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THEMA: Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion

Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 20 Mai 2016 16:08 #6289

Ich habe eine Frage zur kosmischen Hintergrundstrahlung:. Wenn sich alle Objekte seit dem Urknall voneinander wegbewegen, dann sollte dies doch auch für die Partikel der kosmischen Hintergrundstrahlung im Verhältnis zur Erde gelten. Wie kann diese denn dann gemessen werden?

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 20 Mai 2016 16:49 #6290

Nicht die Objekte bewegen sich voneinander weg, sondern der Raum dehnt sich aus.
Dadurch wird auch die Welle der kosmischen Hintergrundstrahlung gedehnt. Die Wellenlänge hat seit der Freisetzung der Strahlung um das ca. 1000 fache zugenommen.
Aber dies wurde alles schon hier in den verschiedensten Diskussionsfäden behandelt. Du musst nur nachlesen und nicht gleich einen neuen Thread aufmachen.
Grüße Denobio

Leicht beieinander wohnen die Gedanken. Doch hart im Raume stoßen sich die Sachen. Schiller, Wallenstein

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 20 Mai 2016 18:11 #6295

PS.
Als elektromagnetische Strahlung kommt die Hintergrundstrahlung bei uns mit Lichtgeschwindigkeit an. Wie gesagt mit gedehnter Wellenlänge.

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 29 Jul 2016 14:45 #7378

Hallo zusammen,
möglicherweise ist meine Vorstellung von diesen Gegebenheiten falsch und ich kann deshalb nicht verstehen warum man heute noch den Urknall in der Hintergrundstrahlung messen kann.

Ich möchte hier kurz mein Verständnis davon erläutern und hoffe mir kann jemand aufzeigen wo der Fehler liegt.

Messen wir z.B. die Lichtstrahlung(Photonen) unserer Sonne, so sind die Photonen, die wir messen können vor ca. 8 Minuten von der Sonne ausgestrahlt worden. Die Photonen, die vor 10 Minuten von der Sonne ausgesendet wurden sind dann zu diesem Zeitpunkt schon an uns vorbei gezogen.

380.000 Jahre nach der Urknall wurde das Universum durchsichtig(hatte sich weit genug ausgedehnt und abgekühlt um lichtdurchlässig zu werden) sprich die Photonen der Hintergrundstrahlung stammen irgendwie von diesem Moment?

Da die kosmische Inflation nur zwischen 10-33 bis 10-30 Sekunden nach dem Urknall statt fand hat sie auf die Größe des Universums zu dem Zeitpunkt 380.000 Jahre nach dem Urknall nur einen kleinen Beitrag(soweit ich das verstanden habe). Leider finde ich jetzt keine Angabe zu der Größe des Universums zu diesem Zeitpunkt.

Aber selbst wenn von jedem Punkt des Universums in jede Richtung Photonen ausgestrahlt worden wären hätten sie in den vergangen 13 Mrd. Jahren nicht irgendwann an uns vorbei fliegen müssen, da die Ausdehnung des Universums ja deutlich langsamer als die Lichtgeschwindigkeit war?

Beste Grüße
SnakeEye

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 30 Jul 2016 14:54 #7381

Gute Frage, SnakeEye,

bei mir fing das mit folgender Vorstellung an:
Ich sitze mitten in einem Raumvolumen voller ständig gestreuter Strahlung, also damals vor 13,6 Milliarden Jahren. Nun lichtet sich der Nebel und die Strahlung kann meinen Ort verlassen. Aus meiner Umgebung starten bald keine Photonen mehr. Die Photonen, die von allen Seiten auf mich einprasseln, kommen aus immer größerer Entfernung.
Ich denke mir damals wie heute, "wahrscheinlich kann die Gegend hinter der "surface of last scattering" noch lange Photonen nachliefern". Lange heißt wahrscheinlich: "asymptotische Annäherung" an unendlich. Die Vorgänge sind unübersichtlich und modellhaft schwer zu verstehen: "SRT plus ART plus Expansion der Raumzeit".

Jede einfache, bildhafte Vorstellung ist zwangsweise unvollständig und verfälscht die Tatsachen.

Apropo Expansion: Wir wissen nicht bei welcher Größe das Universums (nach der Inflation) mit seiner Friedmann-Expansion angefangen hat. Die Friedmann Expansion beschreibt nur das Anwachsen des Skalenfaktors. Wie groß das Universum in jeder Epoche jeweils war, ist unbekannt.

Man kann in jeder Epoche nur von der Größe des beobachtbaren Universums, also von Horizonten, sprechen.

Lensch sagte mal in einem Video: "Nach der Expansion passt das Universum in diesen Saal". Andere sagen, es hätte die Größe einer Pampelmuse gehabt. Andere sagen, es wäre um 20 Zehnerpotenzen größer gewesen. Und wieder andere .....

