Sterne & Kosmos. Vom Big Bang bis zum Ende der Tage. Big Bang vor Gyr. Der Kosmologe Fred Hoyle nannte als erster diesen Prozess Big Bang

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1 Sterne & Kosmos Vom Big Bang bis zum Ende der Tage Nach einer Abb. Aus dem Buch von :Cammille Flammarion: L'Atmosphère, Paris Big Bang vor Gyr Der Kosmologe Fred Hoyle nannte als erster diesen Prozess Big Bang fotolia.de Dieses Bild ist logisch falsch 2.2

2 Entstehung des Universums Standard Theorie 2.3 Quantengravitations -Theorie S. Letschnik Pre-Inflation Phase in Loop-Quantum Gravity (LQG) Kosmische Hintergrundstrahlung Quantum Geometrie Inflation Vor der Inflation Urknall Planck era Ära 2.4 Phase vor dem Urknall S. Letschnik

3 GUT (Grand Unifying Theory) Mit einem expandierenden Universum verringern sich die Energien pro Raumeinheit drastisch. Um die Abläufe nach dem Big Bang zu verstehen, muss man die Kräfte in Abhängigkeit dieser Energien verstehen Stärke der Wechselwirkung Minimales Supersymmetrisches Standardmodell Gravitation starke Kraft Elektromag. Kraft schwache Kraft 10-6 Zeit in s 1 Energie in GeV Wechselwirkungsenergie in GeV Urknall 2.5 Vereinheitlichung der Kräfte & Symmetriebruch Bosonen, TOE System- die die Theory of Energie Kraft Everything Strings? vermitteln K s K K Fermionen als Träger der Massen im Universum: Quarks, Leptonen QED Theorie des Elektroma gnetismus Glashow- Weinberg- Salam- Theorie elektromagnetische Kraft elektroschwache Kraft Photonen GUT Grand Unification Theory X- Bosonen W, Z Bosonen schwache Kraft starke Kraft Gravitations- Kraft Gluonen QCD Higgs Field 0 Teilchen nehmen dadurch Masse an Allgemeine Graviton Relativitätstheorie s Grand Unified Higgs Field s Elektrostatik Magnetostatik Prof. Dr. Ulrich Walter 2.6

4 Die ersten Sekundenbruchteile nach Big Bang bis zur Inflation R = Radius des beobachtbaren Universums fotolia.de t < t PL = s (Planckzeit): Epoche der Quantengravitation: Die Raumzeit hatte eine schaumartige Struktur. Raum und Zeit sind nicht unterscheidbar (sogenannte Instanton-Region = Falsches Vakuum). Es gibt nur eine einzige vereinte Kraft. t s, R m, T C Symmetriebruch führt zur Abspaltung der Gravitation. Entstehung der klassischen Raum-Zeit, die mit einem Plasma relativistischer Teilchen gefüllt ist. Darunter supersymmetrische X- und Anti-X-Teilchen extrem großer Masse. Ständige Wechselwirkung mit und Umwandlung zu den heute noch existierenden Elementarteilchen (Quarks, Leptonen,...) 2.7 Inflation t s, R = m 10 0 m, T C Abspaltung der Starken Kraft: Asymmetrischer Zerfall (was die spätere Dominanz der Materie über Antimaterie bedingt) der X- und Anti-X-Teilchen zu W, Z-Bosonen und Gluonen. Die Instanton-Lösungen der Allgemeinen Relativitätstheorie führen zur Phase der sogenannten Inflation: Innerhalb von s dehnt sich die Universumsblase von bisher m auf etwa 1 Meter Durchmesser aus. Es entstehen topologische Defekte. t s, R 10 0 m, T C Ende der Inflation: Wiederaufheizung des Kosmos und Bildung neuer Materie aus dem Zerfall des Inflaton-Felds Distanz in cm 1 Radius des sichtbaren Universums (Inflation Modell) Inflationäre Epoche Zeit nach dem Urknall in s Heute

