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Dunkle Materie - Referat
Materien im Universum
Vielleicht sollte man damit starten was Materien überhaupt sind. Wie definiert man Materie? In der Physik steht der Begriff Materie für eine Sammelbezeichnung, woraus physikalische Körper aufgebaut sein könnten. Bspw. Chemische Stoffe und deren Bausteinen. Ein physikalischer Körper ist im Grunde einfach etwas das Raum und Masse einnimmt.
(Auf die Skizze zeigen)
Es gibt im Universum nur drei uns bekannte Materien aus denen das Universum besteht. (Auf die Skizze eingehen) Wir fangen mal an mit der Dunklen Energie. (Dunkle Energie Folie) Über diese Materie ist noch extrem viel unerforscht und auch allgemein aus was sie besteht oder wie sie aussieht ist uns noch unklar.
Dunkle Energie
Das Universum besteht zu ca. 75% aus Dunkler Energie. Ein Phänomen das wir weder wahrnehmen, messen oder irgendwie nachweisen können. Der Weltberühmte Physiker Albert Einstein hat mit einer ganz bestimmten Theorie unser Verständnis von Raum und Zeit revolutioniert. Die Rede ist natürlich von der Relativitätstheorie. Aber auch er hat Fehler gemacht. Seine Formeln beschreiben ein Universum das entweder schrumpft oder sich ausdehnen muss. Damals dachte man aber das sich das Universum nicht verändern würde und immer gleich groß ist. Um seine Formeln an diese Meinung anzupassen benutzte Einstein einen Trick. Er fügte die Kosmologische Konstante ein. Dadurch blieb das Universum in Einsteins Formeln immer gleich groß. 1929 beobachtete Edwin Hubble benachbarte Galaxien. Und dabei stellte er etwas entscheidendes Fest. Das Licht was er beobachten konnte wurde immer rötlicher. Solch eine Rotverschiebung tritt immer dann auf, wenn sich eine Lichtquelle von uns entfernt. Dabei werden die Wellen des Lichts ausgedehnt und in die Länge gezogen (Einheit). (Krankenwagen Beispiel). Hubble stellte also fest das sich alle Galaxien weg von uns bewegen egal wo wir hingucken. Alles hatte den Anschein vor uns zu fliehen. Sind wir also der Mittelpunkt des Universums? Nein das ist Natürlich nicht so. Der Raum also das Universum selber dehnt sich immer weiter aus. Alles entfernt sich von allem. Das hat Einstein natürlich geschockt er hatte von Anfang an Recht gehabt hätte er nur seinen Rechnungen und Formeln vertraut. Er strich daraufhin die Kosmologische Konstante. Doch das könnte damals ein wenig voreilig gewesen sein. Das was man heute weiß und damals noch nicht ist das sich das Universum immer schneller ausdehnt. Lange Zeit dachte man das, dass Universum seit dem Urknall expandiert. Die Gravitation der Materie aber dafür sorgen würde das zu verlangsamen und schließlich umzukehren. Dann würde sich alles wieder zu einem Punkt verdichten und es würde einen erneuten Urknall geben. 1998 wollten zwei Forscher Gruppen unabhängig voneinander berechnen, ob sich diese Expansion schon verlangsamt und wenn ja wie stark eigentlich genau. Dazu nutzen sie Supernovae (suupernoowee) den Tod eines Sterns. Forscher beobachteten dann eine solche Supernovae (suupernoowee) von einem Typ 1a dieses Explodieren nämlich immer gleich stark. Wie hell eine solche Explosion dann im Endeffekt ist hat etwas mit der entfernen zu tun. Irgendwas stimmt da aber nicht. Die Forscher dachten zuerst Sie hätten sich verrechnet aber das war nicht so. Die Explosion war Röter als erwartet das heißt der Stern war weiter weg als berechnet. Das hieß natürlich das Universum expandiert nicht langsamer, sondern schneller. Die Kosmologische Konstanze vom Anfang wurde dann wieder in seine Formel eingefügt aber nicht um zu sagen das, dass Universum konstant ist, sondern um zu sagen das es sich ausdehnt. Aber heute sagen wir nicht mehr Kosmologische Konstanze, sondern Dunkle Energie. Der Name bedeutet nicht das etwas Dunkel ist, sondern ist eher eine Metapher dafür das wir im „Dunkeln tappen“ genauso verhält es sich mit der Namensgebung von Dunkler Materie.
