Wie Galaxien hätten entstehen können

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Auskünfte aus erster Hand gibt nur die Natur selbst. Sie ist also zu befragen, will man nicht zeitlebens am Krückstock von Autoritäten humpelnd lernen
(Roger Bacon 13. Jh.)

Eine Betrachtung des Erstarrungsvorganges von Metallschmelzen führt zu ähnlichen Vorstellungen über die Entwicklung des Universums.

Dieses Kapitel stand am Anfang aller Überlegungen, denn das Bild der großräumigen Galaxienverteilung im Universum nach Darstellungen von Peebles u.a. gleicht auffallend den dem Metallkundler von metallografischen Schliffbildern her vertrauten Strukturen, wie sie bei technischen Metalllegierungen von nicht höchster Reinheit auftreten.

Wenn die Strukturen sich gleichen, könnten dann nicht auch ihre Entstehungsmechanismen, die bei den Metallen gut bekannt sind, ähnlich sein? Es ist gewagt, einen Vergleich zwischen den in Lichtjahren gemessenen Entfernungen von Galaxien mit den im Mikrobereich auftretenden Kristallstrukturen anzustellen. Doch ermuntert, dass auch das Bohr'sche Atommodell sich anfangs der den Newton'schen Gesetzen folgenden Planetenbewegungen bediente.

Im folgenden Abschnitt sollen zunächst die Mechanismen bei der Erstarrung von technisch interessanten Metallschmelzen kurz skizziert werden, da nicht vorauszusetzen ist, dass die hier interessierenden Vorgänge allgemein bekannt sind.

Kristallisation von Metallschmelzen

Kühlt eine großvolumige Metallschmelze langsam ab, so bilden sich in einem bestimmten Temperaturintervall um den Schmelzpunkt herum Kristallkeime, die in der Folgezeit zu größeren Kristallen anwachsen, bis letztlich die gesamte Schmelze erstarrt ist.

Enthält die Schmelze Verunreinigungen oder gezielt zugesetzte Beimengungen, so läuft die Erstarrung je nach der Art der Zugabe sehr unterschiedlich ab. In vielen Fällen sind die Zugaben in der Schmelze homogen gelöst, aber im erstarrten Kristall sind sie praktisch unlöslich. Entscheidend sind die Bildungsenthalpien der entstehenden Phasen. Diese Fälle interessieren hier. Bei der Erstarrung entstehen keine intermetallischen Phasen.

Beispiel sei eine Kupferschmelze. Kupferdrähte haben einen höheren elektrischen Widerstand, wenn der unvermeidliche Sauerstoffgehalt relativ groß ist. Eine Zirkonium-Zugabe bindet bereits in der Schmelze den Sauerstoff unter Bildung von festem Zirkoniumoxid, das nicht in den Kupferkristall eingebaut wird, sondern vor der Erstarrungsfront herwandert, bis es sich im Endzustand auf den Grenzen zwischen den einzelnen Kristallkörnern ansammelt. Wegen der jetzt höheren Reinheit der Kupfermatrix ist deren elektrische Leitfähigkeit besser. Während der Wanderung koagulieren die Ausscheidungen bereits zu größeren Partikeln.

Ein anderes Beispiel ist eine bleihaltige Kupferschmelze. Jetzt ist das Blei in der Schmelze homogen gelöst. Bei Erstarrung bleibt das Blei flüssig und im festen Zustand befindet es sich nunmehr erstarrt auf den Korngrenzen und ergibt für Werkstoffe wie Messing, Neusilber oder Bronze eine gute Zerspanbarkeit.

In einem geeigneten metallografischen Schliffbild, bei dem nur die Ausscheidungen sichtbar gemacht werden, sieht man dann die etwa ringförmigen Verunreinigungen auf den Grenzen zwischen den vielen Kristallkörnern. Natürlich handelt es sich dabei um Planschliffe, aber eine kugelförmige Struktur im Volumen des festen Materials ist leicht vorstellbar. Derartige Strukturen sind denen der Galaxienverteilungen sehr ähnlich, wenn man sich die Matrix, hier Kupfer, wegdenkt.

Notwendig für ihre Entstehung waren:

1. Die Mischbarkeit in der Ausgangsphase; hier Schmelze.

2. Die Nicht-Mischbarkeit (und damit Ausscheidung) im Festkörper.

3. Langsame Abkühlung: Bei schneller Abkühlung verläuft die Kristallisationsfront des reinen Kupfers schneller als die Wanderungsgeschwindigkeit der ausgeschiedenen Partikel. Es bilden sich viele kleinere Ausscheidungen.

4. Die statistische Verteilung der Keime über das Schmelzvolumen.

Analogie

Als heuristisches Hilfsmittel soll eine Übertragung der Vorgänge versucht werden.

