiten und zu Gruppenarbeit im Rahmen von Wochen-Arbeitsplänen übergegangen.
Orbit
 
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ins#1

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@mac: Du hast es ziemlich genau auf den Punkt gebracht. Und da ich der Meinung war, dass "captain kirk" bereits ungefähr weiß was eine Standardkerze und in dem Zusammenhang eine SN1a ist, jedoch eigentlich schon 2 mal explizit gefragt hatte, was für eine Diskrepanz gemeint ist, die einen Schluss auf die beschleunigte Expansion zulässt, fand ich jonas' lange Antwort leicht "verfehlt". Ich befinde mich selbst noch nicht lange im Lernprozess und kann nur von mir selbst auf andere schließen. Aber wie heißt es so schön, irren ist menschlich. Und damit ist der "Käse" gegessen und wir können uns wieder dem Thema widmen.

Ich muss hinzufügen, dass selbst mit einem konstanten Hubble-Parameter eine beschleunigte Ausdehnung anzunehmen ist. Die Hubble-Konstante ist keine Geschwindigkeit an sich, sie sagt lediglich aus, wie hoch die Geschwindigkeit der Ausdehnung zu einer bestimmten Distanz im Raum sein müsste. In so fern muss sich er Hubble-Parameter in unserem Universum (*edit*: der Faktor der Ausdehnung zu gegebener Zeit) mit der Zeit verändern.

könnte es theoretisch sein, dass es doch keine beschleunigung gibt, sondern nur eine ausdehnung?

Sagen wir, unser Universum braucht 10 Milliarden Jahre um seine Größe zu verdoppeln und der Hubble-Parameter ist (wie gemessen) mehr oder weniger konstant. Dann haben sich zwei Galaxien die heute 1 Millarde LJ voneinander entfernt sind, in 10 Milliarden Jahren 2 Milliarden LJ, in 20 Milliarden Jahren 4 Milliarden LJ [...] voneinander entfernt.
In einem (wie früher angenommen) sich verlangsamend expandierenden Universum, in dem nur Strahlung/Materie (keine DE) ist, würde die Distanz zwar stetig zunehmen, der Hubble-Parameter jedoch dabei immer mehr abnehmen. Die Sache ist konzeptionell nicht so einfach zu verstehen, wenn man von der zugrunde liegenden nicht-euklidischen Geometrie der ART/Friedmann-Modelle nichts versteht.
Warum müsste sich nun in einem mit Materie und Strahlung angefüllten Universum die Expansion verlangsamen? Das liegt daran, in welchem Maße sich die Energiedichte der Materie, der Strahlung und letztlich der Krümmung mit der Expansion verändern. Die Krümmung nimmt mit 1/Skalenfaktor^2 ab, die Energiedichte von Materie mit 1/Skalenfaktor^3 und die Strahlungsenergie verliert durch die kosmologische Rotverschiebung gar 1/Skalenfaktor^4. Daraus folgt, dass die Gravitation zwischen Massen irgendwann wieder die Oberhand über den sich schneller ausdünnenden Strahlungsdruck gewinnen müsste. Und genau das scheint nicht der Fall zu sein. Die Ausbreitung erfolgt mit konstanter Rate, trotz des sich verdünnenden Raumes. Daraus folgt beschleunigte Ausdehnung, und eben die "Dunkle Energie".

Gruß
ins#1
 
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captain kirk

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Hatte ich das? :( genau das wollte ich eigentlich, also laienfreundlich gestalten. Wollte eben nicht einfach auf den Wiki Artikel verweisen. Nuja, muss halt noch etwas üben, vielleicht auch von Orbit und mac Didaktik lernen ;)

hallo jonas! ich fand deinen beitrag ser gut und sehr verständlich. meine fragen sind beantwortet! ich wäre froh manch ein artikel auf wikipedia wäre so verständlich!

danke an alle die, die versucht haben mir die astrophysik näher zu bringen. der captain kann bald sein eignes schiff steuern:), ohne mit einer supernova zusammenzuknallen:D
 

jonas

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Zunächst einmal meinen herzlichen Dank an MichaMedia, mongvevned und captain kirk für die Anerkennung :)

@mac: Du hast absolut recht mit der Feststellung:
mac schrieb:
Das Problem liegt meiner Meinung nach viel mehr darin, daß der/die Erklärende in einem solchen Forum viel zu wenig über sein Gegenüber weis.
Dann lieber zuviel erzählt als zuwenig

Orbit schrieb:
Und darum bin ich im Verlaufe meiner Lehrertätigkeit immer mehr zum selbständigen Erarbeiten und zu Gruppenarbeit im Rahmen Wochen-Arbeitsplänen übergegangen.
Leider ist diese Methode im Rahmen eines Forums wie diesem eher schwierig durchzuführen. Das Auditorium ist zu gemischt und man kann bei dem Versuch eine Gruppenarbeit zu organisieren wohl eher dem einen oder anderen dabei auf den Schlips treten als das Thema insgesamt weiterzubringen. Die Forenteilnehmer sind ja leider keine Schulklasse mit klar einschätzbarem Wissenslevel, man kann da nur raten.

