Frage zu: Kosmische Hintergrundstrahlung - warum können wir sie noch messen.

Hallo,

ich lese mich als Astrophysiklaie gerade etwas in die allgemeine Materie ein und bin jetzt mit dem Kurzkapitel CMB (kosmische Hintergrundstrahlung) durch. Dabei habe ich etwas nicht kapiert, wofür mir vielleicht jemand einen kleinen Denkanstoß geben kann.

Ein Körper, sagen wir mal ein Stern, sendet durch innere Vorgänge beständig elektromagnetische Strahlungen via Photonen aus, durch die wir Daten zu dem Körper sammeln können. Wenn ein Proton an unserer Messstation vorbeifliegt ist das nicht schlimm, es kommen ja beständig neue nach, da dies ein (relativ lange) beständiges Ereignis ist.
Die CMB jedoch ist ein Abbild des Zustandes des Momentes, als sich Materie und Strahlung trennte. Das verstehe ich so, dass die damals überzähligen, ungebundenen Photonen, die nicht mehr wechselwirkten, seit dem durchs All zischten. Das ist aber ein einmaliges Ereignis gewesen, irgendwann müssten also eigentlich alle Protonen an uns vorbeigerauscht sein und in die unendlichen Weiten verschwunden (bzw. irgendwo eingefangen werden), da es keinen Nachschub gibt. Warum können wir dann diese Strahlung noch messen? Es gibt ja eigentlich keinen Nachschub mehr. Wird man in x-Jahren (mal abgesehen von der beständigen Abkühlung) sie nicht mehr messen können, da alle Protonen vorbei sind?

Hallo,

Du hättest Recht, wenn es ein punktförmiges Ereignis gewesen wäre. Aber die Trennung fand im ganzen damaligen Universum statt.

Mit freundlichen Grüßen
pane

Zunächst mal werden hier im Eingangs-Posting Photonen und Protonen munter durcheinander gemischt.
Zum Anderen wurde die Ausdehnung des Universums nicht berücksichtigt. Die etwas weiter entfernt gestarteten Photonen haben dadurch einen räumlich und zeitlich längeren Weg zur Erde.
Je weiter der Startpunkt von der Erde weg ist, desto länger brauchen sie. Die CMB wird also auch in Milliarden Jahren noch hier ankommen.

Bernhard Kletzenbauer schrieb:

Die CMB wird also auch in Milliarden Jahren noch hier ankommen.

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Angeblich gilt das bei beschleunigter Expansion nicht auf "ewig". Da verschwindet also (angeblich) sogar der CMB irgendwann ;-) .

Hallo Skorpid,

willkommen im Forum!

Ich habe das vor einiger Zeit hier: http://www.astronews.com/forum/showthread.php?6386-Der-Urknall&p=91064#post91064
schon mal versucht anschaulich zu beschreiben.

Herzliche Grüße

MAC

@Bernhard Kletzenbauer - Ups, peinlich, Photon - Proton schreibtechnisch vertauscht, aber glücklicherweise nicht gedanklich . Kleiner Anfängerfehler aber danke für den Hinweis (falls das später nochmal wer nachliest), leider lässt sich der erste Beitrag von mir nicht mehr korrigieren.

@mac Danke für den Link, werde ich mir nachher gleich zu Gemüte führen.

Edit: Danke nochmals für den Link. Ich habe tatsächlich gedanklich vergessen die Expansion zu berücksichtigen, durch die das ganze Gerassel länger zu uns unterwegs ist. Jetzt habe ich den Status des Absolut-Laien wieder deutlich bewiesen... Expansion ist auch wieder so ein Thema, da muss ich mich aber auch noch (viel) mehr einlesen

Bernhard schrieb:

Angeblich gilt das bei beschleunigter Expansion nicht auf "ewig". Da verschwindet also (angeblich) sogar der CMB irgendwann ;-) .

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Ich habe doch nichts von "ewig" geschrieben?

