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Expansionrate des Universums

Expansionrate des Universums

18.06.2020 um 02:15
@perttivalkonen
@delta.m
Ist das denn jetzt generell so dass ein Photon seine "verlorene" Energie immer wieder und nur so "zurück" bekommt? Und wo also ist dann diese verlorene Energie zum entsprechenden Zeitpunkt? So wie im Wiki beschrieben?


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18.06.2020 um 02:25
@skagerak
Wie gesagt, es ist für mich auch eine ziemlich neue Sache, daß Licht seine Energie nicht nur "verteilt", sondern wirklich abgibt bei Rotverschiebung. Bei der gravitationsbedingten Rotverschiebung immerhin ist die Sache ziemlich vergleichbar mit dem Verlust kinetischer Energie eines Objektes, welches eine Gravittionsquelle umfliegt und diese nun verläßt. Nur eben daß Licht nicht langsamer wird, sondern rotverschobener. Und dabei eben auch Photonenenergie verliert.


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18.06.2020 um 23:02
perttivalkonen
schrieb:
Und Dein B wäre nur richtig, wenn das Objekt auf den Beobachter zuflöge.
Höchstens "ähnlich", denn

abhängig von der Geschwindigkeit des auf (B) ZUfliegenden Objekts,
sähen die Lichtwellen (an der Spitze) dann
etwas blau-verschobener (Dopplereffekt) aus als bei (A) -> siehe (C).

Hier nochmal die 3 Zustände:

A - Relativer Stillstand
B - Objekt entfernt sich
C - Objekt nähert sich

sb3


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19.06.2020 um 00:03
Bei B und C mußt Du entweder die Bewegungsrichtung des Massenobjekts austauschen oder die am Ende beim Beobachter erreichte Verschiebungsfarbe. Schau Dir nochmal mein Bild an und versteh die Färbung des Strahls nur als "Phase der Verschiebung in Richtung dieser Farbe". Da im unteren Bildbereich die Lichtstrecken, während der das Licht rot- bzw. blauverschoben wird, so unterschiedlich lang sind (blauverschoben über eine längere Strecke, rotverschoben über eine kürzere), muß bei Fortbewegung des Masseobjekts das Licht im Endeffekt blauverschoben ankommen. Entsprechend rotverschoben bei Bewegung des Masseobjekts in Richtung Beobachter.

bmuydxxcydlb Flyby-Licht-001

Nochmals: der schwarze Strich zeigt die Distanz zum Masseobjekt an, ab welcher das Licht signifikant blauverschoben wird, bzw. ab wo die signifikante Rotverschiebung aufhört. Da im unteren Bereich das Masseobjekt sich vom Beobachter entfernt, wird die Strecke, von wo an das zum Objekt hinfliegende Licht in den Blauverschiebungsbereich gerät, bis dahin, wo es das Objekt umrundet, größer sein als der schwarze Strich. Zugleich fliegt das vom Masseobjekt wegfliegende Licht eine kürzere Strecke, bis es an den Endpunkt des schwarzen Striches gerät, eben weil in der Zeit des Wegfliegens des Lichts hin zum Beobachter das Masseobjekt sich in die andere Richtung bewegt und damit "den schwarzen Strich mitnimmt", also das wegfliegende Licht schneller aus seinem gravitativen Einfluß entläßt.

Und nochmals: vergleiche es mit dem Flyby-Effekt. Zur Erhöhung der Geschwindigkeit muß ein Satellit länger auf eine Masse zufliegen, um mehr "freien Fall" zum eigenen Tempo hinzuaddieren zu können, und er muß geschwindigkeitsfressende Wegfliegen von dieser Masse schneller beenden können, auf einem kürzeren Weg. Dies gelingt, indem der Satellit hinter einem Planeten herfliegt, aber beim Wegfliegen nicht vor dem Planeten bleibt, sondern wiederum hinter ihm wegfliegt. Wenn er also wie das Licht in meinem Bild unten fliegt.


