Astronomie

Unterschied zwischen 3D-Realraum und 3D-Rotverschiebungsraum?

Unterschied zwischen 3D-Realraum und 3D-Rotverschiebungsraum?


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In Bezug auf kosmologische Simulationen (z. B. reine N-Körper-Simulationen mit dunkler Materie) habe ich gesehen, wie Leute über die Positionen von Objekten (Halos, Galaxien) in der Simulation in Bezug auf den 3D-Realraum und den 3D-Rotverschiebungsraum gesprochen haben. Die Idee ist, dass die Positionen von Objekten im realen 3D-Raum den Beitrag von Rotverschiebungsraumverzerrungen nicht hinzufügen, während dies im 3D-Rotverschiebungsraum der Fall ist. Aber da Rotverschiebungsraumverzerrungen ein echter physikalischer Effekt sind (d.h. die Positionen/Geschwindigkeiten von Objekten werden nicht nur durch kosmologische Expansion, sondern auch durch Gravitationswechselwirkungen beeinflusst), warum wird der 3D-Realraum überhaupt berücksichtigt? Ist es eine Art hochidealistisches, nur kosmologieabhängiges Szenario, das eigentümliche Geschwindigkeiten ignoriert?


Unterschied zwischen 3D-Realraum und 3D-Rotverschiebungsraum?

Warum wird 3D-Realraum überhaupt berücksichtigt? Ist es eine Art hochidealistisches, nur kosmologieabhängiges Szenario, das eigentümliche Geschwindigkeiten ignoriert?

Einfache Erklärung:

3D-Realraum ist der tatsächlich Entfernung, Position, Geschwindigkeit (auch Spin) usw. eines Objekts; Dies kann verwendet werden, um die Entfernung der Erde zu unserer Sonne oder die Entfernung eines anderen Planeten zu seiner Sonne zu messen.

3D-Rotverschiebungsraum ist der ersichtlich Distanz, eine verzerrte Ansicht, mit der man ein Objekt mit einem anderen vergleichen kann. Die Verzerrung wird durch unterschiedliche Dichte des interstellaren Mediums, Schwerkraft, Bewegung der Erde und der betrachteten Objekte, sogar dunkler Materie usw. verursacht.

Der reale Abstand zwischen zwei Objekten kann sich beispielsweise durch die Schwerkraft gegenseitig beeinflussen; dies ändert die Flugbahn der Objekte. Die scheinbare Entfernung hat keinen Einfluss auf die Schwerkraft, sondern nur die tatsächliche Entfernung.

Indem wir die wirkliche Entfernung, die wir durch Berechnungen erhalten, mit der scheinbaren Entfernung vergleichen, die wir durch Beobachtungen erhalten, können wir das, was wir sehen, mit dem vergleichen, was wir berechnen; Dies ermöglicht die Überprüfung der Theorie, das Auffinden neuer Objekte (oder Phänomene, wie zum Beispiel die Annahme, dass es dunkle Materie gibt). Das gibt uns die Weglängen für jede Richtung und Entfernung (da die Entfernung aufgrund der Schwerkraft je nach Richtung und Entfernung variiert).

Eine kompliziertere Erklärung bietet:

  • "A Spherical Harmonic Analysis of Redshift Space" (13. September 1994), von A.F. Heavens und A.N. Taylor

    "1. EINLEITUNG
    Eine genaue dreidimensionale Karte der Galaxienverteilung wäre für die Kosmologie enorm wertvoll, aber das Fehlen einer genauen Entfernungsschätzung schließt dies aus. Trotz aller Bemühungen bedeuten die Fehler in den Entfernungsindikatoren von Tully-Fisher und Faber-Jackson, dass man am besten die Rezessionsgeschwindigkeit verwenden kann $v$, oder Rotverschiebung, einer Galaxie, und ihre Entfernung zuzuordnen $s$ unter Verwendung des Hubble-Expansionsgesetzes $v = H_0s$, wo $H_0$ ist der Hubble-Parameter. Die resultierende Karte des „Rotverschiebungsraums“ ist natürlich nicht perfekt, da sich Galaxien nicht unbedingt genau mit der idealisierten Ausdehnung eines homogenen Universums bewegen. Dichteinhomogenitäten sind mit besonderen Geschwindigkeiten verbunden, die eine radiale Verzerrung zwischen der wahren (realen) Abbildung und der Rotverschiebungsraumabbildung einführen. Diese Verzerrung ist natürlich unbequem: So wird beispielsweise das Extrahieren des Leistungsspektrums von Dichtefluktuationen aus einer Galaxien-Rotverschiebungsdurchmusterung eine nicht triviale Aufgabe. Die Verzerrung selbst kann jedoch ausgenutzt werden, da die Größe der Verzerrung vom Dichteparameter des Universums abhängt $Omega_0$, wenn Schwankungen durch gravitative Instabilität zunehmen. Einschränken $Omega_0$ ist eines der Hauptziele dieser Arbeit.".

  • "Design and analysis of redshift surveys" (27. Mai 1997), von A.F. Heavens und A.N. Taylor

    "1. EINLEITUNG
    … [Dieser weggelassene Teil: Ähnlich dem obigen Zitat, aber nicht identisch]
    Es ist klar, dass die längste Wellenlänge, die gemessen werden kann, durch die Größe der Untersuchung begrenzt ist, also Es ist attraktiv, Umfragen in Betracht zu ziehen, die im Wesentlichen ein- oder zweidimensional sind, um mindestens eine Dimension zu maximieren, ohne dass übermäßige Kosten für die Beobachtungszeit entstehen (z. B. Broadhurst et al. 1990). Die Schwierigkeit bei einem solchen Ansatz als Methode zur Messung des Leistungsspektrums besteht darin, dass eine niederdimensionale Leistungsmessung bei einer gegebenen Wellenzahl wird einen Beitrag (der dominant sein kann) von viel kleineren Skalen in drei Dimensionen haben (z. B. Kaiser & Peacock 1991). Die Interpretation des beobachteten Leistungsspektrums kann daher schwierig sein. Für Erhebungen, die nicht der „Distant-Observer“-Näherung entsprechen (vgl. Kaiser 1987), die Messung des Leistungsspektrums und die Rotverschiebungsverzerrung werden verknüpft, was die Analyse zusätzlich erschwert.

    Wie leicht die interessierenden Parameter extrahiert werden können, hängt von der Wahl des Koordinatensystems und der Basisfunktionen ab, in denen das Dichtefeld erweitert wird. Die Wahl der sphärischen Polarkoordinaten ist aus zwei Gründen zwingend. Erstens wird die Vermessung mit ziemlicher Sicherheit durch eine feste Flächenabdeckung (unabhängig von der Tiefe) definiert, und zweitens wird eine flussbegrenzte Vermessung eine Auswahlfunktion φ (oder äquivalent eine mittlere beobachtete Dichte $ρ_0(r)$), die entfernungs-, aber nicht richtungsabhängig ist. Die mittlere Dichte der Vermessung ist dann in Kugelkoordinaten separierbar $overline{ρ}(r) = ρ_0(r) M(θ, ϕ)$, wo $M$ ist entweder 1 oder 0, je nachdem, ob die Richtung $(θ, ϕ)$ in der Umfrage ist oder nicht. Der zweite Grund ist, dass, es sei denn $β ≪ 1$, ist es unmöglich, Rotverschiebungsverzerrungseffekte zu ignorieren, und da die Verzerrung zwischen der Realraumkarte und der Rotverschiebungsraumkarte ist rein radial, ist es einfach, die Verzerrung in eine Leistungsspektrumsanalyse in Kugelkoordinaten einzubeziehen (vgl. Zaroubi & Hoffman 1996).".

Einfacher gesagt, diese Webseite, die das Bild von Halton Arp beschreibt:

Unsere Position (die Erde) ist in allen Fällen der unterste Punkt. Die Entfernung (von der Erde weg) wird entlang der geraden Kanten gemessen. Im Bild oben links zeigen wir, wie ein Galaxienhaufen in Arps Universum ohne die Urknallperspektive aussehen würde. Es ist eine Familie von Galaxien und Quasaren und Gaswolken mit gemischten Rotverschiebungen (in den oberen Diagrammen sind die großen Punkte eine niedrige Rotverschiebung, die mittelgroßen Punkte eine mittlere Rotverschiebung und die kleinen Punkte eine hohe Rotverschiebung). Im Zentrum befindet sich eine dominante Galaxie – normalerweise die größte Galaxie und die Galaxie mit der niedrigsten Rotverschiebung des Haufens. Diese Galaxie ist von Galaxien mit niedriger bis mittlerer Rotverschiebung umgeben, und an den Rändern des Haufens finden wir die Galaxien mit der höchsten Rotverschiebung, HII-Regionen, BL Lac-Objekte und Quasare.

Das Bild rechts zeigt, was passiert, wenn wir versuchen, denselben Galaxienhaufen in eine Rotverschiebung-gleich-Abstands-Beziehung zu zwingen. Der Cluster wird verzerrt. Was einmal eine Kugel war, wird zu einer langgestreckten Blase. Die zentrale dominante Galaxie fällt zur Vorderseite dieser Blase, gefolgt von einer Spitze von Galaxien mit niedriger bis mittlerer Rotverschiebung, die sich von der Erde weg erstrecken, und "Blase und Leere" von Objekten mit hoher Rotverschiebung.

Jeder Cluster am Himmel tut dies, wie zum Beispiel Finger Gottes aus allen Richtungen auf die Erde gerichtet. Das dritte Bild ist ein 90-Grad-Schnitt des Himmels, der alle Galaxien nach ihren durch Rotverschiebung bestimmten Entfernungen geordnet zeigt. Die Verzerrungen der Finger of God sind deutlich zu sehen, wobei jede einen einzelnen Galaxienhaufen darstellt. (Die Blasen und Hohlräume sind nicht so klar, weil dieses Diagramm abschneidet, bevor es eine hohe Rotverschiebung erreicht.) Alles zeigt auf die Erde.

Ohne die Rotverschiebung-gleich-Abstands-Verzerrung wird ein neues Bild von Galaxienhaufen und dem Universum selbst enthüllt. Das Alter des Universums ist nicht mehr bekannt, da wir keine ständige Expansion mehr haben, um zu einem Knall zurückzufahren. Auch die Größe ist unbekannt. Die meisten Quasare und einige Galaxien, die wir sehen, sind näher als wir dachten, weil sie von den Fingern Gottes verzerrt wurden. Aber wir haben keine Ahnung, wie weit das Universum über die Grenzen unserer Teleskope hinausreicht.