Die Bedingungen 1 bis 3 sind leicht vorstellbar - Punkt 4 eher nicht, wenn man das Horizontproblem beachtet, wonach zum Startzeitpunkt die Startbedingungen aller Blasen identisch sein sollen, obwohl die Informationgechwindigkeit zwischen den Blasen nicht größer als die Lichtgeschwindigkeit ist. Hier wird die Inflation zur "Hilfs"hypothese, die gemäß späterem Modell aber überflüssig wird.

Zur Übertragung des gewonnenen Bildes sind die Metalloxid-Ausscheidungen mit der Materieverteilung im Universum gleichzusetzen. Aber im Gegensatz zu trägen Diffusionsvorgängen im erstarrten Festkörper sind Bewegungen im "Quasi-Vakuum" des Universums möglich, so dass Materieströme aus benachbarten "Kristallkörnern" aufeinander treffen und zu Wirbeln führen. Auch nach dem "Zusammenprall" der Blasenfronten - wenn sie räumlich und zeitlich unterschiedlich starten - erfolgen wegen der Gravitation bis heute fortlaufend weitere Verdichtungen und Verwirbelungen.

Für eine Beziehung zur heute gültigen Vorstellung des Urknalls dient folgende Überlegung: Zu Beginn der Blasenentstehung liegt ein ausgedehntes, aber materiefreies Universum vor, dessen Konsistenz zunächst nicht bekannt ist. In der Folge treten statistisch über das Volumen verteilt Orte auf, an denen erste gravitierende Materie entsteht (über den Mechanismus soll später gesprochen werden). Diese Orte befinden sich in den Zentren der großen materielosen Räume (in der Literatur auch als Voids oder Hubble-Blasen bezeichnet).

Die entstehende Materie wandert, beschleunigt von den parallel gebildeten Adipolen, als Oberfläche der wachsenden Blase nach außen. Dabei kondensieren während der Wachstumsphase auf der Blasenoberfläche Materieteilchen unter Freisetzung großer Eigenenergien aufgrund der Gravitation bereits zu Staub, Sternen und Sternhaufen, auch zu Quasaren und Schwarzen Löchern. Es entstehen auf der Blasenoberfläche planare zentralsymmetrische rotierende Strukturen. Auch die Entstehung schwererer Sterne und damit verbundenen Supernovae erfolgt bereits.

Erst wenn die Oberflächen benachbarter Blasen aufeinandertreffen, Materieströme also meistens tangential aneinander vorbeifließen oder sich auch durchdringen, werden Wirbel auftreten. Die Rotationsachsen der Wirbel sind jetzt über alle Richtungen statistisch verteilt. Der Abstand (oder Stoßparameter) der gedachten Schwerpunkte der Galaxien bei größter Annäherung ist für die Form der resultierenden Spirale von Bedeutung.

Auch weiterhin unterliegen die Massenanhäufungen der Gravitation und akkumulieren weiter, wobei sie jedoch wegen der Attraktion auf der Blasenoberfläche auf Dauer nicht in benachbarte Blasen eintreten. Dabei treffen besonders schwergewichtige Anhäufungen auf, wenn – statistisch nicht eben häufig – Materieströme aus mehreren Blasen aufeinandertreffen (große Mauer?).

Auf den Blasenoberflächen wirken tangentiale Gravitationskräfte. Die Krümmung bewirkt eine in die Blasenmitte gerichteten Komponente, die Blasen kontinuierlich verkleinert bis alle Materie im Mittelpunkt kondensiert ist. Die größeren Nachbarblasen haben dann den gesamten Raum vereinnahmt.

Eine schöne Analogie sind Seifenblasen, die wegen der Oberflächenspannung Kugelform haben und zunächst gleichmäßige Wanddicke aufweisen. Im Schwerefeld der Erde fließt Flüssigkeit von oben zum unteren Blasenabschnitt. Die obere Oberfläche wird dünn und die Seifenblase platzt. Ohne Schwerefeld ziehen die Flüssigkeitsmoleküle einander an; gleiches gilt für die Blasen im Universum.

Da die Massendichte auf der Oberfläche nicht gleichmäßig ist, bilden sich Anhäufungen und Materiestränge, wie sie heute im Universum beobachtet werden oder Resultat von Computermodellen sind. Solche ringförmigen Gebilde beobachtet man abhängig von der Orientierung als Kreise, Ellipsen oder Scheiben. Da die gegenläufigen Ströme eine Unzahl bereits entstandener Sterne enthalten, sind sehr leicht Mehrfachbegegnungen wahrscheinlich, die Voraussetzung für die Bildung vieler Doppelsterne sind, welche in der Regel älter als die Spiralgalaxien sind.
Hier sei auf die Ausführungen über Schäume hingewiesen.