Wie auch immer: Die Frage treibt mich auch um. Ich bin sicher, das Standardmodell kann sie mathematisch beantworten: die CMB wird auch in Zukunft nicht hinter den Ereignishorizont zurückweichen. Wahrscheinlich sorgen Zeitdilatation und die Ausdehnung des Gebiets, aus dem die Photonen der CMB stammen, dafür, dass wir die CMB auch in Zukunft und in allen folgenden Epochen messen können. Natürlich verlängert sich dabei die Wellenlänge immer weiter.
Sich ein echtes Verständnis anzueignen, ist mühsam. Ich versuche das gerade und mache so meine Erfahrungen. Was da Wikipedia so bietet, ist manchmal widersprüchlich und sogar falsch. Am besten sind die Englischen Seiten. USA bietet auf diesem Gebiet offensichtlich auch didaktisch mehr.
Um meine Grundlagen aufzufrischen, habe ich mir zu erst einmal eine neue Auflage des Gehrtsen beschafft. Aus alter Anhänglichkeit.

Hoffentlich lacht sich ein echter Kosmologe beim Lesen meiner spontanen Zeilen keinen Ast.

Beste Grüße Denobio

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 30 Jul 2016 21:03 #7387

Hallo Denobio,
Den Gehrtsen, Kneser, Vogel hast du dir gekauft. Ich hab zwei Ausgaben davon. Die eine stammt noch aus den Achzigern und die zweite hab ich 2005 erstanden. Sollte mir auch mal die jüngste Ausgabe gönnen.
Aber zu euerer Frage. Das Problem scheint darin zu liegen, dass ihr mit Ausdehnung die Ausdehnung, also das voneinander Wegfliegen der Körper in einem vorgegebenen Raum versteht. Dann hättet ihr Recht, denn dann würden uns die Photonen der CMB längst überholt haben. Wie eine Kugelschale, innerhalb derer die Photonen nach wie vor streuen würden, hätte uns dieselbe überholt und wir würden nichts mehr davon mitkriegen.
Anders sieht es aus, wenn man die Ausdehnung der Raumzeit denkt, denn dann dehnen sich nicht nur die Wellenlängen, sondern aus der Kugelschale wird wieder eine mit streuenden Photonen angefüllte Kugel, die sich mit ihren Photonen und natürlich auch mit uns mit ausdehnt.
Die Anzahl der Photonen, die bei uns eintreffen, wird im Lauf der Zeit weniger und die Wellenlängen werden gestreckt. Ich hoffe es halbwegs richtig formuliert zu haben.
Grüße
Thomas

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 30 Jul 2016 21:14 #7388

Hallo Thomas,
danke für die Erläuterung. Für dieses Verständnis muss ich noch arbeiten.

Mein Gerthsen stammte aus dem Jahr 1969. Den hat mir mein Sohn entführt als er zu studieren begann (1994).
Gegenüber meinem alten Buch deckt die neue Ausgabe viel mehr Stoff ab. Ich habe ihn erst seit gestern und habe nur wenig gestöbert. Mir scheint aber, dass der Text an manchen Stellen etwas umständlich und hölzern daher kommt. Aber vielleicht tue ich mich auch nur schwerer als damals....

Beste Grüße Denobio

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 03 Aug 2016 10:34 #7433

Ich muss hier mal querfragen.
Neulich habe ich gelesen, dass das intergalaktische Material zu ca. 99% ionisiert ist. Diesem Umstand ist es zu verdanken, dass das Universum überhaupt durchsichtig ist. Ansonsten würde das neutrale intergalaktische Material (Staub und Gas) die Strahlung verschlucken und wir würden quasi in einen "Nebel" schauen.
Nun heißt es immer so schön, dass nach dem Dunklen Zeitalter, als sich die ersten Sterne bildeten, die Phase der Re-Ionisation einsetzte. Das klingt logisch. Aber reichte die damals emittierte harte Strahlung (UV, Röntgen etc) der ersten Sterne wirklich aus, um einen so hohen Ionisierungsgrad des intergalaktischen Materials zu bewerkstelligen? Sicher, die ersten Sterne waren ohne "Metalle", deshalb extrem massereich und endeten als Hypernova. Sie strahlten in ihrem kurzen Dasein auch wesentlich mehr harte Strahlung ab als unser G2V Stern. Andererseits dürfte es für diese Strahlung auch nicht so leicht gewesen sein, die sich bildende jeweilige Heimatgalaxie zu verlassen, ohne vorher absorbiert worden zu sein.
Nun scheint es neue Erkenntnisse zu geben, die davon ausgehen, dass die Sterne von Zwerggalaxien maßgeblich dazu beigetragen haben. In einem Artikel in "Bild der Wissenschaft" ist von gewissen "Korridoren" die Rede, aus denen die Strahlung aus den Zwergen entweichen konnte. Leider ist der Artikel nicht gebührenfrei online verfügbar. Aber einen Link zu der NZZ stelle ich auch rein:
www.nzz.ch/wissenschaft/astronomie/trans...ggalaxien-1.18634728

Grüße Josef

Du musst auch im brennenden Haus deinen Frieden finden (zen-buddhistische Weisheit),...........denn alles Sein ist flammend Leid (Franz Marc)