Vergleichen Sie den realen Raum oben links mit dem beobachteten Bild oben rechts.


Rotverschiebung

In der Physik, a Rotverschiebung ist eine Zunahme der Wellenlänge und eine entsprechende Abnahme der Frequenz und der Photonenenergie von elektromagnetischer Strahlung (wie Licht). Die gegenteilige Änderung, eine Abnahme der Wellenlänge bei gleichzeitiger Zunahme von Frequenz und Energie, wird als negative Rotverschiebung oder Blauverschiebung bezeichnet. Die Begriffe leiten sich von den Farben Rot und Blau ab, die die Extreme des sichtbaren Lichtspektrums bilden.

In der Astronomie und Kosmologie sind die drei Hauptursachen der elektromagnetischen Rotverschiebungshift

  1. Die Strahlung wandert zwischen sich auseinander bewegenden Objekten ("relativistische" Rotverschiebung, ein Beispiel für den relativistischen Dopplereffekt)
  2. Die Strahlung wandert auf ein Objekt in einem schwächeren Gravitationspotential zu, d. h. auf ein Objekt in einer weniger stark gekrümmten (flacheren) Raumzeit (Gravitationsrotverschiebung)
  3. Die Strahlung wandert durch den sich ausdehnenden Raum (kosmologische Rotverschiebung). Die Beobachtung, dass alle ausreichend weit entfernten Lichtquellen entsprechend ihrer Entfernung von der Erde eine Rotverschiebung aufweisen, wird als Hubble-Gesetz bezeichnet.

Relativistische, gravitative und kosmologische Rotverschiebungen können unter dem Dach der Rahmentransformationsgesetze verstanden werden. Gravitationswellen, die sich ebenfalls mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, unterliegen denselben Rotverschiebungsphänomenen.

Beispiele für eine starke Rotverschiebung sind ein als Röntgenstrahl wahrgenommener Gammastrahl oder zunächst sichtbares Licht, das als Radiowellen wahrgenommen wird. Subtilere Rotverschiebungen werden bei spektroskopischen Beobachtungen astronomischer Objekte beobachtet und in terrestrischen Technologien wie Doppler-Radar und Radarkanonen verwendet.

Es gibt andere physikalische Prozesse, die zu einer Verschiebung der Frequenz elektromagnetischer Strahlung führen können, einschließlich Streuung und optischer Effekte, jedoch sind die resultierenden Änderungen von der (astronomischen) Rotverschiebung unterscheidbar und werden nicht allgemein als solche bezeichnet (siehe Abschnitt über physikalische Optik und Strahlungs Transfer).

Der Wert einer Rotverschiebung wird oft mit dem Buchstaben bezeichnet z, entsprechend der fraktionalen Wellenlängenänderung (positiv für Rotverschiebungen, negativ für Blauverschiebungen) und durch das Wellenlängenverhältnis 1 + z (das ist >1 für Rotverschiebungen, <1 für Blauverschiebungen).


Rotverschiebung ist Licht, das sich in Richtung des roten Endes des Spektrums bewegt.


Rotverschiebung tritt auf, wenn das sichtbare Licht eines Objekts in Richtung des roten Endes des Spektrums verschoben wird. Rotverschiebung ist definiert als ein erhöhen, ansteigen in der Wellenlänge der von einem Detektor empfangenen elektromagnetischen Strahlung im Vergleich zu der von der Quelle emittierten Wellenlänge. Diese Zunahme der Wellenlänge entspricht einer Abnahme der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung. Umgekehrt, a verringern in der Wellenlänge wird als Blauverschiebung bezeichnet.

Jede Zunahme der Wellenlänge wird als "Rotverschiebung" bezeichnet, selbst wenn sie bei elektromagnetischer Strahlung mit nicht-optischen Wellenlängen wie Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und Ultraviolett auftritt. Diese Nomenklatur kann verwirrend sein, da bei Wellenlängen, die länger als rot sind (z. B. Infrarot, Mikrowellen und Radiowellen), Rotverschiebungen die Strahlung verschieben Weg von den roten Wellenlängen.

Eine Rotverschiebung kann auftreten, wenn sich eine Lichtquelle von einem Beobachter entfernt, entsprechend der Dopplerverschiebung, die die Frequenz von Schallwellen ändert. Obwohl die Beobachtung solcher Rotverschiebungen mehrere terrestrische Anwendungen hat (z. B. Doppler-Radar und Radarkanonen), verwendet die spektroskopische Astrophysik Doppler-Rotverschiebungen, um die Bewegung entfernter astronomischer Objekte zu bestimmen. Dieses Doppler-Rotverschiebungsphänomen wurde erstmals im 19. Jahrhundert vorhergesagt und beobachtet, als Wissenschaftler begannen, die dynamischen Auswirkungen der Wellennatur des Lichts zu betrachten.

Ein weiterer Rotverschiebungsmechanismus erklärt die berühmte Beobachtung, dass die spektralen Rotverschiebungen entfernter Galaxien, Quasare und intergalaktischer Gaswolken proportional mit ihrer Entfernung zum Beobachter zunehmen. Diese Beziehung wird durch Modelle erklärt, die die Expansion des Universums vorhersagen, wie zum Beispiel das Urknallmodell. Eine dritte Art der Rotverschiebung, die gravitative Rotverschiebung, auch bekannt als Einstein-Effekt, resultiert aus der Zeitdilatation, die in der Allgemeinen Relativitätstheorie in der Nähe massereicher Objekte auftritt.

Die Geschichte des Themas beginnt mit der Entwicklung der Wellenmechanik im 19. Jahrhundert und der Erforschung von Phänomenen, die mit dem Dopplereffekt verbunden sind. Der Effekt ist nach Christian Andreas Doppler benannt, der 1842 die erste bekannte physikalische Erklärung für das Phänomen lieferte. Die Hypothese wurde 1845 von dem niederländischen Wissenschaftler Christoph Hendrik Diederik Buys Ballot für Schallwellen getestet und bestätigt. Doppler sagte richtig voraus, dass das Phänomen zutreffen sollte auf alle Wellen und legten insbesondere nahe, dass die unterschiedlichen Farben der Sterne auf ihre Bewegung in Bezug auf die Erde zurückzuführen sind. Während sich diese Zuschreibung als falsch herausstellte (Sternfarben sind Indikatoren für die Temperatur eines Sterns, nicht für die Bewegung), wurde Doppler später durch verifizierte Rotverschiebungsbeobachtungen bestätigt.

Die erste Doppler-Rotverschiebung wurde 1848 vom französischen Physiker Armand-Hippolyte-Louis Fizeau beschrieben, der darauf hinwies, dass die Verschiebung der Spektrallinien in Sternen auf den Doppler-Effekt zurückzuführen ist. Der Effekt wird manchmal als "Doppler-Fizeau-Effekt" bezeichnet. 1868 war der britische Astronom William Huggins der erste, der mit dieser Methode die Geschwindigkeit eines Sterns bestimmt, der sich von der Erde entfernt.

Das früheste Vorkommen des Begriffs "Rotverschiebung" in gedruckter Form (in dieser Form mit Bindestrich) scheint 1908 von dem amerikanischen Astronomen Walter S. Adams zu stammen, wo er "Zwei Methoden zur Untersuchung dieser Natur der nebulären Rotverschiebung" erwähnt. . Das Wort erscheint nicht ohne Bindestrich, was vielleicht auf eine häufigere Verwendung oder eine deutsche Entsprechung hindeutet. Rotationsverschiebung, bis etwa 1934 von Willem de Sitter.

Beginnend mit Beobachtungen im Jahr 1912 entdeckte Vesto Slipher, dass die meisten Spiralnebel erhebliche Rotverschiebungen aufwiesen. Anschließend entdeckte Edwin Hubble mit der Formulierung seines gleichnamigen Hubble-Gesetzes einen ungefähren Zusammenhang zwischen der Rotverschiebung solcher "Nebel" (jetzt bekannt als eigenständige Galaxien) und der Entfernung zu ihnen. Diese Beobachtungen gelten heute als starke Beweise für ein expandierendes Universum und die Urknalltheorie.

Messung, Charakterisierung und Interpretation

Eine Rotverschiebung kann gemessen werden, indem man das Spektrum des Lichts betrachtet, das von einer einzelnen Quelle kommt (siehe idealisiertes Spektrum oben rechts). Gibt es in diesem Spektrum Merkmale wie Absorptionslinien, Emissionslinien oder andere Variationen der Lichtintensität, so kann prinzipiell eine Rotverschiebung berechnet werden. Dies erfordert den Vergleich des beobachteten Spektrums mit einem bekannten Spektrum mit ähnlichen Merkmalen. Zum Beispiel hat das atomare Element Wasserstoff, wenn es Licht ausgesetzt wird, ein bestimmtes Signaturspektrum, das in regelmäßigen Abständen Merkmale aufweist. Wenn das gleiche Intervallmuster in einem beobachteten Spektrum bei verschobenen Wellenlängen zu sehen ist, kann eine Rotverschiebung für das Objekt gemessen werden. Die Bestimmung der Rotverschiebung eines Objekts erfordert daher einen Frequenz- oder Wellenlängenbereich. Rotverschiebungen können nicht berechnet werden, indem man isolierte Merkmale oder ein Spektrum ohne Merkmal oder weißes Rauschen (zufällige Fluktuationen in einem Spektrum) betrachtet.

Rotverschiebung (und Blauverschiebung) kann durch den relativen Unterschied zwischen den beobachteten und emittierten Wellenlängen (oder Frequenzen) eines Objekts charakterisiert werden. In der Astronomie ist es üblich, auf diese Veränderung mit einer dimensionslosen Größe namens zu verweisen z. Wenn ? repräsentiert die Wellenlänge und f repräsentiert die Frequenz (Anmerkung, ?f = c wo c ist die Lichtgeschwindigkeit), dann z wird durch die Gleichungen definiert:

Messung der Rotverschiebung, z
Rotverschiebung basierend auf der Wellenlänge.Basierend auf Frequenz

Nach dem z gemessen wird, ist die Unterscheidung zwischen Rotverschiebung und Blauverschiebung einfach eine Frage, ob z ist positiv oder negativ. Gemäß dem nachstehenden Abschnitt über die Mechanismen gibt es einige grundlegende Interpretationen, die folgen, wenn entweder eine Rotverschiebung oder eine Blauverschiebung beobachtet wird. Zum Beispiel Blauverschiebungen des Doppler-Effekts (z < 0) sind mit Objekten verbunden, die sich dem Beobachter nähern (sich nähern), wobei sich das Licht zu höheren Energien verschiebt. Umgekehrt verschiebt sich der Dopplereffekt (z > 0) sind mit Objekten verbunden, die sich vom Beobachter entfernen (sich wegbewegen), wobei sich das Licht zu niedrigeren Energien verschiebt. Ebenso sind Einstein-Effekt-Blauverschiebungen mit Licht verbunden, das in ein starkes Gravitationsfeld eintritt, während Einstein-Effekt-Rotverschiebungen bedeuten, dass Licht das Feld verlässt.