Dunkle Materie
Die Dunkle Materie ist uns ebenfalls ein sehr fremdes Phänomen. Die Dunkle Materie kann man nicht wirklich sehen. Sie hat zwar eine sehr große Masse aber trotzdem ist sie unsichtbar. Es wird angenommen, dass sie verschiedene Formen annehmen kann. So soll sie in Form von bspw. Kaltem Gas oder Kalter Staubwolke auftreten. Da heiße Gase immer Strahlung emittieren, bleibt als erste Möglichkeit für Dunkle Materie nur kaltes Gas übrig. Allerdings spricht gegen die Hypothese der Fakt, dass sich kaltes Gas unter bestimmten Umständen durchaus erwärmen kann und selbst riesige Gasmengen nicht die benötigte Masse aufbringen könnten. Allerdings ist so wenig bekannt, dass man diese Form nicht ohne weiteres ausschließen kann. In der Form einer Kalten Staubwolke würde dafür sprechen, dass wegen der niedrigen Temperatur nicht strahlen würden und deshalb unsichtbar wäre. Allerdings würden sie das Licht von Sternen remittieren und somit im Infrarotbereich sichtbar sein. Außerdem wären so große Mengen an Staub nötig, dass sie die Bewegung von Sterne maßgeblich beeinflusst hätten.
„Normale“ Materie
Es besteht alles was wir sehen können aus der uns „Normalen“ Materie. Unser Planet, unsere Galaxie und auch das gesamte Universum. Es gibt verschiedene Theorien, wann denn die uns bekannte Materie entstanden ist. Es gibt Physiker die sich sicher sind, dass sie vor dem Urknall schon existent war aber wiederum andere die sagen, dass kann gar nicht sein und sie ist ein Produkt des Urknalls. Egal wie man es dreht oder schiebt was wir wissen ist das sie nur Lächerliche 5% der gesamte Kosmos einnimmt. Wie und Wann sie Endstand ist vermutlich nie zu 100% gelöst werden. Aber die Theorie, die in der Physik am häufigsten vertreten ist, ist die, dass sich die Materie zusammen mit dem Urknall gebildet hat. Also kam es bei Entstehung von Raum und Zeit auch zur entstehen der Materie. Name erklären
Relativitätstheorie
Die Relativitätstheorie ist uns doch im groben bekannt. Zeit und Raum ist Relativ. Stimmts. So hat es Albert Einstein auch damals gesagt. Man teilt sie auch in zwei Arten. Die Spezielle und Allgemeine Relativitätstheorie. Wir brauchen die Spezielle als auch die allgemeine- Relativitätstheorie heute.
Spezielle Relativitätstheorie
Aber in was für einem Zusammenhang steht den die Dunkle Materie und die Relativitätstheorie Einsteins? Um das zu verstehen muss man erst die Relativitätstheorie verstehen. Man unterteilt grundsätzlich in Spezielle- und Allgemeine Relativitätstheorie. Bei der Speziellen-Relativitätstheorie von 1905 geht es vor allem um die Bewegung von Körpern, Feldern und Zeit. Man kann sich das mit der Relativität so vorstellen, wenn wir im Zug sitzen bewegt sich die Landschaft an unserem Fenster vorbei. Wenn wir aber nicht im Zug wären, sondern ihn von außen nur betrachten würde der Zug an uns vorbeifahren. Beide Ansichten davon sind absolut richtig. Einmal bewegt sich nämlich der Zug und einmal die Landschaft. Bewegung ist relativ zueinander. Und wenn wir überholt werden von einem anderen Zug der bspw. 300km/h schnell ist und man selber nur 250km/h schnell, erscheint der andere Zug langsamer als er wirklich ist. Wie schnell sich etwas bewegt liegt also im Auge des Betrachters. Und das geht nicht nur für Zuge, sondern nach der Relativitätstheorie für alles im Universum. Die Welt, das Sonnensystem, eine Galaxie und auch das Universum selber funktionierten danach. Alles bewegt sich relativ zueinander. „Ok so weit so gut“. Richtig interessant wird es erst wenn man Licht dazu gibt, weil licht immer gleich schnell ist nämlich ca. 300.000 Km/h. Dann ist ja ebene nicht Relativ, wenn es immer gleich schnell ist.