5 Nach der Inflation R = Radius des beobachtbaren Universums t s, R m, T C Aufspaltung der elektroschwachen Kraft zur elektromagnetischen und Schwachen Kraft. X- und Anti-X-Teilchen sterben aus. Die Materie erhält ihre Masse durch das Higgsfeld richtige Elementarteilchen. t 10-6 s, R m, T C Aus den Quarks entstehen Hadronen (Protonen, Neutronen, Anti-Teilchen). Protonen und Antiprotonen zerstrahlen fast vollständig mit einem geringen Materieüberschuss. Dies führt bis heute zu einem Verhältnis von Photonen zu Baryonen von 1.8 Milliarde zu 1, bzw. 410 Photonen pro cm 3. t 10-1 s, R 1 ly, T C Neutrinos koppeln sich von den anderen Teilchen ab. t 5 s, R 6 ly, T C Elektronen und Positronen zerstrahlen fast vollständig. 2.9 Von den ersten Elementen bis heute t 100 s, R 100 ly, T 10 9 C Entstehung der leichten Elemente ( 3 He, 4 He, und etwas Deuterium & Li) aus der Verschmelzung von Protonen und Neutronen. t yr, R 1 Mly, T C Materiedichte dominiert über Strahlungsdichte (bisher war es umgekehrt) t = yr, R = 10 Mly, T=3.000 C Ende der Plasmaphase: Rekombination. Entstehung der Atome. Das Universum wird durchsichtig. t 400 Myr, R 1 Gly, T -250 C Bildung der ersten Sterne und Galaxien, Entstehung schwerer Elemente durch Supernovas. t 1-10 Gyr: Entstehung von Planeten und Leben Gegenwart: t = 13.8 Gyr, T = 2.73 K 2.10

6 Exothermische Richtung Proton He 3 He 4 D T Primordiale Nukleosynthese H und He Isotope entstehen aus p und n im frühen heißen Universum bei 10 6 K T 10 9 K ( ersten 3 Minuten) Neutronen Protonen He-4 Neutron Masseanteil der Teilchen He-2 Be-7 He-3 Li-7 H-3 Li-6 Zeit in s 2.11 Entwicklung des Universums bis heute Alter des Universums heute Gyr 2.12 S. Letschnik

7 Was ist die Inflation? Wodurch ist sie getrieben und woher kommen die Massen und Energien im Universum? Antwort: Durch das Higgs-Feld 2.13 Higgs-Potential des Vakuums Vakuumzustand eines Raumbereiches Kurz nach dem Big Bang (T > K) beinhaltet der Grundzustand des Vakuums kein Higgs- Feld ( = 0). Mit der Expansion kühlt das Universum auf unter K ab, wobei sich ein Potentialminimum bei 0 bildet. Durch den Potentialberg bleibt das Vakuum zunächst im so genannten Falschen Vakuum ( = 0) hängen, bis es durch Tunneln in das Minimum gleitet. 2.14

8 Eigenschaften des Higgs-Feldes Energie Energie Elektromagnetische Feldstärke Higgs-Feldstärke Energie-Minimierungsprinzip der Physik: Ein System versucht den Zustand minimaler Energie einzunehmen (rollt im Potential nach unten ). Ein typisches Feld wie das elektromagnetische hat seine niedrigste Energie bei Feldstärke null (links). Eine energetisch minimale elektromagnetische Welle hat daher Feldstärke null. Das Universum als rollender Ball, hat am tiefsten Punkt eines Higgspotentials (rechts) aber eine von null verschiedene Feldstärke. Daher wird das Universum in seinem natürlichen Grundzustand von einem überall vorhandenen Higgs-Feld erfüllt. Hätte das Universum kein Higgs-Feld, dann hätte es einen energetisch höheren Zustand! 2.15 Neues Inflatorisches Modell False vacuum Im ursprünglichen Inflatorischen Modell (Guth 1980) ist die Entstehung der vielen echten Vakuumblasen ein Phasenübergang 1. Ordnung, der durch Tunnel entsteht. Die dabei entstehenden topologischen Defekte haben eine weit höhere Dichte als beobachtet. Energy barrier Higgs field 2 Ernergy density Im Neuen Inflatorischen Modell (Linde 1981) erhält man auf einem Mexican Hat-Potential einen Slow Rollover (statt Tunneln), also einen Phasenübergang 2. Ordnung, der nahezu keine topologischen Defekte erzeugt, was der Beobachtung entspricht. Energy barrier False vacuum Higgs field 2 Ernergy density 2.16