Ein einzelnes Photon, das sich durch ein Vakuum ausbreitet, kann auf verschiedene Weise rotverschoben. Jeder dieser Mechanismen erzeugt eine Doppler-ähnliche Rotverschiebung, was bedeutet, dass z ist wellenlängenunabhängig. Diese Mechanismen werden mit Galilei-, Lorentz- oder allgemein-relativistischen Transformationen zwischen einem Referenzsystem und einem anderen beschrieben.

Zusammenfassung der Rotverschiebung
RotverschiebungstypTransformationsrahmenMetrischDefinition
Doppler-Rotverschiebung Galileische Transformation Euklidische Metrik
Relativistischer Doppler Lorentz-Transformation Minkowski-Metrik
Kosmologische Rotverschiebung Allgemeine relativistische Tr. FRW-Metrik
Gravitationsrotverschiebung Allgemeine relativistische Tr. Schwarzschild-Metrik

Rotverschiebung: Doppler-Effekt.

Bewegt sich eine Lichtquelle von einem Beobachter weg, dann ist die Rotverschiebung (z > 0) tritt auf, wenn sich die Quelle auf den Beobachter zubewegt, dann Blauverschiebung (z < 0) auftritt. Dies gilt für alle elektromagnetischen Wellen und wird durch den Doppler-Effekt erklärt. Folglich wird diese Art der Rotverschiebung als Doppler-Rotverschiebung. Wenn sich die Quelle mit der Geschwindigkeit . vom Beobachter wegbewegt v, dann ist die Rotverschiebung ohne Berücksichtigung relativistischer Effekte gegeben durch

    (Seit , siehe unten.)

wo c ist die Lichtgeschwindigkeit. Beim klassischen Dopplereffekt wird die Frequenz der Quelle nicht verändert, aber die rezessive Bewegung bewirkt die Illusion einer niedrigeren Frequenz.

Relativistischer Doppler-Effekt

Eine vollständigere Behandlung der Doppler-Rotverschiebung erfordert die Berücksichtigung relativistischer Effekte, die mit der Bewegung von Quellen nahe der Lichtgeschwindigkeit verbunden sind.Eine vollständige Herleitung des Effekts findet sich im Artikel zum relativistischen Dopplereffekt. Kurz gesagt, Objekte, die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen, werden aufgrund der Zeitdilatation der speziellen Relativitätstheorie Abweichungen von der obigen Formel erfahren, die durch die Einführung des Lorentz-Faktors korrigiert werden können ? in die klassische Doppler-Formel wie folgt:

Dieses Phänomen wurde erstmals 1938 in einem Experiment von Herbert E. Ives und G.R. Stilwell, genannt das Ives-Stilwell-Experiment.

Da der Lorentz-Faktor nur von der Größe der Geschwindigkeit abhängt, bewirkt dies, dass die mit der relativistischen Korrektur verbundene Rotverschiebung unabhängig von der Ausrichtung der Quellenbewegung ist. Im Gegensatz dazu hängt der klassische Teil der Formel von der Projektion der Bewegung der Quelle in die Sichtlinie ab, was für unterschiedliche Ausrichtungen unterschiedliche Ergebnisse liefert. Folglich gilt für ein Objekt, das sich unter einem Winkel . bewegt ? zum Beobachter (der Nullwinkel ist direkt vom Beobachter weg) wird die vollständige Form für den relativistischen Dopplereffekt:

Für den Sonderfall, dass sich die Quelle im rechten Winkel (? = 90 ) zum Detektor bewegt, wird die relativistische Rotverschiebung als transversale Rotverschiebung bezeichnet und eine Rotverschiebung gemessen, obwohl sich das Objekt nicht vom Beobachter entfernt. Selbst wenn sich die Quelle auf den Beobachter zubewegt, gibt es bei einer Querkomponente zur Bewegung eine gewisse Geschwindigkeit, bei der die Dilatation die erwartete Blauverschiebung gerade aufhebt, und bei höherer Geschwindigkeit wird die sich nähernde Quelle rotverschoben.

Rotverschiebung: Erweiterung des Weltraums.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts führten Slipher, Hubble und andere die ersten Messungen der Rot- und Blauverschiebungen von Galaxien jenseits der Milchstraße durch. Sie interpretierten diese Rot- und Blauverschiebungen zunächst ausschließlich als Folge des Doppler-Effekts, später entdeckte Hubble jedoch eine grobe Korrelation zwischen den zunehmenden Rotverschiebungen und der zunehmenden Entfernung der Galaxien. Theoretiker erkannten fast sofort, dass diese Beobachtungen durch einen anderen Mechanismus zur Erzeugung von Rotverschiebungen erklärt werden könnten. Das Hubble-Gesetz der Korrelation zwischen Rotverschiebungen und Entfernungen wird von Modellen der Kosmologie benötigt, die aus der allgemeinen Relativitätstheorie abgeleitet sind und eine metrische Ausdehnung des Raumes aufweisen. Infolgedessen werden Photonen, die sich durch den sich ausdehnenden Raum ausbreiten, gestreckt, wodurch die kosmologische Rotverschiebung entsteht. Dies unterscheidet sich von den oben beschriebenen Dopplereffekt-Rotverschiebungen, da der Geschwindigkeitsschub (dh die Lorentz-Transformation) zwischen der Quelle und dem Beobachter nicht auf den klassischen Impuls- und Energietransfer zurückzuführen ist, sondern stattdessen die Wellenlänge und die Rotverschiebung der Photonen als der Raum, durch den sie sich bewegen Reisen dehnt sich aus. Dieser Effekt wird vom aktuellen kosmologischen Modell als beobachtbare Manifestation des zeitabhängigen kosmischen Skalenfaktors ( ein ) auf die folgende Weise:

Diese Art der Rotverschiebung wird als bezeichnet Kosmologische Rotverschiebung oder Hubble Rotverschiebung. Würde sich das Universum zusammenziehen, anstatt sich auszudehnen, würden wir ferne Galaxien um einen Betrag proportional zu ihrer Entfernung blauverschoben statt rotverschoben sehen.

Diese Galaxien ziehen sich nicht einfach durch eine physikalische Geschwindigkeit in Richtung vom Beobachter weg zurück, sondern der dazwischen liegende Raum dehnt sich aus, was die großräumige Isotropie des vom kosmologischen Prinzip geforderten Effekts erklärt. Für kosmologische Rotverschiebungen von z < 0,1 sind die Auswirkungen der Raumzeitexpansion minimal und beobachtete Rotverschiebungen, die von den eigentümlichen Bewegungen der Galaxien relativ zueinander dominiert werden, die zusätzliche Doppler-Rotverschiebungen und Blauverschiebungen verursachen. Der Unterschied zwischen physikalischer Geschwindigkeit und Raumausdehnung wird deutlich durch das Expanding Rubber Sheet Universe, eine gängige kosmologische Analogie zur Beschreibung der Raumausdehnung. Wenn zwei Objekte durch Kugellager und die Raumzeit durch eine sich streckende Gummiplatte dargestellt werden, wird der Doppler-Effekt dadurch verursacht, dass die Kugeln über die Platte gerollt werden, um eine eigentümliche Bewegung zu erzeugen. Die kosmologische Rotverschiebung tritt auf, wenn die Kugellager am Blech kleben und das Blech gedehnt wird. (Offensichtlich gibt es Dimensionsprobleme mit dem Modell, da die Kugellager im Blatt sein sollten und die kosmologische Rotverschiebung höhere Geschwindigkeiten als Doppler erzeugt, wenn der Abstand zwischen zwei Objekten groß genug ist.)

Trotz der Unterscheidung zwischen Rotverschiebungen, die durch die Geschwindigkeit von Objekten verursacht werden, und Rotverschiebungen, die mit dem expandierenden Universum verbunden sind, sprechen Astronomen (insbesondere professionelle) manchmal im Zusammenhang mit der Rotverschiebung entfernter Galaxien durch die Expansion des Universums von "Rezessionsgeschwindigkeit". , obwohl es sich nur um eine scheinbare Rezession handelt. Infolgedessen verwendet die populäre Literatur oft den Ausdruck "Doppler-Rotverschiebung" anstelle von "kosmologischer Rotverschiebung", um die Bewegung von Galaxien zu beschreiben, die von der Expansion der Raumzeit dominiert wird, obwohl eine "kosmologische Rezessionsgeschwindigkeit" berechnet nicht gleich der Geschwindigkeit ist in der relativistischen Dopplergleichung. Insbesondere ist die Doppler-Rotverschiebung durch die spezielle Relativitätstheorie gebunden, also v > c ist unmöglich, während im Gegensatz v > c ist für die kosmologische Rotverschiebung möglich, weil sich der Raum, der die Objekte (z. B. ein Quasar von der Erde) trennt, schneller als die Lichtgeschwindigkeit ausdehnen kann. Mathematisch gesehen hängen der Standpunkt, dass „entfernte Galaxien zurücktreten“ und der Standpunkt, dass sich der Raum zwischen den Galaxien ausdehnt, durch sich ändernde Koordinatensysteme zusammen. Um dies genau auszudrücken, muss man mit der Mathematik der Robertson-Walker-Metrik arbeiten.

Gravitationsrotverschiebung.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie gibt es Zeitdilatation innerhalb einer Gravitationsquelle. Dies wird als gravitative Rotverschiebung oder Einstein-Verschiebung. Die theoretische Herleitung dieses Effekts folgt aus der Schwarzschild-Lösung der Einstein-Gleichungen, die die folgende Formel für die Rotverschiebung in Verbindung mit einem Photon liefert, das sich im Gravitationsfeld einer ungeladenen, nicht rotierenden, kugelsymmetrischen Masse bewegt:

,

  • G ist die Gravitationskonstante,.
  • M ist die Masse des Objekts, das das Gravitationsfeld erzeugt.
  • r die radiale Koordinate des Beobachters ist (die dem klassischen Abstand vom Zentrum des Objekts analog ist, aber eigentlich eine Schwarzschild-Koordinate ist), und.
  • c ist die Lichtgeschwindigkeit.

