Expeditionen im Kosmos

Transkript

1 Physik - wie Forschung Spaß macht Expeditionen im Kosmos am 8 November 2008 H Solbrig 1 Wie man Expeditionen im Kosmos unternimmt 2 Sterne und Nebel 3 Expansion und Strukturbildung 4 Neue Erkenntnisse bringen neue Fragen

2 1 Wie man Expeditionen im Kosmos unternimmt was die Raumfahrt leisten kann was die Standorte der Teleskope bestimmt

3 Expeditionen klassische Expedition Schiffe ausrüsten Reise an Ort und Stelle beobachten messen Apollo 17 - die letzte Apollo-Mission 1972

4 Marssonden: Phoenix findet Wassereis im Boden Phoenix vom Orbit 2008, Position nahe Nordpol Wassereis unter der Oberfläche

5 Marssonden: Phoenix findet Wassereis im Boden 2008, Position nahe Nordpol Landeplatz von Phoenix Dauerfrostboden in Alaska Wassereis unter der Oberfläche NASA

6 Water on Mars! Frisches Wasser vom Geysir!

7 Expeditionen klassische Expedition Schiffe ausrüsten Reise an Ort und Stelle beobachten messen Fernerkundung Teleskope bauen aus räumlicher und zeitlicher Distanz beobachten messen Apollo 17 - die letzte Apollo-Mission 1972 typischer Expeditionsteilnehmer

8 Fernerkundung: Problem Erdatmosphäre Für elektromagnetische Wellen aus dem Universum nur 2 Fenster: sichtbares Licht (OPT) Radiowellen (RADIO) Standorte der Teleskope für Mikrowellen (MIW) infrarotes Licht (IR) ultraviolettes Licht (UV) Röntgenstrahlung (X) Gammastrahlung (γ) außerhalb der Atmosphäre

9 Raumteleskop: Hubble (seit 1990) Bahnhöhe: 569 km Öffnung: 24 m Auflösung: 100 m auf dem Mond Empfindlichkeit: Vollmond aus 11 Lj RADIO MIW (IR) OPT (UV) X γ

10 Raumteleskop: Chandra (seit 1999) Bahn: km Öffnung: 12 m Auflösung: 1 km auf dem Mond RADIO MIW IR OPT UV X γ

11 Raumteleskop: Chandra - ein Wolter-Teleskop

12 Raumteleskop: Spitzer (seit 2003) Bahn: heliozentrisch Öffnung: 85 cm Helium-Kühlung Aufgabe: kalte Staubwolken untersuchen RADIO MIW IR OPT UV X γ

13 2 Sterne und Nebel was Sterne stabilisiert: Druck contra Gravitation warum Sternexplosionen das Universum vermessen helfen wie die beobachtende Kosmologie entstand

14 Sternbild Orion: Riesensterne und Nebel Beteigeuze (links oben): Entfernung 427 Lj Radius 662 R J 3 AE Masse 20 M J Temperatur 3450 K Leuchtkraft L J Rigel (rechts unten): Entfernung 775 Lj Radius 70 R J Masse 17 M J Temperatur K Leuchtkraft L J 3 Gürtelsterne: Entfernung Lj Pferdekopf-Nebel: Entfernung 1400 Lj Orion-Nebel M42: Entfernung Lj

15 Sternbild Orion: Riesensterne und Nebel Beteigeuze (links oben): Entfernung 427 Lj Radius 662 R J 3 AE Masse 20 M J Temperatur 3450 K Leuchtkraft L J Rigel (rechts unten): Entfernung 775 Lj Radius 70 R J Masse 17 M J Temperatur K Leuchtkraft L J 3 Gürtelsterne: Entfernung Lj ց Pferdekopf-Nebel: Entfernung 1400 Lj Orion-Nebel M42: Entfernung Lj Barnards Schleife: Pfeile ր

16 Sternbild Orion: Staubwolke im Hintergrund sichtbares Licht: Vordergrund-Sterne und M42 infrarotes Licht (IRAS-Satellit): M42 gehört zu einer Wolke aus Gas und Staub (Abstand bis 1500 Lj) NASA/IPAC

17 HST Pferdekopf-Nebel: Dunkelwolke vor Emissionsnebel Position: Barnard 33, unterhalb des linken Gürtelsterns (Alnitak) des Orions Entfernung: 1400 Lj Emissionsnebel: IC 434, rotes Leuchten des Wasserstoffs nach Anregung durch Strahlung heißer Sterne

18 HST Pferdekopf-Nebel: Dunkelwolke vor Emissionsnebel Position: Barnard 33, unterhalb des linken Gürtelsterns (Alnitak) des Orions Entfernung: 1400 Lj Emissionsnebel: IC 434, rotes Leuchten des Wasserstoffs nach Anregung durch Strahlung heißer Sterne