Bernhard Kletzenbauer schrieb:

Ich habe doch nichts von "ewig" geschrieben?

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Hallo BK,

mir ging es um eine etwas präzisere Angabe darüber, wie lange der CMB prinzipiell noch zu messen ist. Ich habe mal einen Youtube-Clip gesehen, wo der Zufall thematisiert wurde, dass man ausgerechnet jetzt, wo es für die Menschen wichtig ist, den CMB gerade noch relativ gut messen kann. Ich bin deswegen momentan ziemlich unsicher, wie lange der CMB nun tatsächlich noch messbar sein wird. Sind es nur einige Milliarden Jahre oder sehr viele Milliarden Jahre? Ich weiß es einfach nicht.

Klar ist zumindest, dass die Wellenlänge des CMB mit der Zeit zunimmt und die Energiedichte mit der Zeit abnimmt. Der zweite Umstand wird irgendwann dazu führen, dass der CMB nur noch sehr schwer zu messen sein wird.

Anschlußfrage:

Ich habe den "Glühbirnen"-Beitrag von mac durchgelesen und dazu noch http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2014/07/14/wie-gross-ist-das-universum/ und komme jetzt zu der Schlußfolgerung: Da wir in alle Richtungen die CMB in etwa gleicher Intensivität sehen können, kann man davon ausgehen, dass wir mindesten(!) 46,6 Milliarden Lichtjahre vom Rand des Universums entfernt sind. Wäre in einer Richtung die CMB erkennbar schwächer (bzw. nicht mehr vorhanden) als in der anderen Richtung, wären wir näher am Rand.
Um das Bild aus mac's verlinktem Beitrag zu nehmen: Der damalige Raum war voller Glühbirnen, die alle gleichzeitig ausgingen. Doch dieser gefüllte Raum war damals nicht ins Unendliche gefüllt und wären wir an einer der Randseiten, würden wir von der Gegenseite zwar immer weiter rotverschobene Glühbirnen sehen aber auf der Randseite wäre irgendwann Schluß mit sichtbaren Lampen (vermutlich recht abrupt). (Jetzt noch mehr Fantasterei: Vermutlich könnten wir dann sogar die Krümmung des materiellen Universums und damit seinen Ursprungspunkt ermitteln, wenn das materielle Universum blasenförmig expandieren würde).
Das heißt für mich jetzt im Umkehrschluss: Wir wissen nicht, wo wir im materiellen Universum sind, wir wissen nur, dass wir nicht innerhalb einer ca. 46,6 Milliarden Lichtjahre breiten Randseite sind. Ist das jetzt totaler Quark oder sehe ich das richtig?

Bernhard schrieb:

Ich bin deswegen momentan ziemlich unsicher, wie lange der CMB nun tatsächlich noch messbar sein wird. Sind es nur einige Milliarden Jahre oder sehr viele Milliarden Jahre? Ich weiß es einfach nicht.

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Ich hab' das mal berechnet, und das Ergebnis war irgendwo jenseits von 100 Mrd Jahren.
Der CMB erlöscht ja nicht plötzlich, sondern wird exponentiell rotverschoben. Die Zeitkonstante liegt dafür bei ungefähr 16 Mrd. Jahren, wenn ich mich richtig erinnere.

Skorpid schrieb:

Das heißt für mich jetzt im Umkehrschluss: Wir wissen nicht, wo wir im materiellen Universum sind, wir wissen nur, dass wir nicht innerhalb einer ca. 46,6 Milliarden Lichtjahre breiten Randseite sind. Ist das jetzt totaler Quark oder sehe ich das richtig?

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Im Prinzip ja. Nur deine Annahme, dass es einen Rand gibt, ist reine Spekulation. Die Standardmodell gehen von Homogenität aus, sind also ohne Rand.

Skorpid schrieb:

Das heißt für mich jetzt im Umkehrschluss: Wir wissen nicht, wo wir im materiellen Universum sind,

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Korrekt

wir wissen nur, dass wir nicht innerhalb einer ca. 46,6 Milliarden Lichtjahre breiten Randseite sind. Ist das jetzt totaler Quark oder sehe ich das richtig?