Diese gravitativen Rotverschiebungsergebnisse können aus den Annahmen der speziellen Relativitätstheorie und des Äquivalenzprinzips abgeleitet werden, die vollständige Allgemeine Relativitätstheorie ist nicht erforderlich.

Der Effekt ist sehr klein, aber auf der Erde mit dem Mossbauer-Effekt messbar und wurde erstmals im Pound-Rebka-Experiment beobachtet. In der Nähe eines Schwarzen Lochs ist es jedoch signifikant, und wenn sich ein Objekt dem Ereignishorizont nähert, wird die Rotverschiebung unendlich. Es ist auch die dominierende Ursache für große Temperaturschwankungen im Winkelbereich der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (siehe Sachs-Wolfe-Effekt).

Rotverschiebung: Beobachtungen in der Astronomie.

Die in der Astronomie beobachtete Rotverschiebung kann gemessen werden, weil die Emissions- und Absorptionsspektren für Atome charakteristisch und bekannt sind und aus spektroskopischen Experimenten in Labors auf der Erde kalibriert wurden. Wenn die Rotverschiebung verschiedener Absorptions- und Emissionslinien eines einzigen astronomischen Objekts gemessen wird, z ist bemerkenswert konstant. (Siehe Ist die Feinstrukturkonstante wirklich konstant?) Obwohl entfernte Objekte leicht verschwommen und Linien verbreitert sein können, ist dies nur durch thermische oder mechanische Bewegung der Quelle zu erklären. Aus diesen und anderen Gründen sind sich die Astronomen einig, dass die von ihnen beobachteten Rotverschiebungen auf eine Kombination der drei etablierten Formen von Doppler-ähnlichen Rotverschiebungen zurückzuführen sind. Alternativhypothesen werden im Allgemeinen nicht als plausibel angesehen.

Die Spektroskopie als Messung ist wesentlich schwieriger als die einfache Photometrie, die durch bestimmte Filter die Helligkeit astronomischer Objekte misst. Wenn nur photometrische Daten verfügbar sind (zum Beispiel das Hubble Deep Field und das Hubble Ultra Deep Field), verlassen sich Astronomen auf eine Technik zur Messung photometrischer Rotverschiebungen. Da der Filter für einen Wellenlängenbereich empfindlich ist und die Technik auf vielen Annahmen über die Art des Spektrums an der Lichtquelle beruht, können Fehler bei dieser Art von Messungen bis zu d . betragenz = 0,5, und sind viel weniger zuverlässig als spektroskopische Bestimmungen. Allerdings erlaubt die Photometrie zumindest eine qualitative Charakterisierung einer Rotverschiebung. Wenn beispielsweise ein sonnenähnliches Spektrum eine Rotverschiebung von z = 1, wäre es im Infrarot am hellsten und nicht in der gelbgrünen Farbe, die mit dem Peak seines Schwarzkörperspektrums verbunden ist, und die Lichtintensität wird im Filter um den Faktor zwei reduziert (1+z) (siehe K-Korrektur für weitere Details zu den photometrischen Folgen der Rotverschiebung).

Rotverschiebung: lokale Beobachtungen.

Bei nahen Objekten (innerhalb unserer Milchstraße) stehen beobachtete Rotverschiebungen fast immer in Zusammenhang mit den Sichtliniengeschwindigkeiten, die mit den beobachteten Objekten verbunden sind. Beobachtungen solcher Rot- und Blauverschiebungen haben es Astronomen ermöglicht, Geschwindigkeiten zu messen und die Massen der umlaufenden Sterne in spektroskopischen Doppelsternen zu parametrisieren, eine Methode, die erstmals 1868 vom britischen Astronomen William Huggins angewendet wurde. In ähnlicher Weise sind kleine Rot- und Blauverschiebungen, die bei spektroskopischen Messungen einzelner Sterne festgestellt wurden, eine Möglichkeit für Astronomen, das Vorhandensein und die Eigenschaften von Planetensystemen um andere Sterne zu diagnostizieren und zu messen. Messungen von Rotverschiebungen bis ins kleinste Detail werden in der Helioseismologie verwendet, um die genauen Bewegungen der Photosphäre der Sonne zu bestimmen. Rotverschiebungen wurden auch verwendet, um die ersten Messungen der Rotationsraten von Planeten, der Geschwindigkeiten interstellarer Wolken, der Rotation von Galaxien und der Akkretionsdynamik auf Neutronensternen und Schwarzen Löchern durchzuführen, die sowohl Doppler- als auch Gravitationsrotverschiebungen aufweisen. Darüber hinaus können die Temperaturen verschiedener emittierender und absorbierender Objekte durch Messung der Doppler-Verbreiterung – effektiv Rotverschiebungen und Blauverschiebungen über einer einzelnen Emissions- oder Absorptionslinie – ermittelt werden. Durch die Messung der Verbreiterung und Verschiebung der 21-Zentimeter-Wasserstofflinie in verschiedene Richtungen konnten Astronomen die Rezessionsgeschwindigkeiten von interstellarem Gas messen, was wiederum die Rotationskurve unserer Milchstraße offenbart. Ähnliche Messungen wurden an anderen Galaxien wie Andromeda durchgeführt. Als diagnostisches Werkzeug gehören Rotverschiebungsmessungen zu den wichtigsten spektroskopischen Messungen in der Astronomie.

Rotverschiebung: extragalaktische Beobachtungen.

Die am weitesten entfernten Objekte weisen größere Rotverschiebungen auf, die dem Hubble-Fluss des Universums entsprechen. Die größte beobachtete Rotverschiebung, entsprechend der größten Entfernung und zeitlich am weitesten zurückliegenden, ist die der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, der Zahlenwert ihrer Rotverschiebung beträgt etwa z = 1089 (z = 0 entspricht der Gegenwart) und zeigt den Zustand des Universums vor etwa 13,7 Milliarden Jahren und 379.000 Jahren nach den ersten Momenten des Urknalls.

Die leuchtenden punktförmigen Kerne von Quasaren waren die erste "Hochrotverschiebung" ( z > 0.1 ) Objekte, die vor der Verbesserung der Teleskope entdeckt wurden, ermöglichten die Entdeckung anderer hochrotverschobener Galaxien. Derzeit beträgt die höchste gemessene Quasar-Rotverschiebung z = 6,4 , wobei die höchste bestätigte Galaxienrotverschiebung ist z = 7,0, während bisher unbestätigte Berichte von einer Gravitationslinse, die in einem entfernten Galaxienhaufen beobachtet wurde, auf eine Galaxie mit einer Rotverschiebung von . hinweisen könnten z = 10 .

Für Galaxien, die weiter entfernt sind als die Lokale Gruppe und der nahegelegene Virgo-Haufen, aber innerhalb von tausend Megaparsec oder so, ist die Rotverschiebung ungefähr proportional zur Entfernung der Galaxie. Diese Korrelation wurde zuerst von Edwin Hubble beobachtet und ist als Hubble-Gesetz bekannt geworden. Vesto Slipher war der erste, der um das Jahr 1912 galaktische Rotverschiebungen entdeckte, während Hubble Sliphers Messungen mit Entfernungen korrelierte, die er mit anderen Mitteln maß, um sein Gesetz zu formulieren. Im allgemein akzeptierten kosmologischen Modell auf der Grundlage der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Rotverschiebung hauptsächlich ein Ergebnis der Ausdehnung des Weltraums: Das bedeutet, je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, desto mehr hat sich der Raum in der Zeit ausgedehnt, seit das Licht diese Galaxie verlassen hat. je mehr das Licht gedehnt wurde, desto rotverschobener ist das Licht und desto schneller scheint es sich von uns wegzubewegen. Das Hubblesche Gesetz folgt teilweise aus dem kopernikanischen Prinzip. Da normalerweise nicht bekannt ist, wie leuchtende Objekte sind, ist die Messung der Rotverschiebung einfacher als direktere Entfernungsmessungen. Daher wird die Rotverschiebung in der Praxis manchmal mit dem Hubble-Gesetz in eine grobe Entfernungsmessung umgewandelt.

Gravitationsinteraktionen von Galaxien untereinander und mit Clustern verursachen eine signifikante Streuung im Normalplot des Hubble-Diagramms. Die mit Galaxien verbundenen eigentümlichen Geschwindigkeiten überlagern eine grobe Spur der Masse viralisierter Objekte im Universum. Dieser Effekt führt zu Phänomenen wie nahen Galaxien (wie der Andromeda-Galaxie), die Blauverschiebungen aufweisen, wenn wir in Richtung eines gemeinsamen Schwerpunkts fallen, und Rotverschiebungskarten von Haufen, die einen Finger-Gottes-Effekt aufgrund der Streuung eigentümlicher Geschwindigkeiten in einer ungefähr sphärischen Verteilung zeigen. Diese zusätzliche Komponente gibt Kosmologen die Möglichkeit, die Massen von Objekten unabhängig von der Masse zu Lichtverhältnis light (das Verhältnis der Masse einer Galaxie in Sonnenmassen zu ihrer Helligkeit in Sonnenleuchtkraft), ein wichtiges Werkzeug zur Messung der Dunklen Materie.

Bei weiter entfernten Galaxien wird die Beziehung zwischen der aktuellen Entfernung und der beobachteten Rotverschiebung komplexer. Wenn man eine ferne Galaxie sieht, sieht man die Galaxie so, wie sie einmal in der Vergangenheit war, als die Expansionsrate des Universums eine andere war als jetzt. Zu diesen frühen Zeiten erwarten wir aus mindestens zwei Gründen Unterschiede in der Expansionsrate:

  1. Die Gravitationsanziehung zwischen Galaxien verlangsamt seither die Expansion des Universums.
  2. Die mögliche Existenz einer kosmologischen Konstante oder Quintessenz kann die Expansionsrate des Universums verändern.

Jüngste Beobachtungen haben gezeigt, dass sich die Expansion des Universums nicht verlangsamt, wie vom ersten Punkt erwartet, sondern beschleunigt. Es wird allgemein, wenn auch nicht ganz allgemein, angenommen, dass dies daran liegt, dass eine Form dunkler Energie die Entwicklung des Universums dominiert. Eine solche kosmologische Konstante impliziert, dass das ultimative Schicksal des Universums kein Big Crunch ist, sondern auf absehbare Zeit weiter existieren wird (obwohl die meisten physikalischen Prozesse innerhalb des Universums immer noch zu einem Ende kommen werden).