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19.06.2020 um 14:25
@perttivalkonen
perttivalkonen
schrieb:
Bei B und C mußt Du entweder die Bewegungsrichtung des Massenobjekts austauschen oder die am Ende beim Beobachter erreichte Verschiebungsfarbe.
Tut mir leid, das kann ich immer noch nicht nachvollziehen.
perttivalkonen
schrieb:
Schau Dir nochmal mein Bild an und versteh die Färbung des Strahls nur als "Phase der Verschiebung in Richtung dieser Farbe". Da im unteren Bildbereich die Lichtstrecken, während der das Licht rot- bzw. blauverschoben wird, so unterschiedlich lang sind (blauverschoben über eine längere Strecke, rotverschoben über eine kürzere), muß bei Fortbewegung des Masseobjekts das Licht im Endeffekt blauverschoben ankommen. Entsprechend rotverschoben bei Bewegung des Masseobjekts in Richtung Beobachter.
Ja, ich hab verstanden:
Deine farbigen Striche sollen die Länge bzw. Zeitdauer andeuten,
in der sich der Lichtstrahl im (signifikanten) G-Feld des Objekts befindet.

Da diese Strecken (bzw. Zeiten) unterschiedlich lang sind,
nimmst du also an,
dass die jeweils "längere" Freq-Verschiebung überwiegt
und dann letztlich beim Beobachter ankommt,(?)

Und deshalb müßte ich bei meinen beiden Zeichnungen (B) und (C) die Bewegungsrichtung tauschen.


Hab ich das soweit richtig verstanden?

Wenn ja, dann zeige mir mal,
wo in den Formeln zur Berechnung der grav. Rot- bzw. Blauverschiebung ein Faktor
"Zeit, die das Licht bis zum Punkt der stärksten Gravitation benötigt"
zu finden ist.

Vllt. hab ich ja was übersehen.


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19.06.2020 um 18:48
delta.m
schrieb:
Wenn ja, dann zeige mir mal,
wo in den Formeln zur Berechnung der grav. Rot- bzw. Blauverschiebung ein Faktor
"Zeit, die das Licht bis zum Punkt der stärksten Gravitation benötigt"
zu finden ist.

Vllt. hab ich ja was übersehen.
Indeed, das hast Du!
perttivalkonen
schrieb:
Nun das untere Bild. Hierzu brauchen wir einen fernen Beobachter. Der sieht, wie sich die Gravitationsquelle schnell von rechts nach links bewegt. Wieder fliegt Licht auf das Objekt zu, umrundet es und fliegt in entgegengesetzter Richtung wieder weg von dem Objekt.
und
perttivalkonen
schrieb:
Ach ja, für einen Beobachter auf dem unteren Objekt sieht es natürlich aus wie im oberen Bereich, denn für ihn und sein Bezugssystem ruht der Planet unter seinen Füßen ja und fliegt nicht rum.
Der Weg / Zeitraum des Lichts vom Eintritt in die (durch den rechten Endpunkt des schwarzen Strichs markierte) Anfangsdistanz der wirksamen Gravitation des Masseobjekts bis zur Umrundung ist nur dann länger oder kürzer als der Weg / Zeitraum des Lichts von der Umrundung an bis zum Verlassen der selben Distanz zum Objekt für einen Beobachter, für den Start- und Zielpunkt des Lichts in seinem System ruht, aber das Objekt sich dem gegenüber bewegt.

Und es ist dann eben so, daß bei Fortbewegung des Masseobjektes vom Start- und Zielpunkt des Lichts das Licht einen längeren Weg/Zeitraum benötigt von der Grenzdistanz gravitativer Wirkung bis zur Umrundung und einen kürzeren Weg/Zeitraum ab Umrundung bis zum Verlassen jener Grenzdistanz.


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19.06.2020 um 19:13
perttivalkonen
schrieb:
Der Weg / Zeitraum des Lichts vom Eintritt in die (durch den rechten Endpunkt des schwarzen Strichs markierte) Anfangsdistanz der wirksamen Gravitation des Masseobjekts bis zur Umrundung ist nur dann länger oder kürzer als der Weg / Zeitraum des Lichts von der Umrundung an bis zum Verlassen der selben Distanz zum Objekt für einen Beobachter, für den Start- und Zielpunkt des Lichts in seinem System ruht, aber das Objekt sich dem gegenüber bewegt.
Dieser Satz grenzt schon fast an Körperverletzung ;) :D

Eine Formel wäre hilfreicher gewesen ....

aber ich fürchte, wir schreiben iwie aneinander vorbei.
Vllt. kann noch jmd. anderer sich dazu äußern @all


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19.06.2020 um 19:30
delta.m
schrieb:
Dieser Satz grenzt schon fast an Körperverletzung ;) :D
Sei froh, daß ich nicht auch noch geschachtelt habe... :P:
delta.m
schrieb:
Vllt. kann noch jmd. anderer sich dazu äußern @all
Yepp, ich werds nicht nochmal versuchen.