Licht Uhr
Die Licht Uhr. Also was macht eine Licht Uhr eigentlich genau? Dabei wird von dem grundlegenden Postulat der speziellen Relativitätstheorie ausgegangen, ein Postulat ist eine Art Grundsatz, dass die Geschwindigkeit im Universum in allen Inertialsystemen stets gleich groß und unabhängig vom Bewegungszustand der Lichtquelle ist. Ein Inertialsystem ist ein System bei dem sich jeder kraftfreie Körper nur Relativ bewegt und in Ruhe verharrt auf einer gleichen Linie. Als Beispiel ist ein solches System unser Sonnensystem und wir bewegen uns auf einer solchen gleichen Linie „Die Umlaufbahn“. Vereinfacht bedeutet das mithilfe der Licht Uhr kann Zeit im Universum gemessen werden. Wenn es sich bewegt hat es den Anschein das, dass Licht eine längere Strecke zurücklegt. Dabei muss man berücksichtigen, dass die Geschwindigkeit V gleich zurückgelegte Strecke S durch Zeit t ist also müsste sich entweder die Geschwindigkeit oder die Zeit verändern, wenn die Strecke Länger wird. Geschwindigkeit kann es nicht sein, weil Licht immer dieselbe Geschwindigkeit von 300.000km/h hat. Das bedeutet die Zeit muss sich verändern. Sie läuft langsamer ab, wenn sich das Objekt in der die Licht Uhr steht bewegt. Je schneller wir werden desto langsamer wird sie. Wenn etwas komplett still stehen würde gäbe es keinen Zeitunterschied. Da aber alles sich Relativ zueinander bewegt gibt es dieses Stillstehen nicht. Als vergleich Eine Licht Uhr mit 30cm Länge hat einen Zeittakt von einer Nanosekunde.
Allgemeine Relativitätstheorie
Albert Einstein hatte ja schon die Spezielle Relativitätstheorie veröffentlicht. Die beschreibt, wie sich Dinge in Inertialsystemen verhalten. Wie das Bewegte Uhren langsamer gehen durch Zeitdilation. Die Zeitdilatation ist ein Effekt, der durch die Relativitätstheorie beschrieben wird. Sie bewirkt, dass alle inneren Prozesse eines physikalischen Systems relativ zum Beobachter langsamer ablaufen, wenn sich dieses System relativ zum Beobachter bewegt. Diese Systeme Rotieren und beschleunigen nicht. Albert Einstein wollte allerdings auch beschreiben wie es ist, wenn sich die Systeme beschleunigen und rotieren. Das hat er auch mathematisch geschafft. Aber weil das so extrem kompliziert war, schafften es nur wenige das zu verstehen. Jetzt kommt Hermann Minkowski in Spiel. Er hat die allgemeine Relativitätstheorie geometrisch beschrieben. Um das zu tun, hat er die Raumzeit entworfen , die Gravitation, eine beschleunigte Kraft mit der Zeit verknüpft. In der Raumzeit hat Einstein den 3-Dimensionalen Raum mit einer 4vierten. Dimension also der Zeit verknüpft. Die Raumzeit fungiert als Geometrische Form.
4.-Dimensionen
Die 4.- Dimensionen wurden so beschrieben, dass es erstmal die ganz normalen 3-Dimensionen gibt also nach vorne zur Seite und nach oben. Dann kam aber eine neue Dimension dazu die vierte Raumzeit. Hermann Minkowski stellte sie als Netzt so eine Art Gitter dar. Dieses Gitter lässt sich allerdings auch krümmen.
In der 4. Dimension krümmen Massige Körper die Raumzeit. Wenn sie die Raumzeit krümmen also das Gitter wird auch die Zeit damit gekrümmt und verläuft da langsamer. Das bedeutet sagen wir Astronauten befinden sich auf einen Planeten der die 50x-Fache Masse der Erde hat, würde dort die Zeit 50x Fach langsamer vergehen laut Einstein. Das hat er mithilfe der Zeitdilatation und Mathematik berechnen können.
Schwarze Löcher
Schwarze Löcher haben bekanntlich eine sehr große Masse die bekanntlich ja aus Materie besteht, die alles in sich zieht, sogar Licht. Genau deswegen ist ein Schwarzes Loch unendlich und in einer Trichterform. Dort wo es enger wird ist einfach keine Raum Zeit mehr vorhanden. Wenn man die Gravitation berücksichtigt die, die Raumzeitkrümmung möglich macht. Wenn Licht an einem solchen Schwarzem Loch wandert würde es nicht, wie in einer Linie grade ausfliegen. Es würde sich ebenfalls kramen aufgrund der großen Masse des Lochs. Also wenn Licht die Raumzeitdelle durchquert krümmt sich der Strahl auch und nimmt eine kurze geschwungene Bahn ein. Es wird umgelenkt. Durch diese Lenkung entstehen Gravitationslinsen.