Das expandierende Universum ist eine zentrale Vorhersage der Urknalltheorie. Extrapoliert in der Zeit sagt die Theorie eine "Singularität" voraus, einen Zeitpunkt, an dem das Universum unendliche Dichte hatte. Die Allgemeine Relativitätstheorie, auf der die Urknalltheorie basiert, bricht an dieser Stelle zusammen. Es wird angenommen, dass eine noch unbekannte Theorie der Quantengravitation die Oberhand gewinnen würde, bevor die Dichte unendlich wird.

Mit dem Aufkommen automatisierter Teleskope und Verbesserungen bei Spektroskopen wurden eine Reihe von Kooperationen geschlossen, um das Universum im Rotverschiebungsraum zu kartieren. Durch die Kombination von Rotverschiebung mit Winkelpositionsdaten kartiert eine Rotverschiebungsmessung die 3D-Verteilung der Materie innerhalb eines Himmelsfeldes. Diese Beobachtungen werden verwendet, um die Eigenschaften der großräumigen Struktur des Universums zu messen. Die Große Mauer, ein riesiger Superhaufen von Galaxien mit einer Breite von über 500 Millionen Lichtjahren, ist ein dramatisches Beispiel für eine großräumige Struktur, die Rotverschiebungsdurchmusterungen erkennen können.

Die erste Rotverschiebungsuntersuchung war die CfA-Rotverschiebungsuntersuchung, die 1977 begann und die erste Datensammlung 1982 abgeschlossen wurde. In jüngerer Zeit bestimmte die 2dF-Galaxie-Rotverschiebungsuntersuchung die großräumige Struktur eines Abschnitts des Universums und maß z-Werte für über 220.000 Galaxien-Datensammlung wurde 2002 abgeschlossen und der endgültige Datensatz wurde am 30. Juni 2003 veröffentlicht. (Neben der Kartierung großräumiger Galaxienmuster hat 2dF eine Obergrenze für die Neutrinomasse festgelegt.) Eine weitere bemerkenswerte Untersuchung, der Sloan Digital Sky Survey (SDSS), läuft seit 2005 und zielt darauf ab, Messungen an rund 100 Millionen Objekten zu erhalten. SDSS hat Rotverschiebungen für Galaxien von bis zu 0,4 aufgezeichnet und war an der Detektion von Quasaren jenseits von beteiligt z = 6. Der DEEP2 Redshift Survey nutzt die Keck-Teleskope mit dem neuen Spektrographen "DEIMOS" eine Fortsetzung des Pilotprogramms DEEP1, DEEP2 soll lichtschwache Galaxien mit Rotverschiebungen 0.7 und höher messen und ist daher als Ergänzung geplant zu SDSS und 2dF.

Effekte durch physikalische Optik oder Strahlungsübertragung

Die in den Themen Strahlungsübertragung und Physikalische Optik zusammengefassten Wechselwirkungen und Phänomene können zu Wellenlängen- und Frequenzverschiebungen elektromagnetischer Strahlung führen. In solchen Fällen entsprechen die Verschiebungen einer physikalischen Energieübertragung auf Materie oder andere Photonen und sind nicht auf eine Transformation zwischen Referenzrahmen zurückzuführen. Diese Verschiebungen können auf Kohärenzeffekte (siehe Wolf-Effekt) oder auf Streuung elektromagnetischer Strahlung zurückzuführen sein, sei es an geladenen Elementarteilchen, an Partikeln oder an Fluktuationen in einem dielektrischen Medium. Während solche Phänomene manchmal als "Rotverschiebungen" und "Blauverschiebungen" bezeichnet werden, unterscheiden die physikalischen Wechselwirkungen des elektromagnetischen Strahlungsfeldes mit sich selbst oder dazwischenliegender Materie diese Phänomene von den Referenzrahmeneffekten. In der Astrophysik werden Licht-Materie-Wechselwirkungen, die zu Energieverschiebungen im Strahlungsfeld führen, im Allgemeinen als "Rötung" und nicht als "Rotverschiebung" bezeichnet, die normalerweise den oben diskutierten Effekten vorbehalten ist.

In vielen Fällen verursacht Streuung eine Rötung der Strahlung, weil Entropie dazu führt, dass viele niederenergetische Photonen über wenige hochenergetische Photonen vorherrschen (wobei die Gesamtenergie erhalten bleibt). Außer möglicherweise unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen erzeugt die Streuung nicht die gleiche relative Wellenlängenänderung über das gesamte Spektrum, d z ist im Allgemeinen eine Funktion der Wellenlänge. Darüber hinaus tritt Streuung von zufälligen Medien im Allgemeinen unter vielen Winkeln auf, und z ist eine Funktion des Streuwinkels. Tritt eine Mehrfachstreuung auf oder weisen die streuenden Partikel eine Relativbewegung auf, so kommt es in der Regel auch zu einer Verzerrung der Spektrallinien.

In der interstellaren Astronomie können sichtbare Spektren aufgrund von Streuprozessen in einem Phänomen, das als interstellare Rötung bezeichnet wird, röter erscheinen . Dieses Phänomen unterscheidet sich von RotVerschiebungDies liegt daran, dass die spektroskopischen Linien in geröteten Objekten nicht zu anderen Wellenlängen verschoben werden und das Phänomen zusätzlich verdunkelt und verzerrt wird, da Photonen in und aus der Sichtlinie gestreut werden.


Unterschied zwischen 3D-Realraum und 3D-Rotverschiebungsraum? - Astronomie

1. Sie sagen, dass das Beobachtungsuniversum flach ist, wie kann das sein, wenn wir in 3D leben?

2. Ich kann mein Gehirn nicht mit der Bedeutung eines FLACHEN Universums auseinandersetzen. Ich habe Hunderte von Definitionen zu dem Ding gelesen und kann daraus keinen Sinn ergeben. Die Ameise auf dem Ballon macht für mich keinen Sinn, da über und unter der Ameise auf der Oberfläche des Ballons Platz ist. Wenn das Universum physikalisch flach ist, was liegt dann darüber und darunter? Ich habe versucht und versucht zu verstehen, was „Flachheit“ bedeutet, aber es ergibt nie einen Sinn.Der Weltraum und die Dinge darin sind in alle Richtungen zu finden, also wie ist das Universum flach? Ist es platt wie eine Münze oder ein Reifen oder platt wie ein Atomblatt? Bedeutet das eigentlich nur, dass, wenn das Universum mit benachbarten Würfeln gefüllt wäre, alle Eckwinkel aller Würfel 90 Grad betragen würden? oder etwas ähnliches?

Schön, wenn unsere Leser ihre eigenen Fragen beantworten! #2 ist völlig richtig - wenn wir sagen, dass das Universum flach ist, ist dies nicht im gleichen Sinne wie ein Blatt Papier flach, sondern bedeutet vielmehr, dass die Geometrie des Universums so ist, dass sich parallele Linien niemals kreuzen, die Winkel in a Dreieck addiert sich immer auf 180 Grad, und die Ecken von Würfeln bilden immer rechte Winkel. Wir nennen diese Art von Geometrie (die Art, die Sie in der Schule gelernt haben) euklidische Geometrie.

Es ist einfach, Beispiele im 2D-Raum zu erstellen (z. B. ein flaches Blatt Papier im Vergleich zu einem gebogenen Blatt Papier oder der Oberfläche eines Ballons). Flachen 3D-Raum zu veranschaulichen ist gar nicht so einfach - denn wir sind 3D! Es ist also völlig verständlich, dass das Konzept verwirrend ist

Dies bezieht sich auf die Theorie, dass das gesamte Universum flach ist. Ich glaube, dass das Universum als Ganzes wahrscheinlich eine gewisse Dreidimensionalität hat, aber ich bin neugierig, warum Asteroidengürtel, die Milchstraße und sogar die Planeten in unserem Sonnensystem alle flach zu sein scheinen und fallen im Einklang miteinander. Warum ist zum Beispiel der Mars nicht über uns und warum scheinen alle Planeten verteilt und aufgereiht zu sein?

Die Umlaufbahnen der Planeten und die Formen von Spiralgalaxien haben mit ihrer Form und Erhaltung des Drehimpulses zu tun und nichts mit der Geometrie des Universums als Ganzes zu tun. Als sich das Sonnensystem aus einer riesigen kugelförmigen Gaswolke bildete, begann sich die Wolke zu drehen. Das bedeutete, dass Material entlang der Pole leichter einfallen konnte als um den „Äquator“, da es um den Äquator herum gegen die Zentripetalbeschleunigung ankämpfen musste, die versuchte, es wieder herauszudrücken. Die Wolke kollabierte daher langsam zu einer scheibenförmigen Struktur, aus der sich die Planeten bildeten. Der gleiche exakte Prozess erklärt die Scheiben von Spiralgalaxien.

Diese Seite wurde zuletzt am 27.06.2015 aktualisiert.

Über den Autor

Karen Meister

Karen war von 2000-2005 Doktorandin bei Cornell. Anschließend arbeitete sie als Forscherin in Galaxien-Rotverschiebungsstudien an der Harvard University und ist jetzt an der Fakultät der University of Portsmouth in ihrem Heimatland Großbritannien. Ihre Forschung konzentrierte sich in letzter Zeit darauf, die Morphologie von Galaxien zu nutzen, um Hinweise auf ihre Entstehung und Entwicklung zu geben. Sie ist die Projektwissenschaftlerin für das Galaxy Zoo-Projekt.


Unterschied zwischen 3D-Realraum und 3D-Rotverschiebungsraum? - Astronomie

1. Sie sagen, dass das Beobachtungsuniversum flach ist, wie kann das sein, wenn wir in 3D leben?

2. Ich kann mein Gehirn nicht mit der Bedeutung eines FLACHEN Universums auseinandersetzen. Ich habe Hunderte von Definitionen zu dem Ding gelesen und kann daraus keinen Sinn ergeben. Die Ameise auf dem Ballon macht für mich keinen Sinn, da über und unter der Ameise auf der Oberfläche des Ballons Platz ist. Wenn das Universum physikalisch flach ist, was liegt dann darüber und darunter? Ich habe versucht und versucht zu verstehen, was „Flachheit“ bedeutet, aber es ergibt nie einen Sinn. Der Weltraum und die Dinge darin sind in alle Richtungen zu finden, also wie ist das Universum flach? Ist es platt wie eine Münze oder ein Reifen oder platt wie ein Atomblatt? Bedeutet das eigentlich nur, dass, wenn das Universum mit benachbarten Würfeln gefüllt wäre, alle Eckwinkel aller Würfel 90 Grad betragen würden? oder etwas ähnliches?