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 03 Aug 2016 21:36 #7442

Hallo Josef,
Nun heißt es immer so schön, dass nach dem dunklen Zeitalter , als sich die ersten Sterne bildeten, die Phase der Re-Ionistion einsetzte....
Darf ich das korrigieren.? Vom Bang bis etwa 380.000 Jahre später war die Materie so heiß , dass sich keine Atome bilden konnten. Protonen und Elektronen kamen nur als Einzelteilchen, als Ionen, vor. Da Elektronen und Photonen aber quasi artverwandt sind, streuten die Photonen fortwährend an den Elektronen. Die Photonen hatten keine Chance, diesem Teilchenwirrwarr zu entkommen.
Erst als die Temperatur soweit gesunken war, dass die Protonen die Elektronen festhalten konnten, sich also Atome bildeten, konnten die Photonen entkommen. Diesen kosmologischen Aogenblick nennt man Re-Ionisation.
Zurück blieb Materie in Form von 75% Wasserstoff und 25% Helium und Dichteschwankungen. Aus den letzteren sollten später die ersten Megasonnen und die ersten Anfänge von Protogalaxien entstehen. Erst als diese entstanden waren kam wieder Licht ins Universum.
D.h., erst kam es zur Re-Ionisation, dann kam das sog. Dunkle Zeitalter und dann entstanden die ersten Sterne.
Grüße
Thomas

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 03 Aug 2016 22:34 #7443

Hallo Thomas,

D.h., erst kam es zur Re-Ionisation, dann kam das sog. Dunkle Zeitalter und dann entstanden die ersten Sterne

Da muss ich aber ganz entschieden widersprechen. Die Reionisation ist das Zeitalter in der Kosmologie, als die ersten Sterne das umliegende intergalaktische Gas erneut ionisierten. Bis ca. 380000 Jahre nach dem Urknall - wie du zuvor ganz richtig geschrieben hast - gab es nur Plasma, also Ionen. Dann bildeten sich neutrale Atome und durch weitere Ausdehnung und Streckung der Hintergrundstrahlung wurde es - für einen imaginären menschlichen Beobachter - im All lange dunkel. Außerdem verschluckten die neutralen Atome das Licht noch immer. Dann bildeten sich die ersten Sterne, die den Reionisationsprozess einleiteten. Daher auch der Name Reionisation.
In dem Artikel, den ich reinkopierte, steht es ja auch ganz deutlich:
Auszug aus dem NZZ Artikel:

Der Wasserstoff bildete sich etwa 400 000 Jahre nach dem Urknall, als sich das Universum so weit abgekühlt hatte, dass sich Protonen und Elektronen zu Wasserstoffatomen verbinden konnten. Danach begann ein Zeitalter, das Astronomen als dunkel bezeichnen – dunkel deshalb, weil das neutrale Wasserstoffgas jegliches Licht verschluckte. Dieser Zustand war jedoch nicht von langer Dauer. Denn bald bildeten sich im Universum die ersten Objekte. Deren intensives UV-Licht sorgte dafür, dass der neutrale Wasserstoff nach und nach wieder ionisiert wurde. Dieser Prozess war eine Milliarde Jahre nach dem Urknall abgeschlossen. Nun konnte sich das Licht ungehindert ausbreiten.


Auch die Graphik aus Wiki verdeutlicht es:

de.wikipedia.org/wiki/Reionisierungsepoc...x-Reion_diagram2.jpg

Grüße Josef

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 03 Aug 2016 22:48 #7444

Ja wahrscheinlich verbale Verwechslung. 380.000 Jahre nach dem Urknall war die Rekombination. So hat sich das eingebürgert, obwohl das"re" eigentlich falsch ist, weil vorher noch nie neutrale Atome da waren. . Thomas ist wohl eine Verwechslung passiert. Beste Grüße Denobio

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 03 Aug 2016 23:17 #7446

Ich verstehe momentan nicht, warum es im "Dunklen Zeitalter"" tatsächlich dunkel gewesen sein soll. Es gab ja damals die Photonen der Hintergrundstrahlung. Aufgrund der deutlich geringeren Ausdehnung des Universums war die Photonendichte damals deutlich höher als heute.

Das "Dunkle Zeitalter" hat ja begonnen, als die Energie der Hintergrundstrahlung unter die Ionisierungsenergie von Wasserstoff von 13,6 eV gefallen war.
Zum Vergleich: Die Energie von sichtbarem roten Licht beträgt etwa 2 eV.

Somit hat die Hintergrundstrahlung noch eine ganze Weile das Weltall optisch erleuchtet - und die ersten Sterne haben ja gar nicht so lange auf sich warten lassen. Ich bezweifle daher, dass es im Weltraum während des "Dunkle Zeitalters" tatsächlich ganz dunkel gewesen ist.