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20.06.2020 um 01:08
@delta.m
delta.m
schrieb:
Eine Formel wäre hilfreicher gewesen ....
Eine Formel für ein Swing-By von einem Photon zu finden wird wahrscheinlich eine ordentliche Herausforderung. Eine lupenreine Herleitung kann ich dir nicht liefern aber einen Versuch ;-)

Zuerst mal ein Argument von Florian Freistetter was er unter Swing-by einer Sonde versteht:
Wenn sie beispielsweise sehr nahe am Jupiter vorbei fliegt, wird sie das nicht einfach unbeeinflusst tun – ihre Bahn wird verändert werden. Aus Sicht des Jupiters findet dabei tatsächlich nur eine Ablenkung statt. Die Raumsonde fliegt nach dem Vorbeiflug in eine andere Richtung als vorher, aber immer noch mit der gleichen Geschwindigkeit. Der Jupiter selbst steht aber nicht still sondern bewegt sich selbst um die Sonne. Und wenn man das ganze aus der Sicht der Sonne betrachtet, hat sich nach dem Vorbeiflug am Planeten nicht nur die Flugrichtung der Sonde verändert sondern auch ihre Geschwindigkeit.
Hier der lohnende Link zum Blog!
oder Wikipedia: Swing-by#Prinzip

Der fett markierte Teil ist entscheident, den er liefert einen wichtigen Hinweis: Ein Swing-by sieht aus dem Ruhesystem des Planeten aus wie eine einfache Ablenkung. Das kennen wir auch von Licht nämlich den Gravitationslinsen, die ändern nämlich auch die Richtung des Lichtstrahls. Der Impuls von Licht zeigt sich aber im Gegensatz zu massebehafteten Objekten nicht in der Geschwindigkeit des Photons sonder in dessen Frequenz bzw. Wellenlänge:

p = \frac{h}{\lambda}


Nun wissen wir das Licht von massebehafteten Objekten abgelenkt wird, wie sieht dann die Sache aus wenn Licht von bewegten massebehafteten Objekten abgelenkt wird? Dann müssten wir, in Einklang mit dem Swing-by und obiger Argumentation einen Frequenzshift erwarten, da sich aus unserer Sicht der Impuls ändert.

Das ist ein Punkt den man nachschauen kann. Zuerst habe ich nach gravitational lens distance dependent redshift geschaut und nichts gefunden. Die Idee dahinter war das weiter entfernte Linsen eine höhere Relativgeschwindigkeit aufweisen und dadurch einen zusätzlichen Impuls bzw. eine Frequenzänderung herbeirufen.

Ich habe keine belastbaren Publikationen gefunden. Eine Publikation die der Thematik vielleicht "am Nächsten" kommt ist diese hier:
On aberration in gravitational lensing

Daraus:
It is known that a relative translational motion between the deflector and the observer affects gravitational lensing. In this paper, a lens equation is obtained to describe such effects on actual lensing observables. Results can be easily interpreted in terms of aberration of light-rays. Both radial and transverse motions with relativistic velocities are considered. The lens equation is derived by first considering geodesic motion of photons in the rest-frame Schwarzschild spacetime of the lens, and, then, light-ray detection in the moving observer's frame. Due to the transverse motion images are displaced and distorted in the observer's celestial sphere, whereas the radial velocity along the line of sight causes an effective re-scaling of the lens mass.
Allerdings bin ich mir nicht sicher ob das eure Frage klärt, aber wenn ich mir die Mathematik in der Publikation anschaue, bin ich mir sicher das eine Formel wie sie sich @delta.m vorstellt in der Art aussehen müsste: Man müsste sich das Linienelement im einfachsten Fall einer Schwarzschild-Metrik (z.B. für die Erde) für ein Photon berechen aus Sicht der ruhenden und der bewegten Masse und dann schauen ob sich Frequenzunterschiede ergeben. Mein Fazit dahingehend das ich keine Literatur dazu gefunden habe ist dass der Effekt entweder (i) nicht exisitert bzw. schon nicht viel SInn macht, (ii) bisher nicht nachweisbar (wobei es dann trotzdem theoretische Ausarbeitungen geben müsste/könnte) ist oder (iii) ich nur schlampig gesucht habe.