Schön, wenn unsere Leser ihre eigenen Fragen beantworten! #2 ist völlig richtig - wenn wir sagen, dass das Universum flach ist, bedeutet dies nicht, dass ein Blatt Papier flach ist, sondern bedeutet vielmehr, dass die Geometrie des Universums so ist, dass sich parallele Linien niemals kreuzen, die Winkel in a Dreieck addiert sich immer auf 180 Grad, und die Ecken von Würfeln bilden immer rechte Winkel. Wir nennen diese Art von Geometrie (die Art, die Sie in der Schule gelernt haben) euklidische Geometrie.

Es ist einfach, Beispiele im 2D-Raum zu erstellen (z. B. ein flaches Blatt Papier im Vergleich zu einem gebogenen Blatt Papier oder der Oberfläche eines Ballons). Flachen 3D-Raum zu veranschaulichen ist gar nicht so einfach - denn wir sind 3D! Es ist also völlig verständlich, dass das Konzept verwirrend ist

Dies bezieht sich auf die Theorie, dass das gesamte Universum flach ist. Ich glaube, dass das Universum als Ganzes wahrscheinlich eine gewisse Dreidimensionalität hat, aber ich bin neugierig, warum Asteroidengürtel, die Milchstraße und sogar die Planeten in unserem Sonnensystem alle flach zu sein scheinen und fallen im Einklang miteinander. Warum ist zum Beispiel der Mars nicht über uns und warum scheinen alle Planeten verteilt und aufgereiht zu sein?

Die Bahnen der Planeten und die Formen von Spiralgalaxien haben mit ihrer Form und Erhaltung des Drehimpulses zu tun und nichts mit der Geometrie des Universums als Ganzes zu tun. Als sich das Sonnensystem aus einer riesigen kugelförmigen Gaswolke bildete, begann sich die Wolke zu drehen. Das bedeutete, dass Material entlang der Pole leichter einfallen konnte als um den „Äquator“, weil es um den Äquator herum gegen die Zentripetalbeschleunigung ankämpfen musste, die versuchte, es wieder herauszudrücken. Die Wolke kollabierte daher langsam zu einer scheibenförmigen Struktur, aus der sich die Planeten bildeten. Der gleiche exakte Prozess erklärt die Scheiben von Spiralgalaxien.

Diese Seite wurde zuletzt am 27.06.2015 aktualisiert.

Über den Autor

Karen Meister

Karen war von 2000-2005 Doktorandin bei Cornell. Anschließend arbeitete sie als Forscherin in Galaxien-Rotverschiebungsstudien an der Harvard University und ist jetzt an der Fakultät der University of Portsmouth in ihrem Heimatland Großbritannien. Ihre Forschung konzentrierte sich in letzter Zeit darauf, die Morphologie von Galaxien zu nutzen, um Hinweise auf ihre Entstehung und Entwicklung zu geben. Sie ist die Projektwissenschaftlerin für das Galaxy Zoo-Projekt.


Diskrepanzen in der Hubble-Konstante haben Astronomen verärgert – das römische Weltraumteleskop der NASA könnte helfen, das Rätsel zu lösen

Das Roman Space Telescope, früher bekannt als WFIRST, das Wide Field Infrared Survey Telescope, ist ein NASA-Observatorium, das entwickelt wurde, um Weitfeldaufnahmen und Vermessungen des nahen Infrarothimmels (NIR) durchzuführen. Bildnachweis: NASA

Diskrepanzen in der Hubble-Konstante, die beschreibt, wie schnell sich das Universum ausdehnt, ärgern Astronomen seit Jahren. Die aus Beobachtungen des frühen Universums vorhergesagten Werte stimmen einfach nicht mit den Messungen des modernen Universums überein. Das Rätsel wird immer rätselhafter, da verschiedene Forschungsgruppen mit unterschiedlichen Methoden weiterhin unpassende Werte finden, was dies zu einem der lebendigsten Themen in der Kosmologie macht.

Das römische Weltraumteleskop der NASA wird dazu beitragen, die Meinungsverschiedenheiten zu lösen, indem es das Problem viel genauer als je zuvor untersucht. Es wird die Expansionsgeschichte des Universums nachzeichnen und uns helfen zu sehen, wie sich die Expansionsrate von einigen der frühesten Stadien der kosmischen Geschichte bis heute verändert hat.

Die Mission wird auch mehrere Techniken verwenden, um festzustellen, ob die Diskrepanz auf Messfehler zurückzuführen ist oder ob Astronomen die Theorie anpassen müssen, aus der sie die Vorhersagen ableiten. In jedem Fall weist das Hubble-Konstantenrätsel darauf hin, dass in unserem Bild des Universums etwas fehlt.

Hubbles „Konstante“

Seit Anfang des 20. Jahrhunderts haben wir unsere Sicht auf das Universum verändert. Wir haben gelernt, dass unsere Galaxie nur eine von vielen ist, dass Galaxien voneinander wegrennen und dass sich die Expansion des Universums beschleunigt. Diese Entdeckungen hingen von einer wichtigen Entdeckung der amerikanischen Astronomin Henrietta Leavitt ab.

1908 veröffentlichte Leavitt eine Entdeckung, die sie über eine bestimmte Art von Sternen gemacht hatte, die als Cepheid-Variablen bezeichnet wurden. Cepheiden erhellen und verdunkeln sich periodisch, und Leavitt bemerkte eine Beziehung zwischen der Helligkeit des Sterns und wie schnell sie schwankte. Das machte Entfernungsberechnungen möglich, weil Astronomen die tatsächliche, bekannte Helligkeit des Sterns mit seiner Helligkeit von der Erde aus vergleichen konnten.

Diese Sequenz des Hubble-Weltraumteleskops konzentriert sich auf V1 – den variablen Stern der Cepheiden, der den Lauf der modernen Astronomie veränderte, indem er zuverlässige Messungen großer kosmischer Entfernungen ermöglichte. Es befindet sich in der Andromeda-Galaxie (M31), 2,5 Millionen Lichtjahre entfernt. Bildnachweis: NASA, ESA und das Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Anhand dieser Informationen bestimmte der amerikanische Astronom Edwin Hubble die Entfernung zu mehreren der schmuddeligen Flecken am Himmel, die man zuvor für Nebel hielt – große Gas- und Staubwolken zwischen den Sternen. Er maß einige davon weit über den Rand unserer Galaxie hinaus, was bewies, dass es sich gar nicht um Nebel, sondern um ganze eigene Galaxien handelte.

Hubble teilte diese Entdeckung 1924 mit, gefolgt von einer ebenso schockierenden Ankündigung im Jahr 1929 – mit sehr wenigen Ausnahmen rasen Galaxien voneinander weg. Dieses Ergebnis wurde 1927 vom belgischen Mathematiker und Astronomen Georges Lemaître vorhergesagt, jedoch gab es zu dieser Zeit keine Beobachtungsbeweise, dass es richtig war.

Während fast jeder zuvor glaubte, das Universum sei statisch, zeigte Hubble, dass es sich tatsächlich ausdehnt, indem es einen Zusammenhang zwischen der Entfernung einer Galaxie und der Rotverschiebung entdeckte. Licht wird gerötet, wenn sich die Quelle vom Beobachter entfernt, und der Grad der Rötung (oder Rotverschiebung) sagt uns, wie schnell es zurückgeht. Es stellt sich heraus, dass Hubbles „Konstante“ doch nicht konstant ist – sie ändert sich mit der Zeit.

Messungen mit einer Vielzahl von Techniken ergaben, dass die Hubble-Konstante etwa 70 bis 76 Kilometer pro Sekunde für jedes Megaparsec Entfernung beträgt (Mpc, etwa 3,26 Millionen Lichtjahre). Ein Objekt, das einen Mpc entfernt ist, wird sich also mit 70-76 km/s von uns entfernen, ein Objekt, das zwei Mpc entfernt ist, wird sich mit 140-152 km/s entfernen und so weiter.

Astronomen erwarteten, dass sich der Wertebereich verengen würde, wenn sie ihre Messungen verfeinerten. Aber was stattdessen geschah, war, dass jede Technik auf einen etwas anderen Wert abzielte.

Die besten aktuellen Ergebnisse mit Cepheiden und dem Hubble-Weltraumteleskop stammen beispielsweise vom SH0ES-Team, das einen Wert von etwa 73,5 km/sek/Mpc gemessen hat. Neuere Messungen basierend auf roten Riesensternen zeigen jedoch einen Wert von 70-72 km/sec/Mpc.

Unstimmigkeiten zwischen den Vorhersagen der Hubble-Konstanten und den Messungen lassen auf Fehler in unseren Messtechniken oder unserem Modell des Universums schließen. Das römische Weltraumteleskop wird uns helfen, herauszufinden, welche. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA

Eines haben die Messungen gemeinsam: Sie sind alle deutlich höher als die Vorhersagen von Modellen, die auf der Entstehung des Universums vor mehr als 13 Milliarden Jahren basieren. Messungen aus dem frühen Universum sagen einen konstanten Hubble-Wert von etwa 67,4 km/s/Mpc voraus.

“Wir sind uns nicht sicher, ob die Diskrepanz, die wir zwischen den lokalen Messungen und den Daten des frühen Universums sehen, auf derzeit unbekannte oder unterschätzte Unsicherheiten zurückzuführen ist oder ob sie auf eine neue Physik jenseits unseres Standardmodells hindeuten“, sagte Wendy Freedman vom Universität von Chicago. „So oder so löst sich die Spannung, es ist wichtig für die Kosmologie!”

Die vorhergesagten Werte der Hubble-Konstanten stammen aus dem Standardmodell der Kosmologie und Messungen des Planck-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation. Das Modell ist aus jahrzehntelanger Forschung gut etabliert und seine Vorhersage der Hubble-Konstanten wird durch Planck-Ergebnisse unterstützt, jedoch deuten Messungen darauf hin, dass sich das Universum schneller ausdehnt als erwartet. Dieser Konflikt ist in den letzten Jahren immer verwirrender geworden.

„Die ständige Diskrepanz von Hubble hat zugenommen, was die Möglichkeit erhöht, dass wir in unserem Verständnis des Universums etwas Interessantes übersehen“, sagte Adam Riess, Teamleiter von SH0ES von der Johns Hopkins University und dem Space Telescope Science Institute in Baltimore.

Um das Rätsel noch weiter zu vertiefen, senken die Daten des SH0ES-Teams die Wahrscheinlichkeit, dass die Diskrepanz nur ein Zufall ist, auf 1 zu 100.000.