19 Orion-Nebel: Sternwind bläst Kaverne frei Trapez-Sterne 2 Teleskope: Hubble und Spitzer Falschfarbkomposition M42 total: etwa 3000 Sterne Entfernung 1300 Lj Durchmesser 30 Lj Sternwind: Teilchenstrom, der von heißen Sternen ausgestoßen wird

20 Orion-Nebel: Druck contra Gravitation Dichte, kalte Wolken (Temperatur 10 K) kollabieren, bis im Zentrum ein Gleichgewicht zwischen Gasdruck und Schweredruck erreicht ist protoplanetare Scheiben: Seitenansicht (5) Draufsicht (6) Masseverlust: Jets (23,4,7) Ringe (3,7) zb Sonne-Neptun: 30 AU 4 Lh 7

21 Sterne am Ende ohne Brennstoff : Wer rettet? zb Sonne zb Eskimo-Nebel zb Sirius A/B Sterne kleiner Masse ր A ւ B normaler Zwerg brennt H He 10 Mrd J brennt He C, O Mill J planetarischer Nebel stößt Gashüllen ab erscheint flächig Weißer Zwerg Masse < 14 M J!! Radius Planet Dichte t/cm 3 Druck der Elektronen stabilisiert kühlt viele Mrd J Endzustand Schwarzer Zwerg

22 Was ist eine Supernova vom Typ Ia? Leuchtkraft bekannt: Normalkerze für wenige Wochen Rest der SN1572 (Tycho Brahe): Abstand Lj Durchmesser 22 Lj Modell SN 1572 Weißer Zwerg im Binärsystem: C- und O-Atomkerne stabilisiert durch Elektronen Supernova Ia: WZ erreicht 14 M J kollabiert explodiert wird vollständig zerstört CHANDRA

23 Orion-Nebel: Als Rahmen dient Barnards Schleife Barnards Schleife: Rest einer alten Supernova Aufnahme: empfindlich für rotes Licht vom Wasserstoff

24 Supernovae: Heller als ganze Galaxien Position NGC 2770: Sternbild Luchs (NHK) Sehwinkel: 1/7 Vollmond Entfernung: 85 Mill Lj

25 Milchstraße: Vor 100 Jahren das ganze Universum տ Große Magellansche Wolke Axel Mellinger 2000

26 So begann die beobachtende Kosmologie M31 heute: D 25 Mill Lj V rad 100 km s EP Hubble (1924) M31 ist eine Galaxie - kein Nebel Zentralregion: optisch: 2 Kerne? M32 M31 HST X-Emission: viele Nebenquellen M110 Chandra OPTISCH HST

27 3 Expansion und Strukturbildung

28 Kosmologische Expansion

29 Olbers (1826): Der Nachthimmel sollte hell sein Sterne Beobachter Das Universum sei statisch sowie unendlich in Raum und Zeit

30 Olbers (1826): Der Nachthimmel sollte hell sein Sterne Beobachter Staub Das Universum sei statisch sowie unendlich in Raum und Zeit Staub und Sterne sind im thermischen Gleichgewicht

31 Der lange Weg des Expansionskonzepts Slipher 1920 Hubble, Humason 1929 Gamow, Alpher 1954 Penzias, Wilson 1964 Voraussage Gamow 1948 Nebelflucht Galaxien: V=HD Nukleosynthese isotroper Mikrowellen-Hintergrund kosmolog Konst ARTH nichtstat Modelle Inflation beschleunigte Expansion Einstein 1917 Friedmann 1922, Lemaitre Guth 1984 Linde 1985 Perlmutter 1998

32 Gravitation - contra - Dunkle Energie NASA WMAP Science Team

33 Kosmologische Expansion: Der Raum expandiert kein Thema der Speziellen Relativitätstheorie: Grenze Lichtgeschwindigkeit gilt nicht Galaxienhaufen (Gh i ) sind gravitativ gebunden: expandieren nicht DE Gh 1 Gh 2 zwischen Galaxienhaufen wird Raum erzeugt: Raum enthält Dunkle Energie konstanter Dichte, wirkt der Gravitation entgegen, behindert Bindung zu Galaxien-Superhaufen Dunkle Energie dominiert seit 5 Mrd Jahren: beschleunigte Expansion seit 5 Mrd Jahren 2 Gh 0

34 Was steuert den Expansionverlauf? Rotverschiebung statt Zeitpunkt: z λ λ Labor λ Labor Energieinhalt des Universums: Was dominiert? Strahlung dominiert bis kurz vor Bildung der Atome (z = 1100) Übergang Atombildung log(z b + 1) Übergang heute Ruhmasse dominiert danach bis z b 05 Dunkle Energie dominiert seit z b 05 log(z + 1)