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 03 Aug 2016 23:56 #7449

Hallo ClausS,

deine Frage ist berechtigt. Leider oder Gott sei Dank ist von uns keiner so alt, dass er damals als Zeitzeuge hätte dienen können. ;)
Ich zitiere mal aus einem Sonderheft von Geokompakt zum Thema Urknall:
"...Nach 12 Millionen Jahren sind vom heißen Urfeuer wohlige 25 Grad geblieben. Knapp 2 Millionen Jahre später herrschen Minusgrade, die Temp. fällt schließlich auf rund 270 Grad C unter null."
Oder ausgedrückt in Farben heißt es: "Das blendende Weiß bekommt einen Gelbstich, tönt sich bald orangefarben, geht über ins Rötliche. Allmählich kippte es ins Kaminrot, in düsteres Purpur. Es wurde immer dunkler....dann wurde es schwarz im All."
Nach gut 100 Millionen Jahren endete laut Geokompakt diese dunkle Ära und die ersten Sterne zündeten. Nachfolgend setzte eben dann auch der Prozess der Reionisierung ein.
Grüße Josef

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 04 Aug 2016 00:01 #7450

die Photonen der Hintergrundstrahlung hatten damals nach der Re-Kombination tatsächlich einen hohen Energieinhalt, soll heißen , dass sie im Gammabereich angesiedelt waren. Dashalb war das Universum nicht dunkel, sondern deshalb, weil es nichts gab, womit sie wechselwirken konnten. Kein WW-Partner heißt, dass man als Beobachter nichts hätte sehen können. Die hochenergetischen Photonen trafen einfach auf nichts und deshalb war es dunkel im Universum.
Die expandierend nachfolgende Materie musste sich erst verdichten, um Sterne zu bilden und die wiederum erzeugten Strahlung, die die in ihrer Umbebung befindlichen Gase wiederum ionisieren konnten. Aber diese Ionisierung war ein Sekundärprozess, der viel später stattfand. Das darf man nicht mit der Re-Ionisierung verwechseln.
Grüße
Thomas

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 04 Aug 2016 00:13 #7452

Da ist mir ein Lapsus unterlaufen, es mus im letzten Satz heißen Re-Kombination und nicht Re -Ionisierung.
Thomas

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 04 Aug 2016 00:30 #7453

Thomas,
nun bin ich erneut irritiert. Die Rekombination fand doch ca. 380000 Jahre nach dem Urknall statt und die Reionisation dann eben nach dem dunklen Zeitalter als die ersten Sterne zündeten, also so grob 100 Millionen Jahre später. Rekombination und Reionisation sind doch etablierte Begriffe.
Hältst du dann die von mir zitierte Aussage aus dem Geokompakt Sonderheft zum Urknall für falsch? Welche Wellenlänge bzw. Energie hatte dann die Hintergrundstrahlung am Ende der dunklen Epoche so ca. 100 Millionen Jahre nach dem Urknall?

Die hochenergetischen Photonen trafen einfach auf nichts und deshalb war es dunkel im Universum


Das verstehe ich nicht. Die Photonen mussten doch auch auf nichts treffen. Es geht doch hier rein theoretisch um die Wellenlänge der Photonen der Hintergrundstrahlung zwischen 380 und 780 nm, wo eben ein fiktiver menschlicher Beobachter etwas gesehen hätte, wenn etwas dagewesen wäre, mit dem die Photonen hätten wechselwirken können. Und da liest man doch bei allen Quellen, die ich kenne, dass eben in der dunklen Epoche die Wellenlänge im Laufe der Zeit über 780nm hinaus durch die Raumexpansion gestreckt wurde. Deshalb sagt man salopp, dass es allmählich dunkel wurde, bis eben die ersten Sterne zündeten.
Grüße Josef

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 04 Aug 2016 10:16 #7455

Thomas schrieb: die Photonen der Hintergrundstrahlung hatten damals nach der Re-Kombination tatsächlich einen hohen Energieinhalt, soll heißen , dass sie im Gammabereich angesiedelt waren.


Zum Zeitpunkt der Entkopplung der Hintergrundstrahlung dürfen die Photonen keine Energie größer 13,6 eV gehabt haben. Sonst hätten sie den neutralen Wasserstoff sofort wieder ionisiert. Im Gammabereich haben Photonen eine Energie von mindestens 100 keV, das kann zu der Zeit nicht gewesen sein.

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 04 Aug 2016 10:27 #7456

Thomas schrieb: die Photonen der Hintergrundstrahlung hatten damals nach der Re-Kombination tatsächlich einen hohen Energieinhalt, soll heißen , dass sie im Gammabereich angesiedelt waren.
Thomas


Hallo Thomas,
wenn das Maximum der CMB heute knapp unter 3 Kelvin liegt, dann waren es damals knapp 3000 Kelvin ( Z=1000)

3000 K entsprechen ca. 1,3 eV , entsprechend 1000 nm. Das liegt im Infraroten.
Am hochfrequenten Ende fällt die CMB steiler ab als bei langen Wellenlängen.
Bei 10.000 K entsprechend 4 eV, entsprechend 300 nm . Nahes Ultraviolett.
Intensitätsabfall von 3000 K bis 10.000K : 4 Zehnerpotenzen.
Mir steht kein Spektrum der CMB bis zur Ionisationsgrenze von Wasserstoff bei 13 eV zur Verfügung. Aber wahrscheinlich wäre dort kaum noch CMB Intensität messbar. Also ist klar, dass Elektronen und Protonen rekombinieren konnten.

Ist Deine Aussage richtig, dass die Strahlung nach der Rekombination einen hohen Energieinhalt hatte und im Gammabereich lag?
Also z.B. Positron-Elektron Zerstrahlung bei 0,5 MeV entsprechend 1 GigaKelvin.

Ich denke, die Gammastrahlung war längst durch Streuung thermalisiert.

