Wordt roodverschuiving mede veroorzaakt door energieverlies van fotonen?

[bobbejaan]

De wetenschap stelt, dat de roodverschuiving van de CBR wordt veroorzaakt door het uitzetten van het heelal.
Op zijn 14 miljard jaar durende reis door het heelal, heeft een foton echter ook veel tijd gehad, om zijn energie aan andere zaken kwijt te raken.
Op het moment dat een foton door bijvoorbeeld een zon uit zijn baan wordt getrokken, trekt het foton ook de zon uit zijn baan.
Daarbij raakt het foton energie kwijt.
 
14 miljard jaar is een lange tijd, waarin het foton dus veel kansen heeft gehad, om zijn energie te verliezen.
Zeker toen het heelal nog wat kleiner was en dus ook wat dichter bevolkt.
 
 

[Michel Uphoff]

Op zich is het correct dat een foton energie kan verliezen door interactie met gravitatie en/of deeltjes.
Een foton dat bijvoorbeeld de Zon verlaat moet zich uit de gravitatieput omhoog werken en wordt door de zogenoemde gravitationele tijddilatatie door een externe waarnemer als roder, minder energierijk gemeten. Dus zijn er ook situaties denkbaar waarin het foton energie wint als het in een gravitatieput valt en blauwverschoven wordt. De interplanetaire ruimtevaart maakt van deze effecten (vertragen of juist versnellen, de zogenoemde gravitatieslingers) dankbaar gebruik.

 

Voor wat betreft de interactie met deeltjes, met name die in het intergalactisch medium. Gedurende zo'n lange reis valt goed te meten wat de invloed van het medium is. Verschillende frequenties worden door dit medium (voornamelijk waterstof en helium) verschillend beïnvloed, een verschijnsel dat dispersie heet. Hoogfrequente fotonen worden minder door de wisselwerking vertraagd dan de laagfrequente-, wat resulteert in een latere aankomsttijd van langere golven. Hier is dat mooi te zien in een grafiek van een zogenoemde fast radio burst:


De fotonen met een frequentie van 1200 MHz komen hier op Aarde 0,9 seconden later aan dan de fotonen van 1550 MHz als gevolg van dispersie. De afgelegde weg is in dit geval 8 miljard lichtjaar. Aan de hand van de dispersie (0,9 seconden dispersie over 350 MHz over 8 miljard lichtjaar) kan worden berekend hoeveel (beter hoe weinig) materie de fotonen onderweg zijn tegengekomen. Dit blijkt in redelijke overeenstemming te zijn met andere methoden om de dichtheid van het intergalactisch medium te bepalen.

Dat medium is dus ongekend ijl, in de orde van 1 atoom per m³. Een foton moet 6 miljard jaar door dit medium reizen om onderweg even veel atomen tegen te komen als tijdens een reis door 1 meter lucht hier op Aarde. Dan is de conclusie dat de invloed zeer gering moet zijn.
 
Daarnaast zou het zo zijn dat als dat medium veel dichter was dan we nu weten, de beelden van ver weg gelegen sterrenstelsels door dispersie merkbaar troebel moeten worden, en dat wordt niet waargenomen. Wel neemt de dispersie toe naarmate we verdergelegen objecten waarnemen. Enerzijds omdat de weg langer is, anderzijds omdat het heelal vroeger dichter was zoals je terecht opmerkt, waardoor er vroeger meer dispersie per afstandseenheid optrad. Maar de dichtheid blijft ongemeen laag en daarmee een eventuele invloed op de energie-inhoud / roodverschuiving van fotonen. De kosmologische roodverschuiving is heel veel groter.

Kortom, het energieverlies door interactie met deeltjes is vrijwel verwaarloosbaar en beïnvloeding door gravitatie van tussenliggende objecten kan zowel rood- als blauwverschuivingen veroorzaken.

[bobbejaan]

Ik heb bij mijn vraag het effect van de zwaartekrachtput buiten beschouwing gelaten.
De CBR heeft bij zijn val vanuit de interstellaire ruimte in de zwaartekrachtput van de melkweg en het laatste stuk richting aardse ontvanger, ongetwijfeld een blauwverschuiving ondergaan.
 
Daar tegenover staat een dat een foton dat kort na de oerknal is ontstaan, in zekere zin uit een erg diepe zwaartekrachtput is gekomen, omdat alle massa veel dichter bij elkaar zat.
Hoe ik dat zou moeten zien is me wat onduidelijk, omdat de fotonen niet zozeer uit een put klimmen, maar de put is groter en - gemiddeld - ondieper geworden.
Evengoed ondergaan de fotonen een effect daarvan.
 
Bij mijn redenering ging ik uit van de situatie dat een foton een u-bocht van 180 graden om een zon maakt.
Volgens de wet van behoud van impuls moet de zon een snelheid in de oorspronkelijke richting van het foton hebben gekregen, als het foton weer op de terugweg is.
Energie die het foton verloren moet hebben.
Een zelfde redenering kun je houden als een foton langs, of door  een melkweg vliegt, of door een wolk atomen vliegt.
Het foton zal bij iedere interactie met een zwaartekrachtveld energie verliezen.
 
In de wolk atomen zullen de fotonen zullen voordurend een gravitationele interactie aangaan en energie verliezen aan de atomen.
Daarbij zullen de "lichte" fotonen waarschijnlijk inderdaad een langere weg afleggen, omdat ze makkelijker uit hun baan worden getrokken, omdat de atomen voor hun in verhouding zwaarder zijn, en de fotonen dus meer zigzaggen.
Of die dispersie ook optreedt bij massieve objecten als een zon, vraag ik mij af.
Die zon is nauwelijks van zijn plaats te krijgen voor een foton. (daarbij ga ik er vanuit, dat door de onbeweeglijkheid van de zon de lichte en zware fotonen dezelfde baan volgen)
Als bij een zon geen dispersie optreedt, is het verlies aan energie groter, dan gesuggereerd door de dispersie.
Per slot van rekening verliest een foton energie bij iedere interactie met een zwaartekrachtveld, tenzij het de zwaartekrachtput invliegt natuurlijk.
 
Nu begin ik wel even te twijfelen bij het zien van die mooie rode ondergaande zon, of lichte en zware fotonen dezelfde weg volgen, maar ik hou me nog even vast aan de torenproef met een licht en zwaar gewicht en geef van die rode zon de atmosfeer voorlopig de schuld.
Als het anders is hoor ik het ongetwijfeld.
 
 
 
Ondertussen vraag ik mij wel af, hoe een zwaartekrachtveld een foton ziet aankomen, dat met de lichtsnelheid aan komt vliegen.
Waarschijnlijk betekent dat, dat het complete zwaartekrachtveld van de foton tot aan het einde van het universum met alle bewegingen van het foton ogenblikkelijk meedoet.
Waarschijnlijk een mooie voor een nieuwe vraag.
Dat wordt nog wel een probleem met virtuele deeltjes en fotonen.
Die hebben de tijd niet gehad om een zwaartekrachtveld ter grootte van het universum op te bouwen en zouden dus anders moeten reageren, dan andere fotonen en deeltjes.
Dit tenzij die opbouw van dat zwaartekrachtveld ogenblikkelijk gebeurt in het hele universum bij het ontstaan van zo'n virtueel deeltje, maar dat geeft weer andere problemen.