Gravitationslinsen
Sagen wir es würde ein Stern von einem schwarzen Loche verdeckt werden. Dann könnten wir nicht direkt das Licht des verdeckten Sterns sehen. Durch die Ablenkung des Lichts die durch die beiden weißen Streifen dargestellt werden wirkt das Licht wie eine Sammellinse. Eine Sammellinse ist insbesondere für die Anwendung im Wellenlängenbereich benutzt. Und das Licht wird um das Loch geleitet. Hier ebenfalls die weißen Streifen.
Ursprung Dunkler Materie
Der Ursprung von Dunkler Materie? Wo kommt sie her? Wer hat sie erschaffen? Das ist eine der zentralen Fragen der Physik. Es gibt die Theorie das Dunkle Materie schon vor dem Urknall existent war. Andere Theorien sagen, dass sie mit dem Urknall erschaffen wurde. Was man mit 100%er Sicherheit sagen kann ist, dass es uns völlig unklar ist woher sie kommt. Allerdings ist es sehr wahrscheinlich das sie aus einem der beiden Szenarien stammt. Dieser Bereich der Wissenschaft ist bis jetzt extrem unerforscht. Wir wissen nur was sie macht und nicht mal aus was sie besteht. Wir kennen nur die Auswirkungen Dunkler Materie
Erste Entdeckung Dunkler Materie
Die Griechischen Naturphilosophen die sogenannten „Physiker“ haben sich gefragt wie denn überhaupt etwas entstehen kann. Das war vor 2500 Jahren. In den 1930er Jahren gab es schon die ersten Hinweise auf Dunkle Energie. Der Schweizer Astronom beobachtete schon damals die Bewegung von Galaxien im Coma-Galaxienhaufen. Diese Haufen waren zu schnell als dass sie mit der normalen Materie (Sterne, Gas und Staub) sie mit ihrer Gravitation halten hätten können. Die einzig logische Annahme war, dann das es eine andere als die Sichtbare Materie geben muss. Diese Materie muss eine zusätzliche Hilfe geben damit die Galaxien einen besseren Zusammenhalt haben und nicht aus ihrer Umlaufbahn fliegen. Woraus besteht also diese Materie die sich nur durch Gravitation zeigt? Diese Beobachtung aus den 1930er Jahren geriet langsam wieder in Vergessenheit. 1970er wurden dann weitere Untersuchungen gemacht und es wurde herausgefunden das Spiralen förmige Galaxien, wie unsere Milchstraße von der Fliehkraft zerrissen werden würden, wenn es nicht die Dunkle Materie geben würde. Vergleichende Beobachtungen des Gravitationslinseneffekts, der Galaxienverteilung und der Röntgenemission im Bullet-Cluster im Jahr 2006 stellen den bislang stärksten Hinweis auf die Existenz Dunkler Materie dar.
Kosmologisches Standartmodell
Wo ist die Dunkle Materie jetzt? Die Dunkle Materie wie oben schon gesagt ist eine Hilfe dafür das Sterne, Planeten etc. zusammengehalten werden. Die Dunkle Materie hat eine Enorme Masse und aufgrund dieser hat sie auch eine Gravitation mit der sie verhindert das Galaxien aufgrund der Fliehkraft zerstört werden. So nimmt man es heute immer noch an. Und auf die Frage wo die Dunkle Materie ist, Sie ist überall im Universum. Ein Viertel des Universums besteht ja aus Dunkler Materie. Wir können sie nicht sehen aber wir wissen, dass sie da ist ohne sie könnte das Universum in dieser Form gar nicht weiter bestehen geschweige von Galaxien oder das Sonnensystem wie das unsere.
Die Kosmologie beschäftigt sich mit dem derzeitigen Aufbau und der zeitlichen Entwicklung, also der Geschichte des Universums.
Das sogenannte Standardmodell der Kosmologie ist die anerkannteste Theorie über die Entwicklung des Universums und geht von einem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren aus.
Der Begriff Kosmologie
Die Kosmologie beschäftigt sich mit dem Ursprung und der Entwicklung des Universums als Ganzem. Sie ist ein Teilgebiet der Astrophysik und ihr Name leitet sich aus dem griechischen kosmologia der Lehre von der Welt her.
Die Kosmologie versucht, das Universum mittels physikalischer Gesetzmäßigkeiten zu beschreiben. Dabei kann zwischen zwei verschiedenen Aspekten unterschieden werden.