PS: Eine ähnliche Frage gab es schonmal hier: https://physics.stackexchange.com/questions/368863/how-does-gravitational-lensing-affect-red-shift


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20.06.2020 um 18:06
Danke erstmal für Deine Mühe @mojorisin

Aber so kompliziert sollte es gar nicht werden.

Mit "Formel" meinte ich eigentlich nur,
ob bei Annäherung eines Lichtstrahls an ein G-Objekt,
die Länge bzw. Zeit der Annäherung eine Rolle spielt wie stark der die Frequenz am Zielort rot- bzw. blauverschoben wird.

Fliegt der Lichtstrahl dem Objekt nach,
ist die Strecke bzw. Zeit länger beim Hinflug / kürzer beim Rückflug,
fliegt der Strahl dem Objekt entgegen ist es entsprechend umgekehrt.

@perttivalkonen meint nun,
dass bei meiner Zeichnung die Bewegungsrichtung des schwarzen Objekts bei (B) und (C) vertauscht werden muß, damit es zu den farbigen Lichtstrahlen passt.

Habe ich es nun falsch gezeichnet oder nicht ? - das war eigentlich meine Frage.

und, könnte man den Lichtstrahl beim Eintreffen am Objekt nicht auch nur einfach zurück zum Beobachter reflektieren lassen,
(dann spart man sich das komplizierte SwingBy)?

Was meinst Du dazu? @mojorisin


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20.06.2020 um 19:59
delta.m
schrieb:
dass bei meiner Zeichnung die Bewegungsrichtung des schwarzen Objekts bei (B) und (C) vertauscht werden muß, damit es zu den farbigen Lichtstrahlen passt.

Habe ich es nun falsch gezeichnet oder nicht ? - das war eigentlich meine Frage.
Die Antwort kann auch gerne für ein Flugobjekt statt für Licht gegeben werden, kommt letztlich aufs gleiche hinaus, nur fällt die Geschwindigkeitsveränderung um Größenordnungen höher aus als die so erzielbare Rot- oder Blauverschiebung.

Also: erhöht sich bei solch einem Umflug eines Masseobjekts die Geschwindigkeit des Flugobjektes, wenn es bei der Annäherung dem Massenobjekt in dessen Flugrichtung folgt und sich dann in Gegenrichtung wieder entfernt, oder wenn es sich einem entgegenkommenden Objekt nähert und sich von ihm in dessen Bewegungsrichtung entfernt?


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20.06.2020 um 21:26
@perttivalkonen
Wie sähe das Photon eigentlich für mich aus, wenn neben ihm her flöge bei diesem Fly-by-dingenskirchens?


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20.06.2020 um 21:49
@skagerak

Echt jetzt?

Was weiß ich, wie ein Photon aussieht! Wie Licht aussieht, das könnt ich noch am ehesten sagen. weiß, gelb, rot, blau, sowas eben. Dumm nur, daß ich Licht von der Seite ja nicht sehen kann, und neben ihm her fliegen is auch so ein Problem.

Bleiben wir lso bei dem Gedankenkonstrukt, daß Licht von einem Startpunkt ausgesandt wird, auf ein sich von diesem Punkte entfernendes oder sich diesem Punkte näherndes Objekt großer Masse zubewegt, dann das Objekt umfliegt (oder gerne auch von einem dort befindlichen Spiegel reflektiert wird) und nun zum Zielpunkt gleich neben dem Ausgangspunkt ankommt. Bei einem sich kontinuierlich entfernenden Masse-Objekt müßte das wieder zurückkommende Licht gegenüber dem anfangs ausgesandten Licht blauverschoben sein, bei einem sich nähernden Objekt rotverschoben. Natürlich nur minimal, is man klar.

So sähe das ankommende Licht aus. Wie ein Photon aussieht, wer weiß...


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20.06.2020 um 21:55
@perttivalkonen
Na denn ersetze Photon mit Licht. Sähe ich es denn auch sich rot bzw. blau verschieben?


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20.06.2020 um 21:56
@skagerak
Und wieso stellst Du die Frage direkt nach der Beantwortung?


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20.06.2020 um 22:03
@perttivalkonen
Hä?... Achso!
Sorry, Denkfehler meinerseits.
Ich hatte sowas wie eine Scheinbarkeit im Kopf.
Sowas wie scheinbare Überlichtgeschwindigkeit.