Deswegen stimmt Deine Aussage immer noch. Ein Beobachter hätte Dunkelheit gesehen, denn es gab keine Materie, die hätte angestrahlt werden können. Außer ihm selbst. Er hätte in gleißend hellem Licht gestanden. Und es wäre ihm sehr warm geworden. Eine Wolframwendel einer Glühbirne strahlt ja auch mehr Wärme als Licht ab. Ihre Temperatur liegt auch bei ca. 3000 K (oder ein klein bißchen weniger).

Beste Grüße
Denobio

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 04 Aug 2016 13:19 #7458

Vielleicht ist es auch ganz hilfreich sich noch mal die Epochen vor Augen zu führen:
ca- 380.000 Jahre bis 14 Mill. Jahre (wird auch als Ära der Atome bezeichnet):
Licht ist nun nach der Rekombination der Materie entkoppelt. Für einen fiktiven Beobachter wäre es zu Beginn der Ära noch gleißend hell gewesen, da die Temp. noch bei 3000K lag, aber da es keine Wechselwirkungen gab, kann man trotzdem von Dunkelheit reden.

ca. 14 Mill. bis 100 Mill. Jahre (Ära der Finsternis):
Das All dehnt sich weiter aus, kühlt beständig ab und die Temp. fallen unter den Gefrierpunkt. Licht wird immer "schwächer" (im umgangssprachlichen Sinne). Nach einer Zeit ist der Kosmos erfüllt von frostiger Schwärze.

ab 100 Mill. Jahre:
Während der vergangenen Jahrmillionen war die Schwerkraft am Werk: Winzige Quantenfluktuationen wurden durch die inflationäre Phase unmittelbar nach dem Urknall auf makroskopische Größe gebracht und sorgten dafür, dass sich Materie zu größeren Gebilden zusammenballte konnte, den Vorläufern der Galaxien. Dabei spielte wohl nach heutigem Kenntnisstand die DM eine entscheidende Rolle. Nach eben ca. 100 Mill. Jahren zündeten die ersten Sterne und der Reionisationsprozess begann.

Ist folgende Aussage richtig?
Einerseits heißt es, dass nach der Rekombination das All für Licht durchlässig wurde. Aber gestreut wurde die Strahlung der CMB doch noch immer am H und He. D.h, weit entfernte Objekte hätte man wegen "Nebel" nicht sehen könnten, so fern sie denn existiert hätten, oder?
Erst durch die Reionisation der Materie durch die harte Strahlung der enstehenden Sterne nach ca. 100 Mill. Jahren wurde das All auf großen Skalen transparent. So zumindest mein Verständnis jetzt aufgrund des Artikels, den ich verlinkte, und den letzten Beiträgen von euch.
Grüße Josef

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 04 Aug 2016 19:10 #7461

Hallo Josef,

der verlinkte Wikipedia Artikel ist teilweise falsch. So ist die verlinkter Grafik für die Zeit 380.000 Jahre nach dem Urknall beschriftet mit „Universum wird neutral und lichtundurchlässig“. Auch im Text gibt es „Ungereimtheiten“.

Zu deiner Frage:
Als ca.100 bis 200 Mio Jahre nach dem Urknall genügend ultraviolett leuchtende Himmelskörper zur Verfügung standen, entstand wieder ein Plasma (Re-Ionisation). Zu dieser Zeit war die Dichte des Wasserstoffs und Heliums wegen der Expansion aber schon stark abgesunken, so dass Streuung von Photonen an freien Elektronen und Protonen viel seltener waren als in der ersten Ionisationsepoche. Dazu kommt, dass die Comptonstreuung an freien Elektronen bei hochenergetischen Photonen viel effektiver ist, als bei "abgekühlten, niederenergetischeren (Thomsonstreuung) Photonen. Das Universum war damals ungefähr so transparent wie heute. Die Opazität nach ca. 1 Milliarde Jahre betrug ca. 10%.

Dunkle Epoche vor der Re-Ionisation
Ein kleiner Beitrag zur Streuung kommt auch in einem neutralen Gas vor, wenn diskrete Wellenlängen absorbiert werden, um gebundene Elektronen in einen angeregten Zustand zu heben. Intensitätsmäßig fällt dies aber kaum ins Gewicht, da die CMB eine breite, kontinuierliche Verteilung hat.

Zum Vergleich
Auch das Licht einer 2700 Grad heißen Glühwendel kann man näherungsweise mit einem Plankschen Strahler beschreiben. Nur 5 % der Intensität stecken im sichtbaren Licht (und nur dort hat man Energien, die für die sogenannte Resonanzabsorption ausreichen, z.B Wasserstoff H-Alpha bei ca. 650 nm in der Sonnenatmosphäre), der Rest steckt in längeren Wellenlängen der Wärmestrahlung, diese Strahlung kann keine gebundenen Elektronen auf höhere Energieniveaus anheben .

Auch die Frauenhofer Linien im Sonnenspektrum nehmen dem Sonnenlicht kaum Intensität weg.

Beste Grüße
Denobio

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 05 Aug 2016 09:43 #7467

Hallo Josef, ich muss einen Teil noch mal einfacher und vielleicht stimmiger sagen.

für die Dunkle Epoche bis wieder erstes Lich aufleuchtete (ca. 380.000 bis 200 Mio Jahre)
war die CMB das einzige Licht. Diese Strahlung lief ohne Wechselwirkung durch das neutrale Wasserstoff- und He -Gas.