@ins#1
Dir stimme ich auch zu. Captain kirk schien nach der Art seiner Fragestellung einiges an Wissen bereits mitzubringen. Daher zweifelte ich, ob ich den Einschub wirklich schreiben soll. Aber dann dachte ich mir, was soll's ;) Schaden kann es nicht den Wiki-Absatz über SN1A mit anderen Worten nochmal hier einzubringen. Denn nicht nur der Adressat wird diesen thread lesen, sondern auch noch andere Forenteilnehmer und Gäste. Und genauso war es ja dann auch :)

Wie wichtig und richtig eine sehr detaillierte Auseinandersetzung mit dem Threadthema ist, ist mir nachhaltig >hier< im Gedächtnis geblieben. Dort ging es um die Frage, ob ein faustgrosser Brocken, der mit einem mit 10% c dahinreisenden Gererationenraumschiff kollidiert nun einfach nur durchschlägt oder aber alle Insassen brät, toastet und tötet. By the way: Dieser Beitrag ist der beste, den ich in diesem, und nicht nur in diesem, Forum das Vergnügen hatte zu lesen.

Im Leben gilt oft: Weniger ist mehr. Aber hier bin ich immer wieder froh, wenn einige wenige etwas mehr liefern :)
 
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Orbit

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Leider ist diese Methode im Rahmen eines Forums wie diesem eher schwierig durchzuführen. Das Auditorium ist zu gemischt und man kann bei dem Versuch eine Gruppenarbeit zu organisieren wohl eher dem einen oder anderen dabei auf den Schlips treten als das Thema insgesamt weiterzubringen. Die Forenteilnehmer sind ja leider keine Schulklasse mit klar einschätzbarem Wissenslevel, man kann da nur raten.

Was soll der Quatsch?
Hab ich gesagt, dass ich hier in Gruppen arbeiten will?
Hab einfach macs Annahme bestätigt, dass Schüler sich oft etwas gegenseitig besser erklären können als der Lehrer den Schülern.
 

MichaMedia

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@Orbit, ruhe im Saal, er hat dich bestätigt und nicht angezweifelt mit Absichten, wenn ich es richtig Verstehe, also das die Umsetzung hier nicht möglich ist.
Was ist los? Lieber doch ohne Zucker, zuviel Energie damit? ^^ (insider)

Gruß Micha
 

Orbit

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ins#1
Zu Deinem Beitrag vom 25.1.08:
Ich muss hinzufügen, dass selbst mit einem konstanten Hubble-Parameter eine beschleunigte Ausdehnung anzunehmen ist.
Müsste es nicht heissen
'dass selbst mit einem konstanten Hubble-Parameter eine beschleunigte Ausdehnung MÖGLICH ist'?
Das liegt daran, in welchem Maße sich die Energiedichte der Materie, der Strahlung und letztlich der Krümmung mit der Expansion verändern.
Was verstehst Du unter
Energiedichte ... der Krümmung
?
Die Krümmung nimmt mit 1/Skalenfaktor^2 ab, die Energiedichte von Materie mit 1/Skalenfaktor^3
Von welcher Krümmung sprichst Du da? Mainstream ist, dass es auf grossen Skalen (also nebst der lokalen Raumzeitkrümmung durch Sterne und Galaxien keine Krümmung gibt. Das Universum ist flach.
Aussserdem zeigt die Gravitationskonstante, dass die Materiedichte nicht mit 1/S^3, sondern mit 1/S^2 abnimmt. Mit dieser Ansicht stehe ich übrigens nicht allein, die Astrophysiker Fahr und Heyl aus Bonn sind derselben Meinung.
Ich weiss schon, dass Du Dich dabei zusammen mit der Aussage
und die Strahlungsenergie verliert durch die kosmologische Rotverschiebung gar 1/Skalenfaktor^4.
auf das dreistufige kosmologische Standardmodell abstützt, aber mich überzeugt das halt nicht. Und Dich auch nicht
Daraus folgt, dass die Gravitation zwischen Massen irgendwann wieder die Oberhand über den sich schneller ausdünnenden Strahlungsdruck gewinnen müsste. Und genau das scheint nicht der Fall zu sein. Die Ausbreitung erfolgt mit konstanter Rate, trotz des sich verdünnenden Raumes.
Deine Schlussfolgerung
Daraus folgt beschleunigte Ausdehnung, und eben die "Dunkle Energie".
ist eine Art Salto mortale: Wenn schon keine verlangsamte Expansion, dann gleich eine beschleunigte!?

Ich neige zur Auffassung, dass die Expansionsrate gar nichts zu tun hat mit Strahlung und Materie, sondern eine Konsequenz des Raumzeitkonzeptes selbst ist.

Herzliche Grüsse
Orbit
 
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