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XXXVII. de Sitter Kosmos
?Porträt (bearbeitet)
Fundstelle


In einigen Diskussionen mit Albert Einstein kam Willem de Sitter zu der Überzeugung, dass der Energie-Impuls-Tensor keinen Einfluss auf die Struktur des Weltalls hat. Um ein Modell des Weltalls zu entwickeln, strich er diesen Tensor aus den Feldgleichungen und auch den Ricci Skalar, da dessen Funktion zur Anpassung zwischen Ricci Tensor und Energie-Impuls-Tensor nicht mehr notwendig war. Weil zunächst offen bleibt, ob die Kosmologische Konstante Λ positiv oder negativ ist, kann das Vorzeichen fon Λ beliebig gewählt werden.

1917 bestimmte de Sitter sein Model des Weltalls aus den abgeänderten Feldgleichungen ?
In Analogie zum Linienelement von Schwarzschild setzt man
(1)


(2)


Im sfärischen Koordinatensystem ist die Rechnung weniger umständlich als in den Systemen, die Schwarzschild in seiner bahnbrechenden Arbeit benutzte.

Aus dem Ansatz (2) folgt



Die Christoffelsymbole Γμνα und Γμαα sind




Mit Γ001 und Γ100 wird R00 berechnet



R00 wird mit Λ⋅g00 gleichgesetzt.

Die einfache Differenzialgleichung für f(r) hat die allgemeine Lösung Das Ergebnis lässt verschiedene de-Sitter-Welten zu.

Eine spezielle Lösung mit a=0, b=1 und positivem Λ=1/R2 ist

Wenn Λ auch in den Gleichungen (1) durch 1/R2 ersetzt wird, führen die Feldgleichungen zum selben Linienelement.
(7)



(8)



Für r=R ist das Linienelement singulär, es gibt aus dem Innenraum mit r<R keine Geodäte hinaus. Diese de-Sitter-Welt hat einen kosmologischen Horizont wie das Innere eines Schwarzen Lochs, aus dem ebenfalls nichts, weder Masse noch Energie den Ereignishorizont nach außerhalb durchdringen kann.

Ein (stellares) Schwarzes Loch entsteht, wenn ein sehr massereicher Stern, in dessen Zentrum die letzte mögliche Kernfusion erloschen ist, in einer Supernova explodiert und dabei ein Sternenrest im Zentrum übrig bleibt, der noch mehr als zweieinhalb Snnenmassen (m0=5·1030kg) besitzt. Dieser Reststern kollabiert dann zu einem Schwarzen Loch. Ein Schwarzes Loch mit weniger Masse als m0 kann so nicht entstehen.

Die bei einer Kernkollaps-Supernova ablaufenden physikalischen Vorgänge sind theoretisch gut durchgerechnet und die Ergebnisse der Rechnungen stimmen mit entsprechenden Beobachtungen etwa bei der Supernova SN1987A überein. Weil in den Rechnungen Dunkle Materie und Dunkle Energie in keiner Weise berüksichtigt werden, gilt das auch hier für die folgenden Überlegungen.

Glaubt (!!) man den theoretischen Modellen, dann verschwindet alle Masse eines Schwarzen Lochs in einer punkförmigen (Schwarzschild Metrik) oder in einer ringförmigen (Kerr Metrik) Singularität. Da beide Singularitäten kein Volumen haben, ist die Massendichte dort unendlich. Angesichts eines so unphysikalischen Ergebnisses kann man bezweifeln, ob die Theorie auf das Innere eines Schwarzen Lochs anwendbar ist.

Die de Sitter Welt hat wie jedes Schwarze Loch die Form einer Kugel, ihr Radius R ist der Schwarzschild Radius eines Schwarzen Lochs. Daraus folgen die Gleichungen für die Masse M, das Volumen V und die mittlere Massendichte ρ.
Damit sind die Masse M und die mittlere Massendichte ρ der de Sitter Welt mit dem Linienelement (7) genau so wie bei einem Schwarzen Loch eindeutig durch den Schwarzschild Radius R bestimmt.

Es gilt mit
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Solange das Produkt ρ⋅M2 kleiner bleibt als die Konstante L, können die Masse M und ihre Dichte ρ unapängig von einander beliebige Werte annehmen. Wenn aber in einem festen Volumen die Masse so zunimmt, dass ρ⋅M2 gleich L wird, dann entsteht ein Schwarzes Loch und durch die Beziehung ρ⋅M2=L sind nun ρ und M unlösbar mit einander verbunden. Wenn die Masse M des Schwarzen Lochs zunimmt, Wird das Volumen V größer und die Dichte ρ nimmt ab nach Gleichung (9c). Weil aus dem Schwarzen Loch keine Masse entweichen kann und nach Gleichung (9c) ρ umgekehrt proportional zu M2 ist, kann die Dichte ρ nicht größer werden. Die Konstante L ist eine obere Grenze für das Produkt ρ⋅M2. Es folgt:


 1. Die höchstmögliche Dichte ρ einer Masse M ist L/M².
2. Die höchstmögliche Masse M mit der Dichte ρ ist

Ein Schwarzes Loch mit der mittleren Massendichte ρ hat die Masse also

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Einige Beispiele
?

ρKG ist die Dichte eines Quark-Gluon Plasmas.




ρHH ist die Dichte in der Fotosfäre der Sonne.




ρK ist die mittlere Dichte des Kosmos.