35 Wieder beschleunigte Expansion: Ab z b? bekannt >/ = /< 0? m M = 25 5 log(h 0 ) + 5 log(c z) z (1 q o ) gemessen q o 8 >< >: > 0 = 0 < 0 9 >= >; 8 >< Expansion >: gebremst gleichförmig beschleunigt 9 >= >; 8 >< (m - M) >: <0, dh heller 0 > 0, dh dunkler 9 >= >;

36 Wieder beschleunigte Expansion: Ab z b? z b 05 beschleunigt, q o < 0 gleichförmig, q o = 0 gebremst, q o > 0

37 Strukturierung des Universums

38 Teilchenbindung - contra - Photonenstöße Planck BB INFLATION s elekto-schwach Nukleonen s s Atomkerne 10 6 s Minuten Atome J t c m P Compton = G m P c 2 Schwarzschild GeV } MeV {{ ev} Photonenenergien kleiner als

39 Teilchenbindung - contra - Photonenstöße LHC Higgs WIMPs Planck BB INFLATION s elekto-schwach Nukleonen s s Atomkerne 10 6 s Minuten Atome J t c m P Compton = G m P c 2 Schwarzschild GeV } MeV {{ ev} Photonenenergien kleiner als

40 Teilchenbindung - contra - Photonenstöße LHC Higgs WIMPs dominant Strahlung Masse Planck BB INFLATION s elekto-schwach s Nukleonen s Atomkerne 10 6 s Minuten Atome J t c m P Compton = G m P c 2 Schwarzschild GeV } MeV {{ ev} Photonenenergien kleiner als

41 Strukturbildung: Atomare Materie braucht Hilfe NASA WMAP Science Team

42 Galaxienverteilung: Abstand bis 2 Mrd Lichtjahre Gerät: Spektrometer am Anglo-Australian Telescope (39 m) Beobachtungsgebiete: Je ein Streifen (6 Vollmonde dick) auf beiden Halbkugeln des galaktischen Systems Abstand: bis 2 Mrd Lj Fluchtgeschwindigkeit: bis km/s Ergebnis: Haufen und Superhaufen entlang Linien und Flächen, daneben Hohlräume www2aaogovau/2dfgrs/

43 Die ersten Galaxien: Hubble Ultra Deep Field Feld-Durchmesser: 1/10 Vollmond Galaxien Belichtungen: 800 in 3 Monaten 2003/04 total 11 Stunden HST

44 Einordnung des Hubble Ultra Deep Field Heute, 137 Mrd Jahre nach dem Big Bang, zeigt uns das Hubble Ultra Deep Field Objekte aus einer Epoche nur 700 Mill Jahre nach dem Big Bang Diese Objekte waren Zwerggalaxien HST

45 Galaxien heute und vor 13 Mrd Jahren HST

46 Antennengalaxie NGC4038/NGC4039: Entfernung 45 Mill Lj Galaxien wachsen durch Verschmelzung kaum Sternkollisionen interstellares Gas wird verdichtet, augeheizt, bildet neue Sterne

47 Quasare und aktive galaktische Kerne M 82, Jet ab Zentrum oben: M 82 aktiv; unten: M 81, normal Aktivität wegen früherer Kollision? MODELL: schwarzes Loch im Zentrum

48 3-Kelvin-Strahlung - ein Bild des Universums im Alter von Jahren

49 WMAP: Anisotropie der 3-Kelvin-Strahlung Start: 2001, arbeitet heute noch Position: Linie Sonne-Erde, 15 Mill km ab Erde Auflösung: 03 Grad Masse: 830 kg RADIO MIW IR OPT UV X γ

50 Mikrowellen-Teleskope: COBE, WMAP, PLANCK COBE Auflösung 7 Grad findet T = 2, 725 ± 0002K δt/t 10 5 WMAP seit 2001 Auflösung 03 Grad findet T = 2, 725 ± 0002K δt/t 10 5 (PLANCK) verschoben auf 2009 Auflösung 10 Bogenminuten δt/t 10 6 PLANCK

51 Anisotropie der 3-Kelvin-Strahlung Chicago vom See (Montage) Die 3-Kelvin-Strahlung aus jeder Richtung hat ein Planck-Spektrum Der Mittelwert der Temperatur über alle Richtungen betrágt 2725 K Richtungsabhängige Schwankungen um wenige K informieren über die Materieverteilung Jahre nach dem Big Bang Könnten wir im Mikrowellenbereich sehen und dazu noch so kleine Kontraste wahrnehmen, dann wäre das ein ganz alltäglicher Anblick von Chicago