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21.06.2020 um 00:59
skagerak
schrieb:
Und wo also ist dann diese verlorene Energie zum entsprechenden Zeitpunkt?
Ich recycle mal ein Zitat aus einem anderen Thread (hoffe mal, es steht noch so in Wiki):
Da sich das Universum mit der Zeit verändert – es dehnt sich aktuell aus – geht die Energie der Photonen in der Form von Arbeit in die Expansion des Universums ein. Entsprechend, sollte das Universum irgendwann doch wieder kontrahieren, würde die Energie dann wieder an blauverschobene Photonen zurückgegeben.



Das aus der Thermodynamik bekannte Prinzip der Energieerhaltung gilt nur für zeitlich unveränderliche abgeschlossene Systeme. Da sich das Universum momentan ausdehnt und somit verändert, verliert ein Photon, das zu einem früheren Zeitpunkt ausgesandt wurde und sich im expandierenden Raum bewegt, Energie und wird ins Rote verschoben
Wikipedia: Rotverschiebung#Rotverschiebung,_Blauverschiebung_und_Energieerhaltung

Und ein Beitrag von mir zu Erhaltungssätzen aus demselben Thread:

Diskussion: Photonen (Beitrag von Izaya)


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21.06.2020 um 02:19
RayLight
schrieb am 15.06.2020:
perttivalkonen schrieb:
Nun ist der Zielplanet weit entfernt, und bis das Licht dort angekommen ist, wurde es durch die Raumexpansion auf doppelt so große Wellenlänge gedehnt. Das Licht hat 50% seiner Energie verloren. Wo ist diese Energie hin? Steckt sie im Raum selbst, ist sie gar der energetische Preis, der für die Expansion gezahlt werden muß?

In der ART liegt ein Energieerhalt nur bei zeitartigen Killingvektorfeldern vor.
perttivalkonen
schrieb am 15.06.2020:
@RayLight
Ich bin hier Laie. Und zwar ein solcher Laie, daß mir manches Fachvokabular udgl. abgeht. Daher weiß ich nicht wirklich, was Du mit dem ersten Post sagen wolltest. Versuchs mal umgangssprachlich. Auch da, wo ich ein wenig mehr weiß, versuche ich es lieber umgangssprachlich auszudrücken. So, was die "Helligkeit" einer Lampe betrifft - für den Beobachter. Und das funzt in der Realität, nicht in einer bestimmten Hypothese (was Du wohl meintest; alternierendes zum selben Phänomen heißt ja nicht Theorie).
Ich versuche es. Wenn du von weit entfernten Zielplaneten, der Raumexpansion schreibst und der Frage "wo ist die Energie hin"?... Ist das nur mit der ART zu beantworten und in ihr gibt es keinen globalen Energieerhalt, ausser es geht um eine statische Metrik wie bei besagten Feldern. Dir ist denke ich nicht klar was der Energiebegriff eigentlich bedeutet, das ist nicht mehr als eine Kennzahl.

@perttivalkonen


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21.06.2020 um 02:26
Ansonsten kann ich @Chemik nur zustimmen.


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21.06.2020 um 09:25
Izaya
schrieb:
Ich recycle mal ein Zitat aus einem anderen Thread (hoffe mal, es steht noch so in Wiki):

Da sich das Universum mit der Zeit verändert – es dehnt sich aktuell aus – geht die Energie der Photonen in der Form von Arbeit in die Expansion des Universums ein. Entsprechend, sollte das Universum irgendwann doch wieder kontrahieren, würde die Energie dann wieder an blauverschobene Photonen zurückgegeben.
Das hab ich doch schon selber aus´m Wiki zitiert, aber danke.
Izaya
schrieb:
Das aus der Thermodynamik bekannte Prinzip der Energieerhaltung gilt nur für zeitlich unveränderliche abgeschlossene Systeme. Da sich das Universum momentan ausdehnt und somit verändert, verliert ein Photon, das zu einem früheren Zeitpunkt ausgesandt wurde und sich im expandierenden Raum bewegt, Energie und wird ins Rote verschoben
Auch das hab ich hier schon gelesen.

Es leuchtet mir auch alles ein...ich weiß auch nicht was mit mir los ist. Das klang wohl irgendwie zu einfach, sodass ich nach mehr suchte 💁‍♂️


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