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(14)




(15)

Für die Schwarzschild-Radien gilt?

??


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MKG und RKG entsprechen den Werten des kleinsten stellaren Schwarzen Lochs, das bisher entdeckt wurde. Ein deutlich kleineres ist kaum möglich.
Im H-He-Plasma in der Fotosfäre der Sonne ist ρHH die Dichte bei 5700K. Das sind Zuctände wie zu Beginn der Rekombinationsära des Kosmos.
Die Masse MK weicht kaum ab von der geschätzten (sichtbaren) Masse des Universums (Wikipedia: ≈ 1053kg).
Für den Radius des Universums gibt Wikipedia an mehr als 45 Milliarden Lichtjahe. Mit Lj=9,5·1015m sind das 4,3⋅1026m, also etwa das Doppelte von RK.

Dass die geschätzten Daten für die Masse M, die mittlere Dichte ρ und den Radius R des Weltalls ins Bild eines Schwarzen Lochs passen, könnte ein seltsamer Zufall sein. Nichtsdestoweniger ist es ein starkes Indiz für den Schwarz-Loch-Kosmos. Statt des Glaubens an einen Urknall, bei dem entgegen aller Erhaltungssätze der Physik alle Masse und Energie in 10-4s aus dem Nichts entstanden, wird hier angenommen, dass der Ursprung unseres Kosmos in einem stellaren Schwarzen Loch (sSL) eines größeren Universums lag. Dieses Schwarze Loch könnte eine Masse wie etwa MKG gehabt und damit an der unteren Grenze der Masse und der oberen Grenze der Dichte eines sSL gelegen haben.

Nach seiner Entstehung als sSL nimmt der de-Sitter-Kosmos ständig mehr oder weniger Masse aus dem umgebenden Universum auf. Die zeitliche Entwicklung des Kosmos durchläuft nach seiner Quark-Gluon-Phase die gleichen Zuctände, die auch in der Urknalltheorie angenommen werden, sie ist aber nicht bestimmt durch eine extrapolierte Hubble-Zeit, sondern hängt ab von der unregelmäßigen Aufnahme von Massen aus dem umfassenden Universum. Damit verbunden ist nach den Gleichungen (8) eine Vergrößerung des Volumens und eine Verringerung der Dichte. Der Kosmos expandiert, die Wellen der elektromagnetischen Strahlung, die im frühen Kosmos den Hauptteil der Energie und Masse ausmacht, werden auseinander gezogen, sodass die Strahlung an Energie verliert. Da Strahlung und Masse noch im thermischen Gleichgewicht stehen, sinkt die Temperatur des Kosmos. Bei 5700K ist die Masse des Kosmos auf eine halbe Billion Sonnenmassen (Gl. 14) angewachsen und der Radius auf den zehnten Teil eines Lichtjahres (Gl. 17b). Der Kosmos nimmt mehr Masse auf, die Dichte wird geringer, die Expansion geht veiter und die Temperatur fällt bis bei etwa 3000K Masse und Strahlung entkoppeln. Die Masse des Kosmos besteht nun aus neutralen Atomen und die Strahlung überdauert als Hintergrundstrahlung ungestört, aber ständig langwelliger werdend die Jahrmilliarden. Die Messung der Hintergrundstrahlung ergibt das früheste experimentelle Ergebnis überhaupt, während es über die Zeit davor nur rein theoretische Überlegungen gibt. Mit z=1100 ist ihre Rotverciebung stärker als die von jedem anderen Ereignis im Kosmos.

Der Kosmos als Schwarzes Loch im Universum hat einen Drehimpuls. Wenn er neue Masse aufnimmt, wird der Horizont erweitert und die Zentrifugalkraft drückt Masse in den Raum zwischen altem und neuem Horizont. Der Kosmos wird bei geringerer Dichte weiter aufgebläht und die Entfernungen zwischen den Galaxien werden größer. Weil mit jeder Massenaufnahme auch die Oberfläche wächst, wird die Wahrschheinlichkeit neuer Massenaufname größer, die Expansion wird beschleunigt.

Mit hundert Milliarden Sonnenmassen schon zu Beginn der Rekombinaztonsära (Gl. 14) ist der Kosmos als Schwarzes Loch bei veitem großs genug, um kleinere Schwarze Löcher mit einigen Zehntausend Zonnenmassen aus dem umgebenden Universum aufzunehmen. In einer wasserstoffreichen Umgebung wachsen diese dann schnell zu den supermassiven Schwarzen Löchern heran, die als sehr frühe AGNs früher Galaxien auftreten.




Vergleich zwischen der Urknalltheorie und dem de-Sitter-Kosmos.


ProblemUrknallteoride-Sitter-Kosmos

Herkunft von Masse und Energieaus dem Nichts aus dem umgebenden Universum
Grund für das Fehlen von Antimaterie???fehlt schon im umgebenden Universum
Massenverhältnis leichter KernePrimordinale Nukleodsynthese (PNS)PNS und gleiches Verhätnis schon im umgebenden Universum
Grund für die ExpansionDunkle EnergieDrehimpuls des de-Sitter-Kosmos
Grund für die Beschleunigung der ExpansionDunkle EnergieEine größere Oberfläche erhöht die Massenaufnahme.
Entstehung sehr früher AGNsbisher rätselhaftDer de-Sitter-Kosmos nimmt schon sehr früh Schwarze Löcher auf.



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