52 Dunkle Materie schafft Potentialmulden Zeitpunkt: Entkopplung ( J nach BB) Frage: Gab es genügend große Dichtekontraste für die Entstehung der heutigen Struktur des Universums? Vor der Entkopplung galt: Baryonenplasma allein entwickelt keine ausreichenden Dichtekontraste (Photonenstöße) Dunkle Materie verstärkte die Restkontraste aus der Inflation Situation bei der Entkopplung: Baryonen fallen in ausreichend tiefe und breite Potentialmulden der Dunklen Materie In diesen Potentialmulden gibt es adiabatische Baryonenschwingungen Die Anisotropie der 3-K-Strahlung zeigt die heiß/kalt Kontraste dieser Schwingungen 1 o

53 Flacher Raum durch Inflation BOOMERANG-Projekt: Ein Ballon-Teleskop umrundet den Süpol Laut Theorie liegt der Hauptpeak der Fleckengröße für einen flachen Raum bei 1 Grad > 1 Grad 1 Grad < 1 Grad sphärischer Raum > 1 Grad hyperbolischer Raum > 1 Grad Die Glättung ist notwendig ein Ergebnis der Inflation sphärisch flach hyperbolisch

54 Flacher Raum - beschleunigte Expansion Grundgleichungen der Kosmologie: Ω m + Ω Λ + Ω k = 1 q o = 1 2 Ω m Ω Λ Mikrowellen-Hintergrund: flacher Raum Ω k 0 Supernova-Projekt: q o 06 2 Gleichungen für Ω m, Ω Λ : Ω m + Ω Λ Ω m Ω Λ 06 Ω Λ 073 Ω m 027 Ω cdm 023 Ω b 004

55 Dunkle Energie heute: Hauptantrieb der Expansion Atome: baryonische Materie, dh Protonen, Neutronen, Elektronen 3/4 davon dunkel Dunkle Materie: nichtbaryonische Materie, dh nur schwache und gravitative Wechselwirkung WIMPs? LHC Dunkle Energie: wirkt wie Einsteins kosmologische Konstante Vakuum? Quintessenz?

56 Millenium-Simulation: Ohne Dunkle Materie kein Erfolg

57 Strukturbildung der Dunklen Materie Millenium-Simulation (Nature 2005) 021 Mrd J, z = Mrd J, z = Mrd Teilchen im Würfel (Kante 23 Mrd Lj) simulieren 20 Mill Galaxien mit Dunkler Energie und Dunkler Materie Schichtdicke: 15 Mpc/h = 69 Mill Lj Seitenlänge: 125 Mpc/h = 575 Mill Lj 47 Mrd J, z = Mrd J, z = 0

58 Galaxien folgen der Struktur der Dunklen Materie Millenium-Simulation (Nature 2005) 10 Mrd Teilchen simulieren 20 Mill Galaxien mit Dunkler Energie und Dunkler Materie a b Endzustand: t = 136 Mrd J 125 Mpc/h = 575 Mill Lj 2 Mpc/h = 92 Mill Lj Galaxien (a, c) Dunkle Materie (b, d) c d

59 Unsere Galaxis enthält Dunkle Materie Ein Stern, Staub oder Gas umläuft das galaktische Zentrum im Abstand r mit der Geschwindigkeit v(r) = s GM(r) M(r) ist die Masse innerhalb der Bahn Offenbar sorgt Dunkle Materie auch in großen Abständen dafür, dass M(r) r annähernd konstant bleibt r leuchtend Halo Korona

60 Ring aus Dunkler Materie: Gravitationslinse CL : Galaxienhaufen wirkt als Gravitationslinse für Hintergrundgalaxien Linsenwirkung erfordert Ring Dunkler Materie Dem Bild des Galaxienhaufens ist die Dunkle Materie diffusblau überlagert

61 4 Neue Erkenntnisse bringen neue Fragen Das Universum entstand vor 137 Mrd Jahren aus einem bisher unverstandenen Quantensystem Alle Inhalte (Teilchen, Atome, Sterne, Galaxien, ) entwickelten sich im Zusammenspiel bindender und zerstörender Einflüsse Die kosmologische Expansion ist der Schrittmacher der Entwicklung Sie wird angetrieben durch die Dunkle Energie und gebremst durch die Gravitation vor allem der Dunklen Materie Expansionsgeschwindigkeiten sind nicht durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt Messbare Auswirkungen der Expansion in gravitativ gebundenen Systemen (Planetensysteme, Galaxien, ) sind nicht nachgewiesen (aber Pioneer-Anomalie) Hauptforschungsfelder für die Zukunft sind: Expansionsgeschichte (ferne Supernovae Ia) Hintergrundstrahlungen Dunkle Energie (Vakuum, Quintessenz, ) Dunkle Materie (WIMPs, Higgs, ) Gravitation jenseits von Newton (kleine und grosse Abstände, rotierende Massen, Gravitationswellen, )