Entweder stimmt etwas mit unseren verschiedenen Messtechniken nicht oder etwas stimmt nicht mit unserem theoretischen Modell der Entwicklung des Universums. Vielleicht brauchen sie beide ein wenig Anpassung.

Römisches Weltraumteleskop, um sich dem Kampf anzuschließen

Mit seinem großen Sichtfeld und der gleichen Qualitätsauflösung wie das Hubble-Weltraumteleskop werden Wissenschaftler eine Fundgrube an wertvollen Daten sammeln. Die Mission wird verschiedene Messtechniken verwenden, um das Standardmodell der Kosmologie zwischen der frühen und der Neuzeit zu testen, wobei jede Methode die anderen überprüft. Dies könnte Aufschluss darüber geben, ob die Diskrepanzen auf fehlerhafte Messungen zurückzuführen sind oder zumindest Aufschluss darüber geben, warum verschiedene Methoden zu unterschiedlichen Werten kommen.

Durch ihre speziellen Durchmusterungen sowohl von Supernovae als auch von Galaxien mit hoher Rotverschiebung wird die Mission auch die Expansion des Universums über fast die gesamte kosmische Geschichte hinweg verfolgen. Es wird dazu beitragen, die Lücken zwischen dem frühen Universum (das zu dem theoretischen Modell führte, aus dem die vorhergesagten Hubble-Konstantenwerte stammen) und der relativ modernen Zeit (wo die Messungen stammen) zu schließen.

Darüber hinaus wird uns das römische Weltraumteleskop ermöglichen, mehr über Dunkle Materie und Dunkle Energie zu erfahren, zwei Schlüsselkomponenten des aktuellen kosmologischen Modells, die wir nicht gut verstehen. Mehr über diese Geheimnisse zu erfahren, könnte zu Anpassungen unseres Universumsmodells führen, was die konstante Hubble-Spannung verringern könnte, indem höhere Werte vorhergesagt werden, die näher an dem liegen, was Wissenschaftler tatsächlich messen.

Obwohl der Unterschied zwischen den Vorhersagen und Messungen der Hubble-Konstanten klein genug erscheinen mag, um ihn zu ignorieren, verdeutlichen sie eine große Lücke in unserem Verständnis des Universums. Während das römische Weltraumteleskop die Geschichte der Expansion und des Wachstums des Universums untersucht und einige der größten jemals bekannten Geheimnisse anpackt, wird es uns dem Verständnis des Kosmos und unseres Platzes darin näher bringen.


Sloan Digital Sky Survey Collaboration veröffentlicht neue 3D-Karte des Universums

Astrophysiker und Kosmologen des Sloan Digital Sky Survey (SDSS) haben die größte jemals erstellte 3D-Karte des Universums veröffentlicht und damit die bedeutendsten Lücken in unserer Erforschung seiner Geschichte geschlossen. Das Herzstück der neuen Ergebnisse sind detaillierte Messungen von mehr als zwei Millionen Galaxien und Quasaren, die 11 Milliarden Jahre kosmischer Zeit abdecken. Die neue Karte stammt aus dem Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS), einer SDSS-Kollaboration von mehr als 100 Astrophysikern weltweit, und repräsentiert die gemeinsame Anstrengung von mehr als 20 Jahren Kartierung des Universums mit dem Sloan Foundation Telescope am Apache Point Observatory.

Die eBOSS-Karte wird als Regenbogen von Farben dargestellt und befindet sich im beobachtbaren Universum (der äußeren Kugel, die Fluktuationen im kosmischen Mikrowellenhintergrund zeigt). Wir befinden uns in der Mitte dieser Karte. Der Einschub für jeden farbcodierten Abschnitt der Karte enthält ein Bild einer typischen Galaxie oder eines Quasars aus diesem Abschnitt sowie das Signal des Musters, das das eBOSS-Team dort misst. Wenn wir in die Ferne blicken, blicken wir in der Zeit zurück. Der Ort dieser Signale zeigt also die Expansionsrate des Universums zu verschiedenen Zeiten in der kosmischen Geschichte. Bildnachweis: Anand Raichoor, EPFL / Ashley Ross, Ohio State University / SDSS Collaboration.

„Dies ist einer der bedeutendsten Fortschritte in der Kosmologie in den letzten zehn Jahren“, sagte Professor Will Percival, Forscher an der University of Waterloo und am Perimeter Institute.

„In den letzten 20 Jahren hat das SDSS eine Reihe von Erhebungen erstellt, die nun einen Zeitraum von 11 Milliarden Jahren kosmischer Geschichte umfassen.“

„Wir haben daran gearbeitet, diese Lücke zu schließen, und wir nutzen diese Informationen jetzt, um ein besseres Verständnis dieser Periode in unserem Universum zu erlangen.“

„Wir kennen sowohl die alte Geschichte des Universums als auch seine jüngste Expansionsgeschichte ziemlich gut, aber es gibt eine problematische Lücke in den mittleren 11 Milliarden Jahren“, sagte Dr. Kyle Dawson, ein Kosmologe an der University of Utah.

„Fünf Jahre lang haben wir daran gearbeitet, diese Lücke zu schließen, und wir nutzen diese Informationen, um einige der bedeutendsten Fortschritte in der Kosmologie in den letzten zehn Jahren zu erzielen.“

Ein genauer Blick auf die eBOSS-Karte zeigt die Filamente und Hohlräume, die die Struktur im Universum definieren, beginnend mit der Zeit, als das Universum erst etwa 300.000 Jahre alt war.

Auf dieser Karte messen Astrophysiker Muster in der Verteilung von Galaxien, die mehrere Schlüsselparameter unseres Universums mit einer Genauigkeit von mehr als einem Prozent liefern.

Die kosmische Geschichte, die in dieser Karte enthüllt wurde, zeigt, dass sich die Expansion des Universums vor etwa 6 Milliarden Jahren beschleunigte und seitdem immer schneller wird.

Diese beschleunigte Expansion scheint auf dunkle Energie zurückzuführen zu sein, die mit Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie übereinstimmt, aber mit unserem derzeitigen Verständnis der Teilchenphysik äußerst schwer in Einklang zu bringen ist.

Die Kombination von Beobachtungen von eBOSS mit Studien des Universums in den Kinderschuhen offenbart Risse in diesem Bild des Universums.

Insbesondere die vom Team gemessene aktuelle Expansionsrate des Universums – die sogenannte Hubble-Konstante – ist etwa 10 % niedriger als der Wert, der aus Entfernungen zu nahegelegenen Galaxien gefunden wurde.

Aufgrund der hohen Präzision der eBOSS-Daten ist es höchst unwahrscheinlich, dass diese Diskrepanz zufällig ist, und die große Vielfalt an eBOSS-Daten bietet uns mehrere unabhängige Möglichkeiten, dieselbe Schlussfolgerung zu ziehen.

„Nur bei Karten wie unserer kann man tatsächlich mit Sicherheit sagen, dass die Hubble-Konstante nicht übereinstimmt“, sagt Dr. Eva-Maria Mueller, Wissenschaftlerin an der Universität Oxford.

„Diese neuesten Karten von eBOSS zeigen es deutlicher als je zuvor.“

„Dank dieser Karten konnten meine Kollegen und ich beobachten und studieren, wie schnell sich das Universum ausdehnt und wie schnell sich Strukturen bildeten“, ergänzt Dr. Julian Bautista, Forscher am Institut für Kosmologie und Gravitation der University of Portsmouth.

Um den 6 Milliarden Jahre alten Teil der Karte zu erstellen, verwendete das Team große, rote Galaxien. Weiter draußen nutzten sie jüngere, blaue Galaxien. Um das Universum vor 11 Milliarden Jahren und mehr zu kartieren, verwendeten sie schließlich Quasare, helle Galaxien, die von Material beleuchtet werden, das auf ein zentrales supermassereiches Schwarzes Loch fällt.

„Quasare bieten eine einzigartige Probe, die es uns ermöglicht, die Rotverschiebungslücke zwischen Galaxien und dem Lyman-Alpha-Wald bei den höchsten Rotverschiebungen zu überbrücken“, sagte Dr. Jiamin Hou, Forscher am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik.

„Mit Galaxien können wir auf die letzten paar Milliarden Jahre kosmischer Geschichte zurückblicken, die Quasare bringen uns etwa 10 Milliarden Jahre zurück und schließlich erlauben uns die Lyman-Alpha-Galaxien, zurück zu blicken, als das Universum weniger als 2 Milliarden Jahre alt war“ .“

Jede der Proben erforderte eine sorgfältige Analyse, um Verunreinigungen zu entfernen und die Muster des Universums aufzudecken.

„Indem wir eBOSS-Daten mit zusätzlichen Daten aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund, Supernovae und anderen Programmen kombinieren, können wir viele grundlegende Eigenschaften des Universums gleichzeitig messen“, sagte Dr. Mueller.

„Die eBOSS-Daten decken einen so großen kosmischen Zeitabschnitt ab, dass sie die größten Fortschritte aller Sonden bei der Messung der geometrischen Krümmung des Universums bieten und es als flach finden. Sie erlauben auch Messungen der lokalen Expansionsrate von besser als einem Prozent.“

„2012 startete ich das eBOSS-Projekt mit der Idee, die vollständigste 3D-Karte des Universums während der gesamten Lebenszeit des Universums zu erstellen und zum ersten Mal Himmelsobjekte zu implementieren, die die Verteilung von Materie im fernen Universum anzeigen, Galaxien, die aktiv Sterne und Quasare bilden“, sagt Professor Jean-Paul Kneib, Direktor des Labors für Astrophysik an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL).

„Es ist eine große Freude, heute den Höhepunkt dieser Arbeit zu sehen.“

Die Ergebnisse des Teams werden in einer Serie von 20 Artikeln in der Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.

Dieser Artikel basiert auf einer Pressemitteilung des Sloan Digital Sky Survey.


Die kosmische 3-D-Karte hilft Ihnen, Ihr Gehirn um die Seltsamkeit des Universums zu wickeln

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Als jemand, der über Astronomie schreibt, weiß ich, dass es schwierig ist, das Universum herauszufinden. Es gibt all diese seltsamen Dinge – dunkle Materie, Quasare, kosmologische Expansion – die wirklich schwer in den Griff zu bekommen sind.