Doppelsterne bilden eine Rotationsebene, wodurch auch Dunkelmaterie, wie Sterne sie häufig mit sich führen, in der gleichen Ebene zirkulieren. Nach Verdichtung dieser Materie entstehen Planeten im gleichen Drehsinn in planarer Anordnung.

Das Bild verlangt, dass anfangs nur Staub, dann Sterne, Sternhaufen und nicht rotierende Galaxien in elliptisch abgeflachter Form auf der wachsenden Blasenoberfläche unter gleichzeitig stattfindender tangentialer Massenanziehung auftreten. Sternhaufen können bereits vor der Galaxienbildung entstehen.

Denken wir uns einen winzigen Beobachter in einem der unzähligen Kristallite eines ausgedehnten Metallstabes, der durch die für ihn durchsichtigen Kristalle des Kupfers nur die Korngrenzen betrachtet, so sähe er bei einer Ausdehnung des Stabes, wie die Abstände der vielen Korngrenzen proportional zur Entfernung sich nach allen Seiten entfernten. Er schließt, dass mit abnehmender Temperatur die Entfernungen schrumpfen, beim Nullpunkt der Zeit also in einen Punkt münden. So interpretieren wir heute die Hubble Ergebnisse. Ähnlich wie die thermische Dilatation eines Metallstabes die Summe über die Ausdehnungen der einzelnen Kristalle ist, bleibt das Hubble-Gesetz als die Summe der Ausdehnungen einzelner Blasen unberührt. Da wir aber selbst in einem Materiesaum zwischen Blasen leben, bewegen sich Spiralen der näheren Umgebung in verschiedene Richtungen. So nähert sich die Andromeda-Galaxie unserer Milchstraße.

Das Modell beinhaltet ferner, dass die Expansion der Blasen durch die Adipole bewirkt wird. Alle Vorstufen der Sterne bis zu den den Galaxien bilden die "Dunkle Materie", deren Temperatur mit ihrer Verdichtung ansteigt.

Im Gegensatz zur heutigen Urknalltheorie begann die Bildung der Materie und damit erster Sterne an vielen Stellen des Universums. Erste Sterne und Sternhaufen müssen daher älter sein als Galaxien.

Beim beschriebenen Mechanismus expandieren die Voids; bei konstantem oder unendlichem Raumvolumen muss die Summe aller Void-Volumina konstant bleiben. Das bedeutet, dass, falls neue Voids entstehen, diese auf Kosten der älteren wachsen. Was aber entspricht der Kupfermatrix?

In einem Kristall benötigt der Einbau von Verunreinigungen zusätzliche Energie wegen der Gitterverzerrungen. Energetisch günstiger ist dagegen der Aufwand für die Diffusion der Ausscheidungen vor der Kristallisationsfront. Dieser Mechanismus ist auf das geschilderte Bild übertragbar.

Nähme man an, dass die Materiebildung im Mittelpunkt jeder Blase ähnlich wie beim heute akzeptierten Urknall startete und alle Teile mit der gleichen Geschwindigkeit entwichen, so könnte die Expansion sich zwar stetig fortsetzen, die Expansionsgeschwindigkeit der einzelnen Blasen sollte aber abnehmen und somit auch deren Summe. Das Gegenteil haben Astronomen in jüngster Zeit festgestellt.

So bleibt die Alternative, dass innerhalb der Blasen eine Kraft wirkt, die ähnlich einem Gas in einem Luftballon das Volumen ständig zu vergrößern sucht. Dazu entstehen in der Wachstumsfront während der Wachstumsphase ständig neue Teilchen, die als gravitativ wirkende an der bereits existierenden Materie kondensieren, während die antigravitativ wirkenden im Rückraum verbleiben. Es mag andere Erklärungen geben, aber hier soll diese Hypothese angenommen werden.

Die Annahme, dass in der zur Metallschmelze analogen Frühphase verschiedene Blasen ihren Ursprung nahmen, überwindet auch das sogenannte Horizontproblem. Die Homogenität des heutigen Universums wurde durch die Eigenschaften der Frühphase bestimmt, ähnlich wie im morgendlichen Kaffeewasser bei 100°C nicht die Blasen Informationen über den Siedebeginn weitergeben, diese vielmehr in den Eigenschaften des Wassers zu suchen sind. Ist dann die Annahme einer Inflation noch notwendig? Das Blasenbild erlaubt auch eine Inflation, wenn man an unterkühltes Wasser oder auch an Siedeverzug denkt (analog: falsches Vakuum), das bei kleinster Störung sofort erstarrt oder verdampft, wobei die Schmelzwärme oder Wärme der Überhitzung frei wird, was zu einem Temperaturanstieg der Umgebung bis zur wahren Schmelztemperatur oder eine sehr schnelle Volumenzunahme führt.