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Das aktuelle Modell unseres Universums hat keinen physikalischen Rand. Es gibt nur einen Sichtbarkeitshorizont in 46 Mrd. Lichtjahren, wo die Rotverschiebung gegen Unendlich geht.

Ich schrieb:

Ich hab' das mal berechnet, und das Ergebnis war irgendwo jenseits von 100 Mrd Jahren.

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Interessant. Welche Messgrenzen verwendet man da? Bestimmt da eher die Photonendichte den "Cutoff" oder ist es eher die Frequenz des CMB?

Hallo Bernhard,

Bernhard schrieb:

Es gibt nur einen Sichtbarkeitshorizont in 46 Mrd. Lichtjahren, wo die Rotverschiebung gegen Unendlich geht.

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der light cone ist nicht der event horizon. Erst am Event-Horizon geht die Wellenlänge/Rotverschiebung gegen unendlich. http://arxiv.org/pdf/astro-ph/0310808.pdf

Es mag theoretisch auch einige Photonen geben, die noch mehr rotverschoben sind als die des CMB und die es zu uns schaffen, aber der Löwenanteil der Hintergrundstrahlung hat ein z von grob 1100 hinter sich und die vorher emittierten Photonen sind schon/noch (je nach zeitlicher Blickrichtung) im zu heißen und dichten Gas des damaligen Universums ‚stecken‘ geblieben.

Herzliche Grüße

MAC

mac schrieb:

der light cone ist nicht der event horizon. Erst am Event-Horizon geht die Wellenlänge/Rotverschiebung gegen unendlich. http://arxiv.org/pdf/astro-ph/0310808.pdf

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Hi MAC,

genau so war es gemeint. Mag sein, dass die Wortwahl etwas unglücklich gewählt war (?), aber ich suche prinzipiell ganz gerne bei "typisch" englischen Begriffen nach passenden deutschen Wörtern.

Vielen Dank wie immer für die fundierte Erläuterung. Die Ameise auf dem Gummiband hat inzwischen auch bei mir einen festen Platz in der Sammlung der Veranschaulichungen gefunden .

Bernhard schrieb:

Interessant. Welche Messgrenzen verwendet man da? Bestimmt da eher die Photonendichte den "Cutoff" oder ist es eher die Frequenz des CMB?

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Das hab' ich nur grob geschätzt, weiß es nicht mehr. Hatte auch keinen wissenschaftlichen Anspruch. Die Intensität des Signals geht quadratisch mit der Rotverschiebung, das wird irgendwann beliebig klein.

Hallo Bernhard,

der Anlass für meinen Post war nicht das deutsche Wort, sondern Deine Zuordnung der 46e9 Lichtjahre zur Rotverschiebung gegen Unendlich.

Ich würde Dir das normalerweise so gar nicht schreiben, weil ich weiß daß Du Dich in diesem Bereich wirklich gut auskennst, aber ich erinnere mich noch genau wie schwierig für mich das Aufdröseln der einzelnen Begriffe war und wie sehr das erschwert war, einfach weil irgendwo mal diese und mal jene Grenze genannt wurden, mal deutsch mal englische Namen und ich völlig verunsichert war, ob ich es wirklich verstanden habe oder nicht.

Der Artikel von Davis und Lineweaver war dabei eine echte Hilfe, aber ganz besonders das Gummibandmodell, mit dem sogar die richtigen Werte heraus kamen. Erst da war ich mir einigermaßen sicher, daß ich zumindest das Prinzip verstanden hatte.

Herzliche Grüße

MAC

mac schrieb:

Hallo Bernhard,

der Anlass für meinen Post war nicht das deutsche Wort, sondern Deine Zuordnung der 46e9 Lichtjahre zur Rotverschiebung gegen Unendlich.

