Fråga:
Hur stor andel av universums massa / energi är i form av elektromagnetiska vågor?
Joseph Hirsch
2019-09-02 08:18:03 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Finns det någon teoretisk ram eller modell som kan leda till en förutsägelse, antingen exakt eller ungefärlig, om hur mycket eller vilken andel av universums totala massa är i form av fotoner eller elektromagnetiska vågor?Finns det i stället något sätt att guestimera eller placera en gräns för den andelen?Kan den andelen variera över tiden, allmänt?

Ett svar på denna fråga Var är strålningstätheten i Planck 2013-resultaten? ger en beräknad uppskattning av fotondensiteten $$ \ rho_ \ nu = 3.21334 \ gånger 10 ^ {- 31} \; \ text {kg} \, \ text {m} ^ {- 3}, $$ men varken frågan eller svaren visar uttryckligen den totala energitätheten, eller uttrycker foton densiteten som en andel av den totala energitätheten.

Dessutom är jag lika intresserad av det teoretiska ramverket som skulle förutsäga foton till total energitäthet som jag är för de nuvarande mätningarna som leder till uppskattningen.

Relaterat fysik SE-inlägg, med kvantitativa svar: [Var är strålningstätheten i Planck 2013-resultaten?] (Https://physics.stackexchange.com/q/94181/206691)
Se https://physics.stackexchange.com/questions/54504/is-cosmic-background-radiation-dark-matter-and-or-dark-energy?rq=1
@BenCrowell är ΩR, 0 = 9.23640 × 10−5 kg / kubikmeter i svaret, den totala energitätheten?och ρν = 3.21334 × 10−31kgm − 3 foton densiteten?Det skulle vara ett mycket mindre förhållande än svaret här på cirka 5 x 10-4 andelen foton energi.
$ \ Omega_ {R, 0} $ är * dimensionslös *;den har inte enheter kilo per kubikmeter.Kilogram per kubikmeter är enheter för * massa * densitet, inte * energi * densitet.$ \ rho_ \ nu $ är * neutrino * massdensitet.
Fotonförhållandet 0,005% som jag nämnde är $ \ Omega_ \ gamma $.
Ett svar:
G. Smith
2019-09-02 09:06:02 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Kosmologer tenderar att prata i termer av massa densitet eller energi densitet i universum snarare än dess totala massa eller energi (som mycket väl kan vara oändlig) eller total massa eller energi för den observerbara delen av universum.

Fotoner antas för närvarande bara utgöra cirka 0,005% av universums energitäthet. Deras energitäthet är ungefär $ 4 \ gånger 10 ^ {- 14} \, \ text {J / m} ^ 3 $ , medan den totala energitätheten är ungefär $ 8 \ gånger 10 ^ {- 10} \, \ text {J / m} ^ 3 $ . Så de är ett litet bidrag nu.

När du går tillbaka i tiden blir det procentuella bidraget från fotoner större och större; fotonens energitäthet varierar som den inversa fjärde effekten av Friedmann skalfaktor, medan materiens energitäthet varierar som den inversa tredje effekten, och den mörka energitätheten förblir konstant. Av denna anledning var det tidiga universum strålningsdominerat. Universum utvecklades sedan genom en era där materien dominerade, och nu dominerar mörk energi.

Den nuvarande teoretiska modellen för att förstå kosmologi är Lambda-CDM-modellen, som är ett rumsligt platt, homogent och isotropiskt Friedmann-universum med tre olika typer av innehåll : mörk energi, materia och strålning. Som du kan hitta i Lambda-CDM Wikipedia-artikeln är procentandelen av den nuvarande energitätheten på grund av mörk energi 69,11% och andelen på grund av materia (både normal och mörk) är 30,89%. Dessa uppgår till 100,00% eftersom det lilla strålningsbidraget från neutriner och fotoner nu är så litet att det går förlorat på tredje decimalen.

Det dominerande bidraget till fotonens energitäthet kommer från kosmisk mikrovågsbakgrund (CMB), inte stjärnbelysning.Temperaturen $ T $ för CMB är cirka $ 2,7 \, \ text {K} $ och energindensiteten för denna fotongas är $ 4 \ sigma T ^ 4 / c $ där $ \ sigma$ är Stefan-Boltzmann-konstanten.Det är här $ 4 \ gånger 10 ^ {- 14} \, \ text {J / m} ^ 3 $ kommer från, som du enkelt kan beräkna.

"fotonens energitäthet varierar som den inversa fjärde effekten hos Friedmann-skalfaktorn, medan materiens energitäthet varierar som den inversa tredje effekten" Den tredje effekten kommer från det enkla faktum att saker sprids när rymden expanderar.Den extra kraften för fotoner kommer från det faktum att utbyggnaden av rymden omskiftar fotoner, men egentligen inte gör något för varje enskild massa.
Borde inte ditt svar gälla hela universum, inte bara den observerbara delen?
@D.Halsey Det gäller för hela universum.Vi antar att den del som vi kan observera är typisk för helheten, och att hela universum, inte bara den observerbara delen, är rumsligt platt, homogen och isotrop.Energitätheten i det observerbara universum är energidensiteten i hela universum, och densamma för varje komponent, såsom fotonens energitäthet.
Tyvärr, jag läste inte första meningen nog och hoppade till fel slutsats när jag läste ordet "observerbart".


ⓘ
Denna fråga och svar översattes automatiskt från det engelska språket.Det ursprungliga innehållet finns tillgängligt på stackexchange, vilket vi tackar för cc by-sa 4.0-licensen som det distribueras under.
Loading...