Viele Fragen können beantwortet werden, wenn man annimmt, dass im Universum bei der Entstehung der ersten gravitierenden "Teilchen" symmetrisch auch solche entstanden, die sich antigravitativ verhalten. Sie besäßen im Hinblick auf die Gravitation entgegengesetzte Eigenschaften. Eine solche Vorstellung entspricht auch der Erfahrung, dass viele Quantenzahlen eine Symmetrie zeigen. Gerade in der Hochenergiephysik waren Symmetrien häufig Wegweiser für Voraussage und Entdeckung neuer Teilchen. Solche Teilchen stoßen sich und die gravitative Materie definitionsgemäß in der Zeit ständig ab und bedeuten eine beschleunigte, nicht endende Expansion des Universums (positive kosmologische Konstante).

Wenn beide Teilchenarten im Bereich der Wachstumsfront entstehen, die gravitierenden Teilchen koagulieren und wegen der Antigravitation nach außen wandern, so sind Rekombinationen im rückwärtigen Bereich nicht mehr möglich. Die Blasen bleiben frei von gravitativer Materie. Die Dichte der Adipole sollte während der Wachstumsphase im Rückraum konstant bleiben.

Wir kennen keine elektrischen Ladungen ohne Massen, dagegen Massen ohne elektrische Ladungen. Elektrische Ladungen setzen also Masseteilchen voraus. Danach entstanden zunächst beide Arten von Masseteilchen, die zunächst elektrisch neutral, später aber in positive und negative Teilchen zerfielen. Gravitative Teilchen reagierten unter der Wirkung der Gravitation unmittelbar zu schweren Körpern, antigravitative verbanden sich zu elektrischen Dipolen, die ihrerseits für alle Zeit isoliert bleiben. Mit diesen ist eine Polarisation des "Vakuums" möglich, wie sie bei elektrischen Teilchen im Vakuum angenommen wird. Nur wird es schwierig sein, mit Messverfahren, die letztlich auf Wechselwirkungen zwischen Masseteilchen beruhen, solche antigravitativen Teilchen nachzuweisen. Die folgenden Abschnitte mögen weiter für die Akzeptanz der Hypothese sprechen.

Im Physikunterricht vor 60 Jahren wurde gelehrt, dass sich die elektromagnetische Strahlung im Vakuum ausbreitet. Dielektrizitätskonstante und magnetische Permeabilität des Vakuums wurden eingeführt, um elektrische und magnetische Vektorgrößen zu definieren.

Das Vektorprodukt ergab den Poyntingvektor, der dann ebenfalls im Vakuum den messbaren Energietransport besorgte. Dass bei gekreuzten statischen Feldern der Poyntingvektor nicht verschwand, bezeichnete ein frühes Lehrbuch von Bergmann-Schäfer als einen paradoxen Fehler der Theorie.

Man kann jedoch den Poyntingvektor, der ja einen Energiestrom darstellt, wegen der Masse-Energie-äquivalenz (E = m *c²) durch eine Masse ersetzen. Mit Beachtung der Maxwell-Beziehung zwischen Lichtgeschwindigkeit und den genannten Vakuumkonstanten ergibt sich für einen Massestrom zunächst

m =const x D x B,

wo D die elektrische Verschiebung und B die magnetische Induktion sind.

Nun wird sich diese Masse nicht mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Nimmt man aber an, dass unbekannte Masseteilchen Träger der elektromagnetischen Wellen sind, dann wird deren Massendichte sich als Funktion von Zeit und Raum lokal ändern. Differentiation nach der Zeit ergibt bei festem Ort einen Ausdruck für die Massenänderung, wobei die Frequenz als Faktor auftritt. Damit ist der oben beschriebene Fehler behoben.

dm/dt = const*n*D*B

Für n = 0, also strahlungsfreier Raum, ist die Massendichte zeitlich konstant, bei gekreuzten statischen Feldern aber polarisiert.

Welche Eigenschaften müsste die Masse haben, die solchen lokalen und zeitlichen Wechseln unterliegt? Zunächst müsste sie aus Teilchen bestehen, die mit einer elektrischen Ladung behaftet sind, da sie ja mit elektromagnetischen Feldern wechselwirken. Andererseits sollte sie sich antigravitativ verhalten, da die Teilchen sonst koagulierten. Die verlangten Eigenschaften entsprechen denen der zuvor definierten hypothetischen Teilchen. Das Argument, dass transversale Wellen nur in Festkörpern möglich sind, entfällt, wenn man als Trägerteilchen die hypothetischen Dipole akzeptiert, die wegen ihrer gegenseitigen Abstoßung die Tendenz haben, sich möglichst äquidistant anzuordnen.

Ein Gegenargument war das Ergebnis des Michelson-Versuchs. Das war Auslöser für die Ausführungen im Kapitel "Michelson, Äther und Hubble".

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Bernhard Reddemann