Seine Wellenlänge nahm schnell zu und wurde damit immer niederenergetischer, wodurch keine gebundenen Elektronen mehr angeregt werden konnten. Dass noch eine Rayleighstreuung an ganzen Atomen oder Molekülen möglich war, glaub ich nicht. Diese Streuung nimmt auch mit der 4. Potenz der Frequenz zu, also mit der Wellenlänge entsprechend ab.

Schätzungsweise lag bei 200 Mio Jahre z um die 50. D.h. die Energie der CMB hatte nur noch ca. 150 Kelvin (im Maximum des Spektrums). Seit der Rekombination wurde die Wellenlänge also noch mal um den Faktor 20 gedehnt. Also keine Streuung an H, H2 und He.

Als die ersten Sterne aufflammten und wieder kurzwelliges Lich entstand und wieder Ionisation auftrat, gab es wieder Streuung. Aber die Dichte des Plasmas war verglichen mit der vor der Rekombination um den Faktor (geschätzt) 10 000 geringer, wenn ich von einer Zeit bei z=10 ausgehe, wo das Universum gegenüber der Rekombinationszeit im Volumen um den Faktor 10 000 gedehnt war.

Grüße Denobio

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 05 Aug 2016 11:48 #7474

Hallo Denobio,

Hm, deine Aussagen klingen logisch, stehen aber im Widerspruch zu dem, was man sonst so liest. Ich glaube nämlich, dass es auf der Wiki-Graphik durchaus schon bewusst "lichtundurchlässig" heißt. Zwar kam es nach der Rekombination nach 380.000 Jahren zu einer Entkopplung von Photonen und Materie, aber dass die Photonen der CMB ohne WW durch das All liefen, wie du schreibst, wird in allen Beiträgen, die ich dazu gelesen habe, eben anders dargestellt.

Anbei nur als ein Beispiel der Auszug aus dem NZZ Artikel aus dem Link weiter oben von mir (deckt sich auch vollständig mit einem Artikel in Bild d. Wissenschaft im aktuellen August-Heft, leider nicht online):

Der Wasserstoff bildete sich etwa 400 000 Jahre nach dem Urknall, als sich das Universum so weit abgekühlt hatte, dass sich Protonen und Elektronen zu Wasserstoffatomen verbinden konnten. Danach begann ein Zeitalter, das Astronomen als dunkel bezeichnen – dunkel deshalb, weil das neutrale Wasserstoffgas jegliches Licht verschluckte. Dieser Zustand war jedoch nicht von langer Dauer. Denn bald bildeten sich im Universum die ersten Objekte. Deren intensives UV-Licht sorgte dafür, dass der neutrale Wasserstoff nach und nach wieder ionisiert wurde. Dieser Prozess war eine Milliarde Jahre nach dem Urknall abgeschlossen. Nun konnte sich das Licht ungehindert ausbreiten.


Mit "jegliches Licht verschluckte" meint der Autor wohl in diesem nicht so sehr in die Tiefe gehenden allgemeinwissenschaftlich verständlichen Artikel die auch von dir aufgeführten Effekte Compton- und Thomson-Streuung und Rayleigh-Streuung. So jedenfalls meine Vermutung.

Abweichend von deiner Darstellung könnte ich nun aus den Beiträgen in Wiki, NZZ, Bild d. Wissenschaft etc folgenden Schluß ziehen:
Vor der Reionisationsepoche kam es im neutralen Gas zu massiven WW mit dem Licht, wobei mit zunehmender Expansion des Alls und damit zunehmender Wellenlänge mehr der Rayleigheffekt gegenüber dem energiereiche Photonen erfordernden Compton/Thomson-Effekt dominierte.
Da jetzt aber mittlerweile durch die Reionisation das intergalaktische Material angeblich zu über 99% ionisiert ist, ist der Rayleigh-Effekt (WW mit neutraler Materie, Streuung) vernachlässigbar. D.h, nur noch der Compton- und der Thomson-Effekt könnten zum Tragen kommen, aber davon wären nur sehr energiereiche Photonen betroffen. Außerdem ist das intergalaktische Material mittlerweile sehr ausgedünnt durch die gewaltige Raumexpansion.
Spricht man eigentlich vom Compton-Effekt nur, wenn auch gleichzeitig damit ein Ionisierungsvorgang einhergeht (Entstehung eines freies Elektrons mit höherer Energie und Zunahme der wieder abgestrahlten Photonenwellenlänge), d.h. handelt es sich auch bei der WW mit einem freien geladenen Teilchen bei Zunahme der Photonenwellenlänge und höherer Teilchenenergie des getroffenen Elektrons um Compton-Strahlung? Der Thomson-Effekt ist ja ein Grenzfall des Comptoneffekts an bereits freien oder nur schwach gebundenen geladenen Teilchen, wobei aber der Rückstoß dabei elastisch ist und sich die Photonenenergie nicht verändert, aber dies wohl nur bei kleineren Energiebeträgen des Photons funktioniert. Wechselwirkt also ein Photon mit einem freien geladenen Teilchen und überträgt auf das Teilchen Energie, spricht man dann auch wieder vom Comptoneffekt, denn ionisiert ist das Teilchen ja ohnehin bereits. Oder gibt es so eine WW gar nicht.
Ich bin mir nicht sicher, aber somit könnte es durchaus so sein, dass durch den hohen Ionisierungsgrad im intergalaktischen Gas und die hohe Verdünnung das Licht ferner Objekte uns aus folgenden Gründen gut erreicht:
Durch den hohen Ionisierungsgrad des Gases im intergalaktischen Raum kommt es nicht zum Rayleigh-Effekt (nur an neutraler Materie möglich) und auch der Compton-Effekt, der ein Ionisierungsvorgang ist (stimmt das, siehe Anmerkung oben, bin mir unsicher????), kommt nicht mehr zum Tragen. Der Grenzfall des Compton-Effekts, der Thomson-Effekt, ist zwar noch wirksam, fällt aber nicht mehr ins Gewicht.
Außerdem ist das intergalaktische Material bereits extrem verdünnt, wobei aber doch zu Bedenken ist, dass das Licht extrem weiter Objekte eine ungeheuer lange Strecke durchlaufen muss. Wie hoch da noch die Wahrscheinlichkeit für noch theoretisch mögliche WW je nach Photonenenergie sind, vermag ich ohnehin nicht abzuschätzen.
Diese Schlussfolgerung wäre im Einklang den Beiträgen, die ich dazu gelesen habe.
Denobio, ich bin gespannt, was du dazu zu sagen hast.