Alles, was dabei hilft, die Funktionsweise des Kosmos zu verstehen, ist lobenswert, und aus diesem Grund mag ich diese neue 3D-Karte sehr, die von Wissenschaftlern des National Astronomical Observatory in Japan mit Daten des Subaru-Teleskops erstellt wurde. Die Grafik platziert mehr als 1.000 Galaxien an ihren jeweiligen Positionen im Universum, nimmt den flachen Sternenhimmel, den wir normalerweise erleben, und gibt uns eine neue Perspektive. Diese Galaxien sind zwischen 8 und 10 Milliarden Jahre alt.

Die Skala hat etwas wirklich Benutzerfreundliches, das nur 2,5 Milliarden Lichtjahre in der Entfernung rückwärts und 600 Millionen Lichtjahre im Durchmesser abdeckt (ja, das ist riesig, aber das ist das Universum, über das wir sprechen). Andere kosmische 3D-Karten haben etwa 500 Millionen Objekte in Entfernungen von bis zu 7 Milliarden Lichtjahren von der Erde eingezeichnet. Obwohl Sie cool aussehen, neigen Sie dazu, die Bäume für den Wald zu vermissen, wenn Sie von so vielen Informationen überflutet werden.

Was sehen wir uns also an? Nun, unten links zeigt Ihnen das Sichtfeld: Das heißt, den flachen Nachthimmel, den Sie von der Erde aus sehen würden, wenn Sie ein riesiges Teleskop wie den Subaru hätten. Diese Ansicht wird dann erweitert, sodass wir die Position jeder Galaxie im Raum relativ zueinander sehen können. Das Schöne ist, dass man mit dieser Ansicht das Konzept der kosmologischen Rotverschiebung, oder das, was Astronomen z.

Entfernungen im Universum sind wirklich seltsam. Wenn Sie sich die Grafik ansehen, werden Sie feststellen, dass die Galaxien ungefähr 9 Milliarden Jahre alt sind und doch alle mehr als 12 Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Wenn man eine Minute darüber nachdenkt, ist es ein bisschen verrückt. Die Entfernung ist eine Funktion davon, wie schnell Sie für eine bestimmte Zeit reisen. Wenn diese Galaxien erst 9 Milliarden Jahre alt sind und selbst wenn sie mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs waren, sollten sie per Definition nicht mehr als 9 Milliarden Lichtjahre entfernt sein.

Und doch sind sie es nicht. Der Grund dafür ist, dass sich diese Galaxien nicht mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen – sie reisen schneller. Um Ihre erste Frage zu beantworten, ja, das ist möglich, und um Ihre zweite zu beantworten, nein, Sie können immer noch keine Zeitmaschine bauen.

Sie kennen vielleicht bereits die Tatsache, dass sich das Universum und das Gefüge der Raumzeit ausdehnt. Alle Galaxien im Universum entfernen sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit von allen anderen Galaxien im Universum. Aber die Expansion des Universums schert sich nicht allzu sehr um Einsteins Diktum, nichts geht schneller als das Licht, sie schreitet in jeder gewünschten Geschwindigkeit voran. Da die Expansionsrate immer schneller wird, je weiter zwei Galaxien entfernt sind, gibt es einen bestimmten Punkt, an dem zwei Galaxien so weit voneinander entfernt sind, dass sie sich schneller als Lichtgeschwindigkeit voneinander entfernen.

Als Präzisionswissenschaftler müssen Astronomen also wissen, was andere Astronomen meinen, wenn sie "Entfernung" sagen. Da ist die Lichtwegstrecke, die auf der Lichtgeschwindigkeit basiert und in diesem Fall 9 Milliarden Lichtjahre betragen würde. Und da ist die sich bewegende Distanz, die auf der Expansion des Universums basiert und größer ist. Astronomen umgehen dieses verwirrende Problem mit z.

Licht, das sich innerhalb des Universums befindet, unterliegt auch der Ausdehnung der Raumzeit. Nehmen wir an, ein Lichtphoton wird von einem fernen Stern emittiert. Während sich dieses Photon fortbewegt, dehnt sich der Raum, in dem es existiert, aus, verlängert seine Wellenlänge und verschiebt es in Richtung des längeren, röteren Endes des elektromagnetischen Spektrums. Über Milliarden von Jahren macht sich diese Wellenlängenverschiebung, die sogenannte Rotverschiebung, bemerkbar. Astronomen verwenden den Unterschied zwischen der Wellenlänge des Lichts, als es emittiert wurde, und der Wellenlänge des Lichts, wie es jetzt scheint, um z zu ergeben, eine dimensionslose Größe, die angibt, wie viel Rotverschiebung dieses Licht unterzogen wurde.


Intelligenter, schneller, sicherer bauen

Schnelles Basteln an Designs, bevor sie in Pixel &mdashor Stahl gesetzt werden &mdash spart Zeit und Geld. Bauherren und Auftragnehmer können 3D-Umgebungen nutzen, um Bauprozesse besser zu sequenzieren. Ein interaktives Modell kann bestimmen, wie lange jeder granulare Schritt dauern wird, einschließlich Aufgaben wie Aushub, Betonieren, Montage vorgefertigter HLK-Einheiten, Mauerwerk und Dachverlegung. Laut Faure haben einige Unternehmen die Projektzeitpläne um bis zu 35 % verkürzt, indem sie ihre Arbeit besser sequenziert haben.

Und wenn der Bau beginnt, können Teams vor Ort AR verwenden, um BIM-Modelle auf Baustellen zu überlagern, was viel einfacher ist, als Tausende von Papierdokumenten oder PDFs zu durchsuchen.

Die Verlagerung des Gebäudedesigns in einen vollständig immersiven 3D-Raum schafft Möglichkeiten, virtuelle Umgebungen als Testlabors für maschinelles Lernen zu nutzen und immer wieder Simulationsexperimente durchzuführen und Designs bei auftretenden Herausforderungen zu verfeinern.

Grenzfälle wie Überschwemmungen, Brände oder Explosionen sind beispielsweise in der realen Welt kaum zu simulieren. Die maßstabsgetreue Nachbildung dieser gefährlichen Situationen in virtuellen Umgebungen ermöglicht die Erfassung von Daten, die zum Trainieren von Teams und autonomen Systemen erforderlich sind.

&bdquoSelbstfahrende Fahrzeuge lernen bereits auf diese Weise und erspart Automobilunternehmen, große Flotten von mit Sensoren ausgestatteten Fahrzeugen Milliarden von Kilometern zu fahren, um die richtige Datenmenge zu sammeln&rdquo, sagt Faure. &bdquoFür die AEC-Branche, in der Unfälle und Verletzungen immer noch zu häufig sind, wird die Entwicklung besserer Sicherheitsausrüstungen, Bauroboter und Gebäudesensoren von entscheidender Bedeutung sein.&ldquo

VR-Modelle können auch akustisches Engineering in AEC angehen, indem sie sensorischen Schalleingang simulieren. &bdquoDie Mehrheit der Weltbevölkerung&ldquo lebt in Städten, in denen Millionen unter hoher Lärmbelastung leiden&ldquo, sagt Faure. &ldquoDie Schaffung von Räumen, die schön und umweltfreundlich, aber auch leise und schallisoliert sind, ist von entscheidender Bedeutung.&rdquo

Indem ein BIM-Modell in eine Plattform wie Unity aufgenommen wird, kann ein Designer die Akustik von Schallwellen simulieren, die durch eine Einrichtung gehen und von bestimmten Materialien reflektiert werden gegenüber geschlossenem Fenster.

In diesem Herbst wird Unity das Unity Reflect 3D-Visualisierungs-Plug-In für Autodesk Revit starten. Unity Reflect übersetzt BIM-Modelle in ein immersives 3D-Modell, das BIM-Metadaten beibehält und wenig technisches Know-how erfordert, um es zu erforschen und zu ändern. Änderungen am Revit-Modell werden sofort im Unity Reflect-Modell angezeigt.

&bdquoDie Idee von Unity Reflect besteht darin, den Datenoptimierungsprozess von Wochen auf Sekunden zu verkürzen&rdquo, sagt Faure. Unity ist als offene Plattform konzipiert und die Software integriert automatisch Datenquellen aus unterschiedlichen Disziplinen. &bdquoWenn ein Maschinenbauingenieur an einem Aspekt des Modells arbeitet und ein Innenarchitekt an einem anderen Aspekt arbeitet, können wir alle Modelle zu einem zusammenführen.“ das höchste Bauwerk in Brooklyn, NY.)

SHoP Architects&rsquo-Rendering von 9 DeKalb, dem höchsten Gebäude in Brooklyn, NY. Mit freundlicher Genehmigung von SHoP-Architekten.


Die Autoren danken den Kollegen Micol Bolzonella, Raffaele D➫rusco, Antonio D'Isanto, Amata Mercurio, Mara Salvato und Crescenzo Tortora herzlich für ihren Beitrag in vielen Studien und für ihre wertvollen Anregungen in langen und leidenschaftlichen Diskussionen und Gedankenaustausch . Darüber hinaus würdigen die Autoren verschiedene Beiträge zu ihrer Studie, die von den Umfrageprojekten CLASH-VLT, KiDS, Euclid und LSST und deren Communities angeboten werden, an denen die meisten Autoren beteiligt sind.

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Schlüsselwörter: photometrische Rotverschiebungen, maschinelles Lernen, Astroinformatik, Galaxien, Datenanalyse

Zitat: Brescia M, Cavuoti S, Razim O, Amaro V, Riccio G und Longo G (2021) Photometrische Rotverschiebungen mit maschinellem Lernen, Licht und Schatten in einem komplexen datenwissenschaftlichen Anwendungsfall. Vorderseite. Astron. Weltraum Sci. 8:658229. doi: 10.3389/fspas.2021.658229

Eingegangen: 25. Januar 2021 Angenommen: 13. April 2021
Veröffentlicht: 02. Juni 2021.

Didier Fraix-Burnet, UMR5274 Institut de Planétologie et dɺstrophysique de Grenoble (IPAG), Frankreich

Bahram Mobasher, University of California, Riverside, USA
Ali Luo, Nationale Astronomische Observatorien (CAS), China

Copyright © 2021 Brescia, Cavuoti, Razim, Amaro, Riccio und Longo. Dies ist ein Open-Access-Artikel, der unter den Bedingungen der Creative Commons Attribution License (CC BY) verbreitet wird. Die Verwendung, Verbreitung oder Vervielfältigung in anderen Foren ist unter Nennung der Urheber und Urheber sowie unter Angabe der Originalpublikation in dieser Zeitschrift gemäß wissenschaftlicher Praxis gestattet. Es ist keine Verwendung, Verbreitung oder Reproduktion gestattet, die nicht diesen Bedingungen entspricht.