Ich würde Dir das normalerweise so gar nicht schreiben, weil ich weiß daß Du Dich in diesem Bereich wirklich gut auskennst, aber ich erinnere mich noch genau wie schwierig für mich das Aufdröseln der einzelnen Begriffe war und wie sehr das erschwert war, einfach weil irgendwo mal diese und mal jene Grenze genannt wurden, mal deutsch mal englische Namen und ich völlig verunsichert war, ob ich es wirklich verstanden habe oder nicht.

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Hallo MAC,

die Photonen des CMB, die wir heute empfangen, stammt von einem Ort, der heute von der Erde 45,6 Giga light years (Gly, Zahlenwert mit Hilfe von Ned Wrights cosmology calculator berechnet) entfernt ist. Noch ältere Signale kann man, soviel ich weiß, nur in Form von Gravitationswellen empfangen. Die zugehörige comoving distance vergrößert sich damit dann auf etwas mehr als 46 Gly. Dieser Grenzwert, an dem die Rotverschiebung mathematisch gesehen nach Unendlich geht, wird bei T. Fließbach auch "Welthorizont" genannt.

Zusätzlich gibt es eine maximale, aktuelle Entfernung (laut deutscher Wikipedia liegt die bei 16,2 Gly, allerdings ohne Belege) von Ereignissen, von denen wir in beliebig ferner Zukunft prinzipiell etwas erfahren können. Ich weiß momentan nicht so recht, wie man diese Grenze auf deutsch nennen sollte.

Hallo Bernhard,

Bernhard schrieb:

die Photonen des CMB, die wir heute empfangen, stammt von einem Ort, der heute von der Erde 45,6 Giga light years (Gly, Zahlenwert mit Hilfe von Ned Wrights cosmology calculator berechnet) entfernt ist.

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hab‘ ich nicht nachgerechnet, stimme aber zu.

Bernhard schrieb:

Noch ältere Signale kann man, soviel ich weiß, nur in Form von Gravitationswellen empfangen. Die zugehörige comoving distance vergrößert sich damit dann auf etwas mehr als 46 Gly.

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gleiche Antwort wie oben.

Bernhard schrieb:

Dieser Grenzwert, an dem die Rotverschiebung mathematisch gesehen nach Unendlich geht, wird bei T. Fließbach auch "Welthorizont" genannt.

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Bezogen auf ‚Welthorizont‘ den ich mit Event-Horizon übersetzt verstehe, ist das mit der unendlichen Rotverschiebung genau so wie ich es auch meine verstanden zu haben.

Aber!

Dieser Grenzwert von 46E9 Lichtjahren ist nicht der Welthorizont, sondern der Lichthorizont oder wie er bei Davis und Lineweaver genannt wird, der Light cone und der ist (bisher) nicht unendlich ins rote verschoben. Nach dem nächsten Absatz mehr dazu.

Bernhard schrieb:

Zusätzlich gibt es eine maximale, aktuelle Entfernung (laut deutscher Wikipedia liegt die bei 16,2 Gly, allerdings ohne Belege) von Ereignissen, von denen wir in beliebig ferner Zukunft prinzipiell etwas erfahren können. Ich weiß momentan nicht so recht, wie man diese Grenze auf deutsch nennen sollte.

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Wenn man ihn aus dem Paper von Davis und Lineweaver wörtlich übersetzt, ist es der Ereignishorizont und wie ich es meine verstanden zu haben der Welthorizont.



Ich hab‘ das Ganze also so verstanden:
Die unendliche kosmologische Rotverschiebung gibt es aktuell bei den Signalen die uns heute erreichen (egal ob Licht oder die messtechnisch noch ausstehenden Gravitationswellen) noch gar nicht. (also auch ein z von 1E70 oder mehr ist noch keine unendliche Rotverschiebung (=heutiges Universum/Plancklänge)) auch wenn es defakto heute garantiert nicht messbar wäre - was aber kein grundsätzliches, sondern nur ein technisches Problem ist.