Das Standardmodell der Kosmologie ist die heute anerkannteste kosmologische Theorie über die Entwicklung des Universums. Das Standardmodell beschreibt viele beobachtete Phänomene und gründet sich im Wesentlichen auf zwei Theorien: Einerseits dem Standardmodell der Teilchenphysik, also einem Gebiet, dass sich mit den Kräften und Wechselwirkungen von Atomen, Atomkernen und anderen Elementarteilchen befasst und andererseits der allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein. Weiter geht es von der Universalität der Naturgesetze aus. Es setzt also voraus, dass die auf der Erde bzw. von der Erde aus bestimmten Naturgesetzen überall im Universum gelten. Ebenso legt das Modell das sog. kosmologische Prinzip zugrunde: Das Weltall ist auf große Distanzen homogen - es stellt sich also für einen Beobachter immer gleich dar, egal an welchem Punkt im Universum er sich befindet, und das Universum ist isotrop - es stellt sich für einen Beobachter unabhängig von seiner Beobachtungsrichtung immer gleich dar. Das kosmologische Prinzip gilt natürlich nur für sehr große Distanzen. Der ungleichmäßig verteilte Sternenhimmel zeigt anschaulich, dass das Prinzip auf kurze Distanzen nicht gilt.
Homogen heißt aber nicht, dass die Materie gleichmäßig verteilt ist. Die Galaxien sind entlang eines kosmischen Netzwerks von Filamenten aufgereiht, an deren Verbindungen große Galaxienhaufen zu finden sind. In den Zwischenräumen befinden sich Leerräume, in denen sich fast ausschließlich dünn verteiltes, heißes Gas befindet.
Also geht das Standardmodell davon aus, dass vor etwa 13,8 Milliarden Jahren der sog. Urknall stattfand. Von diesem Ausgehend entwickelte sich das Universum fortlaufend bis zu seiner derzeitigen Form.
Indizien für Dunkle Materie
Wirkliche Beweise für die Existenz sind nicht vorhanden. Es gib allerdings sehr viele Indizien dafür. (skizze)
Indizien gegen Dunkle Materie
Wenn es Leute gibt die dafür sind gibt es auch recht wahrscheinlich, welche die dagegen sind. So ist es auch hier. Es gibt verschiedene Theorien (nichts bestätigtes) ob Dunkle Materie denn wirklich existiert. Weitere Indizien sind das es unklar ist woraus sie bestehen, man hat nicht mal mögliche Kandidaten. Was noch dazu kommt ist, dass alle bis jetzt vom Menschen untersuchten Galaxien nicht dem kosmologischem Standartmodell entsprechen. Denn laut Standartmodell sollten es X-Zwerggalaxien verstreut um jede andere Galaxie kugelförmig. Das tun sie allerdings nicht, erstmal sind es nicht X-Zwerggalaxien, sondern viele weniger und sie sind nicht verstreut, sondern sie liegen auch in einer Ebene. Sie verhalten sich so ähnlich wie die Planeten in unserem Sonnensystem, wenn die Planeten die Zwerggalaxien darstellen und unsere Sonne eine normale Galaxie ist. Nach dieser Erkenntnis wurde eine weitere Galaxie Centaurus B von Oliver Müller, Marcel Pawlowski, Helmut Jerjen und Federico Lelli untersucht. Dabei kam auch heraus, dass diese dem Standartmodell widerspricht. Die Zwerggalaxien sind hier ebenfalls wieder viel zu geordnet als es nach dem Kosmischen Standartmodell sein könnte. Es ist zwar nicht vollkommen bewiesen das, dass Standartmodell falsch ist allerdings sieht es sehr danach aus. Wenn diese Theorie wirklich bewiesen ist bedeutet das eine erneute Reform des Gravitationsgesetzes. Ich zitiere Marcel Pawlowski“ Wir erleben ein Physikalisches Erdbeben“ so Dr. Pawlowski. Aber falls das wirklich so ist und es keine Dunkle Materie gibt muss es trotzdem irgendwas geben das so eine gewaltige Masse hat Galaxien zusammenzuhalten.
Quiz
1.Wie heißt unsere Galaxie? Milchstraße
2.Wer hat die Relativitätstheorie veröffentlich? Albert Einstein
3.Es gibt die spezielle- und … Relativitätstheorie. Allgemeine
4.Massige Körper … die Raumzeit. Krümmen
5.Dunkle Materie zeigt sich nur in…? Gravitation
6.Es ist berechnet das Galaxien an den äußeren stellen … sind? Langsamer
7. Es gibt … eindeutigen Beweise für Dunkle Materie. keine
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