Schöne Grüße
Josef

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 05 Aug 2016 12:24 #7477

Stimmt, vor der Rekombination waren die Photonen sehr energiereich. Danach gab es tatsächlich so gut wie keine Gammaphotonen mehr, denn die hätten den Wasserstoff gleich wieder ionisiert. Ihr habt recht.
Grüße
Thomas

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 05 Aug 2016 12:27 #7478

Josef, danke für deine lange Antwort.

Zu der Dunklen Epoche.. das ist schon ärgerlich in welch großem Ausmass voneienander falsch abgeschrieben wird.

Experiment: Fülle ein Zimmer mit Wasserstoff und Helium und bringe eine Lampe an, die CMB emittiert. Das kann man auch mit einer sehr heißen Glühwendel machen. Ergebnis: Keine Wechselwirkung von Licht und Gas, außer ein paar Absorptionslinien!

Das wird auch auf der englischen Wikiseite genau so beschrieben, die ich dir unten im Auszug kopiert habe. Ich sagte ja, die Amerikaner machen weniger Fehler auf Wiki.

Es wird gesagt : durchsichtig im größten Teil des Spektrums, opak nur bei gewissen Lininen. Auch das muss man relativieren, die Linienanregung verschwindet sehr schnell mit kälter werdender CMB.

Bei der deutschen "Stillen Post" ist wohl die Suggestivkraft der Ausdrucks "Dunkle Epoche" zu groß. Man schreibt sich dann zurecht, so wie es die Autoren halt verstanden haben: "Dunkele Epoche- kein Licht da- alles Licht wird absorbiert- CMB dringt nicht durch". (Wie sähe das denn, zum Teufel, energetisch aus?)

Fazit: Wieder ein Beispiel, wo Quatsch mit Soße erzählt wird.

Auszug aus englischer Wikiseite:

While the electrons of neutral hydrogen can absorb photons of some wavelengths by rising to an excited state, a universe full of neutral hydrogen will be relatively opaque only at those absorbed wavelengths, but transparent throughout most of the spectrum.

Übersetzung: Da Elektronen des neutralen Wasserstoffs, nur einige bestimmte Wellenlängen absorbieren können, indem sie auf einen angeregten Zustand gehoben werde, ist das aus Wasserstoff bestehende Universum nur ralativ opaque bei diesen Wellenlängen, aber durchsichtig für das ganze übrige Spektrum.......

Auf der englischen Seite ist auch die entsprechende Grafik richtig beschriftet. "Univers becomes neutral and transparent." Universum wird neutral, daher transparent, ich schicke dir nachher den Link.

Die absorbierte Intensität in den Linien macht weniger als ein millionstel der gesamten Intensität aus. Und die Absorption verschwindet sehr schnell mit länger werdender CMB-Strahlung.

Josef, glaube mir und nicht der populärwissenschaftlichen "Stillen Post". Da lehne ich mich ganz weit raus.
Mir ist die deutsche Wiki schon öfters ein Ärgernis gewesen.

Beste Grüße Denobio

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 05 Aug 2016 12:40 #7479

Für Josef
en.wikipedia.org/wiki/Reionization#/medi...le:Reion_diagram.jpg

Ja da hat man nun die Qual der Wahl. Wem vertraut man: Dunkle Epoche nach der Rekombination für die CMB undurchsichtig nach dem deutschen Wiki-Eintrag?
oder fast zu 100% transparent nach dem englischen Eintrag und wie ich es auch verstanden und mit physikalischen Argumenten erklärt habe.

Zumindest sind die englischen Seiten, denke ich, bei kosmologischen Sachverhalten vertrauenswürdiger. Das habe ich schon seit längerem so behauptet.