Erst die beschleunigte Expansion sorgt für eine solche wirklich absolute Grenze. Für das Licht welches zum Zeitpunkt des durchsichtigwerdens ausgesandt wurde, liegt diese Grenze heute bei etwa 62E9 Lichtjahren. Licht von dort ist schon seit 13E9 Jahren unterwegs zu uns, aber noch sehr weit weg, nämlich heute die von Dir schon erwähnten gut 16E9 Lichtjahre. Bis das hier ‚ankommt‘, ist unendlich viel Zeit vergangen und es ist dann unendlich ins rote verschoben.

Bei Davis und Lineweaver sind diese heutigen gut 16E9 Lichtjahre der Schnittpunkt zwischen Event-Horizon und now. Ebenso wie heute ausgesandtes Licht aus dieser Entfernung uns auch (immer theoretisch) nur noch gerade eben, gemeinsam mit dem Licht vom heute 62E9 Lichtjahre entfernten CMB erreichen wird - in unendlicher Zukunft. Licht welches heute in einer heutigen Entfernung von 17E9 Lichtjahren ausgesandt wird, oder damals in einer heutigen Entfernung von z.B. 70E9 Lichtjahren, wird uns dagegen niemals erreichen (gilt natürlich alles nur, wenn sich das Universum auch in Zukunft so verhält, wie wir es heute beobachten können)

Wenn Du die Rotverschiebung (im Text z=1,8) aus dem Diagramm bei Davis und Lineweaver am Schnittpunkt von Event-Horizon und now im Calculator von Ned Wright einsetzt, dann erhältst Du die von Dir schon genannten gut 16E9 Lichtjahre.

Herzliche Grüße

MAC

Hallo Bernhard,

gerade ist meine Beitragsänderungsfrist abgelaufen, deshalb ein neuer Post

Die Formulierng

'Ebenso wie heute ausgesandtes Licht aus dieser Entfernung uns auch (immer theoretisch) nur noch gerade eben, gemeinsam mit dem Licht vom heute 62E9 Lichtjahre entfernten CMB erreichen wird'

erscheint mir heute nicht wasserdicht genug, deshalb möchte ich sie so

'Ebenso wie heute ausgesandtes Licht aus dieser Entfernung uns auch (immer theoretisch) nur noch gerade eben, gemeinsam mit dem damals ausgesandten Licht vom heute 62E9 Lichtjahre entfernten CMB erreichen wird'

ergänzen.

Herzliche Grüße

MAC

Noch eine Laienfrage:

Ich bin jetzt mit dem Grobüberblick CMB durch und habe dennoch eine (für Experten sicher lachhafte) Frage: Kann die CMB nicht eine alternative Quelle als den Urknall haben?

Damit meine ich nicht eine zu früh geöffnete Mikrowellentür sondern ganz vereinfacht gesagt, könnten nicht sehr weit weg (eben in dieser Entfernung wo die CMB herkommt) kosmische Objekte (schwarze Löcher, Pulsare, Quasare, Dunkle Materie schwarze Löcher, bisher unbekannte Strukturen die im materiell viel kompakteren Universum entstanden und heute im abgekühlten Universum längst verschwunden sind) rumsausen, die hochenergetische elektromagnetische Wellen ausgesendet haben, die aber aufgrund der Entfernung rotverschoben wurde und durch Zusammenprall/Ablenkung/Beeinflussung mit anderen Teilchen auf der weiten und langen Strecke so homogen gestreut werden, dass sie nicht mehr einem Objekt zugeordnet werden können sondern sich mit den Wellen der anderen Objekte vermischen? Da wir ja auf einem minimalen Ausschnitt des CMB-Bildes aufgrund der Entfernung eigentlich einen riesigen Bereich sehen, könnte es dort doch genug Objekte geben, die ein solches Bild ergeben könnten und der eigentliche CMB liegt noch dahinter und ist noch viel kälter? Nicht falsch verstehen, die "normale" abgekoppelte Entstehungsgeschichte des CMB leuchtet mir schon ein, aber gibt es eine mögliche Alternative?