9 Higgs-Feld (Mexican hat) Das Higgs-Feld (Inflaton-Feld) ist ein Skalar-Feld mit 4 Komponenten ( 0, 1, 2, 3 ) einheitlicher Stärke u, was das hier gezeigte Higgs-Potential V( ) formt (nur 0 und 3 dargestellt). 1 1 i2 i, u const V() u Im Vakuum-Grundzustand (Minimum des Potentials) ist 0 0 Re 3 Im 2.17 Übergang zum richtigen Vakuum T V Higgs-Potenzial des Vakuums False vacuum T < K alternativ kg kgcmcm 3 3!! Higgs Higgs field field component 2 component 2 Energy density 1 1 Nach weiterer Abkühlung ging ein Teil des Universum aus dem unterkühlten Falschen Vakuumzustand durch einen Phasenübergang 2. Ordnung in den heutigen richtigen Vakuumzustand über und gab dabei kg cm -3 Energie frei, die den Teilchen ihre Masse gab. True vacuum ( 1, 2 ) 0 Richtiger (heutiger) Vakuumzustand des Universums 2.18

10 Phasenübergangs-Dynamik Zustand des Universums vor der Inflation Zu Beginn der Inflation nimmt das Skalarfeld schnell zu (das Universum breitet sich mit Überlichtgeschwindigkeit aus), während die erzeugte Energie V() minimal ist. V() Im() In der Mitte der Inflationsphase entsteht sehr viel Energie Re() Am Ende der Inflationsphase schwingt das Skalarfeld um das Potenzialminimum und erzeugt so die ersten Teilchen und eine enorme Menge Entropie Inflationsdynamik An einem Ort des Universum entsteht eine Blase richtigen Vakuums, mit Higgsfeld-Phase A (eventuell nur einige wenige mehr mit B ), die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet und extrem viel Energie freisetzt. Durch die Energiefreigabe dehnte sich der Raum des Universums sehr stark aus (Inflation). An den Phasengrenzen können sich eventuell einige wenige topologische Defekte bilden. 2.20

11 Inflation & topologische Defekte räumliche Darstellung Raumbereich A mit Higgsfeld A nach Inflation Inflation Raumbereich mit Higgsfeld = 0 vor Inflation Raumbereich B mit Higgsfeld B nach Inflation Prof. Dr. Ulrich Walter 2.21 Topologische Defekte Domänwände, Strings Phasengrenz-Flächen wie in Eis = Domänenwände Raumdimensionen Versetzungs-Linien wie in Festkörpern = Cosmic Strings Prof. Dr. Ulrich Walter 2.22

12 Zerfall Kosmischer Strings mit der Expansion des Alls 2ct Strings nach Urknall Strings im Strahlungszeitalter < yr Der Durchmesser eines Kosmischen Strings ist eine Billionen mal kleiner als der eines Wasserstoffatoms! Aber ein 10 km langer String enthält so viel Energie, dass die äquivalente Masse E=mc 2 so viel wiegen würde wie die ganze Erde! Kosmische Strings wirken wie 1-dim Gravitationslinsen ( möglicher Nachweis!) 2.23 CosmicString Simulation / C. Martins & E. P. Shellard Kosmische Strings im Materie-Zeitalter > yr Wenn Kosmische Strings aufeinander treffen, lösen sie sich auf und senden dabei Gravitationswellen aus. Heute sollte es nur noch sehr wenige (etwa 10) lange Kosmische Strings im gesamten Universum geben. 2ct CosmicString Lehrstuhl Simulation Raumfahrttechnik / C. Martins & E. P. Shellard 2.24

13 Massengewinn durch Higgs-Wechselwirkung Der vom Higgs-Feld erfüllte leere Raum wird mit einem Strand voll spielender Kinder verglichen. Ein Teilchen, das den Raum durchquert, gleicht einem Eisverkäufer, der auf dem Strand erscheint. Er lockt sofort zahlreiche Kinder an, die sich um den Eiswagen drängen und sein Fortkommen behindern er erwirbt Masse 2.25 S. Letschnik Higgs!? Higgs!?