Gruß Denobio

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 05 Aug 2016 18:37 #7484

Vielen Dank, Denobio, nun ist die Sache klar.
Ich habe noch mal quergelesen und auch die folgende engl. Wiki-Seite bestätigt deine Schilderung im Kapitel "Dark Ages":
en.wikipedia.org/wiki/Chronology_of_the_universe#Dark_Ages

Für mich noch mal zusammengefasst:
Das hieße also, dass es dem internationalem Team unter Leitung ETH Lausanne darum geht, den Nachweis zu erbringen, dass es damals 600-900 Mill. Jahre nach dem Urknall schon genug Zwerggalaxien gab, die heute schwer nachzuweisen sind, aber deren Sterne maßgeblich zur Reionisation beitrugen. Wahrscheinlich wäre es bei geringerer Galaxien- bzw. Sternenhäufigkeit nicht mehr möglich gewesen, das All dann später trotz höherer Sternenanzahl durch die dann bereits weiter fortgeschrittene Ausdünnung, sprich Expansion in so hohem Maße zu reionisieren, wie wir das heute beobachten, oder?

Wenn diese Reionisation nicht in dem Maße stattgefunden hätte, hätte dann der intergalaktische Raum heute die gleiche geringe Opazität, da der Anteil an neutralem Gas dann deutlich höher wäre? Das Licht fernster Objekte muss ungeheure Räume durchlaufen. Könnte es da nicht zumindest zu einem störenden Rayleigh-Effekt an neutralem Gas kommen? Auch der Compton- und Thomsoneffekt wäre doch möglich. Schließlich reist auch sehr energiereiche Strahlung aus fernen Galaxien durch den intergalaktischen Raum. Es wird behauptet, dass wir jetzt in der Gegenwart diesem hohen Ionisationsgrad die geringe Opazität verdanken. Und je höher die Energie der Photonen, umso wahrscheinlicher werden die WW mit der Materie. Das sind ja dann doch wieder andere Verhältnisse als vor der Reionsationsepoche, wo wir es nur mit einer CMB von ca. 3000K zu tun hatten, die nicht stark wechselwirkt, wie du beschrieben hast.
Also noch mal präzise gefragt: Macht es für unsere Beobachtungsqualität fernster Objekte etwas aus, ob das Gas im intergalaktischen Raum ionisiert ist oder nicht? Da möchte ich auch an meine Anmerkungen bezüglich zu Raleigheffekt sowie Compton- und Thomsonstreuung in meinem vorherigen Beitrag anknüpfen. Das sind für mich spannende Fragen.
Aber jedenfalls danke, ich habe heute sehr viel dazugelernt. Und das miese Regenwetter lud auch dazu ein. :lol:
Beste Grüße
Josef

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 05 Aug 2016 22:41 #7490

Josef Wolferseder schrieb:
Also noch mal präzise gefragt: Macht es für unsere Beobachtungsqualität fernster Objekte etwas aus, ob das Gas im intergalaktischen Raum ionisiert ist oder nicht? Da möchte ich auch an meine Anmerkungen bezüglich zu Raleigheffekt sowie Compton- und Thomsonstreuung in meinem vorherigen Beitrag anknüpfen. Das sind für mich spannende Fragen.
Aber jedenfalls danke, ich habe heute sehr viel dazugelernt. Und das miese Regenwetter lud auch dazu ein. :lol:
Beste Grüße
Josef

Hallo Josef,
ich habe viele Artikel noch mal gelesen. was die alle sagen wollen ist, dass das Universe nach der Reonisierung transparent ist, nicht weil es ionisiert ist, sondern weil das Plasma so dünn ist. Es bleibt transparent, obwohl es ionisiert ist, weil ausgedehnt und zudem hatte Masse geklumpt, so dass auch deswegen im Raum weniger Gas war, das ionisiert werden konnte.

Dies ist auch mein physikalisches Grundverständnis: im neutralen Gas breitet sich Licht ungestörter aus als im Plasma.
Das liegt daran, dass Photonen aller Energien mit freien Elektronen wechselwirken können. Um die Elektronenhülle eines neutralen Atoms anzuregen braucht es immer die exakt passende Energie. Nur wenn ein neutrales Atom ionisiert wird, geht es auch mit einem Photon zu grosser Energie. Die überschüssige Energie geht dann in die kinetische Energie des herausgeschlagenen Elektrons.Aber solche Prozesse, die bei neutralem Wasserstoff vorkommen können, sind viel selterner als wenn in einem Plasma so gut wie jedes Photon Gelegenheit hat, mit einem freien Elektron wechselzuwirken.
Also nochmal. Im Prinzip reist es sich für ein Photon imneutralen Gas unbeschweter als im Plasma. Aber weil das Plasma so dünn ist, bleibt das Universum relativ transparent.
So sollte es sein. Besser weiss ich es nicht.
Beste Grüsse Denobio

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Kosmische Hintergrundstrahlung und Expansion 05 Aug 2016 23:03 #7491

danke, Denobio,
damit sind meine Fragen beantwortet. Das Dunkle Zeitalter der Kosmologie hat sich für mich erhellt. :P :P
Gute Nacht
Josef

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