14 Masse und Trägheit im Higgs-Feld Gemäß Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie ist die Energie eines Teilchens mit Masse m: 2 E mc m m v c Die Masse nimmt also mit der Geschwindigkeit zu! E m c 0 1 v 2 2 c 2 1 v m0c 1 2 c 2 v m0c m0v 2 Das Higgsfeld bedingt also nicht nur Ruhemasse m 0, sondern mit zunehmender Geschwindigkeit eine Zunahme der Masse und damit Energie, die wir als kinetische Energie indentifizieren! F inertial de d r kin 2 1 dv dv d r dv dv m mv m m mr 2 d r d r dt d r dt Die Trägheitskraft ist als also das Kraftfeld (Ergebnis der Änderung) der kinetischen Energie. Somit ist Trägheit das Ergebnis der Interaktion der Atome mit dem Higgsfeld! 2.27 Voraussagen aller Inflationstheorien Das Universum ist flach. Die Gesamtenergie des Universum ist gleich der kritischen Energiedichte. Skaleninvariantes Spektrum der CMB-Fluktuationen. Die Fluktuationen sind durch die Inflation aufgeblasene Quantenfluktuationen des frühen Universums. Skaleninvariantes Spektrum von Gravitationswellen. Wellenlängen: 1 km bis zu Radius des Universums. Die Gravitationswellen (Perturbationen der Raummetrik) sind durch die Inflation aufgeblasene Quantenfluktuationen der frühen Metrik. Gleichmäßige Verteilung der Massen im Raum geringe Entropie (nur durch Gravitation verklumpte Materie hat hohe Entropie) Zeitpfeil 2.28

15 Inflation & Flachheitsproblem In jedem der aufeinander folgenden Koordinaten-Systeme ist die Kugel um einen Faktor 3 aufgebläht. Die Krümmung der Kugeloberfläche wird nach kurzer Zeit also nicht mehr wahrnehmbar. Durch Inflation verschwindet also das Horizontproblem, die Flachheit folgt aus der immensen Ausdehnung, und die Dichteschwankungen des Urplasmas sind dann nichts anderes als die aufgeblähten Quantenfluktuationen der Urelementar-teilchen Universum und Inflation Das Universum als Ganzes gesehen (alles was ist) könnte sehr unterschiedlicher Art sein: Verschiedene Regionen könnten zu unterschiedlichen Zeiten Inflationen durchlaufen haben. In manchen Regionen kann es noch zu keiner Inflation gekommen sein. Oder es findet irgendwo im Universum ständig neue Inflation statt. Inflationen in unterschiedlichen Regionen kann zu Ausbildung von unterschiedlicher Physik (verschiedene Dimensionen, Naturkonstanten, etc.) geführt haben. In diesem Fall macht der Begriff Alter unseres Universums keinen Sinn. Lediglich der uns einsehbare Teil des Universums hätte ein Alter (nach der Inflation) von 13.7 Gyr. Prof. Dr. Ulrich Walter 2.30

16 Dark Matter in the simulated universe Agglomeration der Dunklen Materie im All nach dem Urknall Flug durch die heutige Dunklen Materie Max Planck Institut für Astrophysik/Millennium Simulation Project 2.31 Clumping of dark matter in the universe after Big Bang Max Planck Institut für Astrophysik/Millennium Simulation Project t = 0.21 Gyr t = 1.0 Gyr 1.0 Gly 50 Mly t = 4.7 Gyr t = 13.7 Gyr = today

17 Spatial Distribution of Dark Matter today 2.33 Max Planck Institut für Astrophysik/Millennium Simulation Project Bildung erster Sterne nach 300 Myr 2.34

18 Materieverteilung im Universum (Sloan Digital Sky Survey) Sloan Digital Sky Survey Team, NASA, NSF, DOE 2.36 Great Wall: 750 Mly Länge 250 Mly Breite 20 Mly Tiefe

19 Expansion des Universums NASA / WMAP Science Team

20 Hubble Ultra Deep Field NASA, ESA, G. Illingworth (UCO/Lick Observatory and University of California, Santa Cruz) and the HUDF09 Team 2.39 Kosmos Zukunft Sternwarte Feuerstein e.v. / Werner Stupka 2.40