Urknall und. Entwicklung des Universums. Grundlegende Beobachtungen Das Big-Bang Modell Die Entwicklung des Universums 1.1

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1 Urknall und Entwicklung des Universums Thomas Hebbeker RWTH Aachen Dies Academicus Grundlegende Beobachtungen Das Big-Bang Modell Die Entwicklung des Universums 1.1

2 Blick ins Universum: Sterne und Galaxien Die Milchstrasse Nachbarstern Proxima Centauri 4 Lichtjahre Lj 1 Lichtjahr =70000 mal Abstand Erde- Sonne Aachen Das Sonnensystem in der Unsere Galaxie = Milchstrasse Milchstrasse

3 Blick ins Universum: Sterne und Galaxien Andere Galaxien Nachbargalaxie Andromeda 3 Millionen Lichtjahre Palomar Observatory, E. Hubble (1949) Whirlpool (Hubble Teleskop) 37 Millionen Lj

4 Vergangenheit! Blick ins Universum: Sterne und Galaxien Entfernte Galaxien Hubble-Teleskop bis zu einigen Milliarden Lichtjahren Blick in die

5 Doppler-Effekt (Licht) Wellenlänge Sonnenlicht: Atomare Spektrallinien: 0.4 µm 0.8 µ m

6 Rotverschiebung der Spektrallinien E. Hubble 0.4 µm 0. 8 Universum expandiert!

7 1 2 Explosionsmodell 3 x Hubble-Gesetz: v = H r r 1/H = 15 Milliarden Jahre = Weltalter v

8 Raum Big Bang = Ur- Knall - 15 Milliarden Jahre Zeit

9 Das heutige Universum Materie: Galaxien 10 mit je 11 Sternen dunkle Materie Strahlung: Sternenlicht Hintergrundstrahlung

10 Zusammenfassung Grundlegende Beobachtungen Universum = viele Galaxien Galaxien fliegen auseinander Big-Bang -Modell

11 Die Entwicklung des Universums Adler-Nebel (M16) Hubble- Teleskop Grundlegende Beobachtungen Das Big-Bang Modell

12 Ist das Urknall-Modell richtig? Unsere Vorstellung: Universum früher dicht und heiß; Galaxien fliegen voneinander weg FRAGEN: Beobachtbare Überbleibsel des heißen Urknalls? Entstehung der Atome im frühen Universum? Alter des Universums? Zukunft? Geht die Expansion immer weiter?

13 Sonne Licht von der Urexplosion Urexplosion: heißes Gas / Plasma (ähnlich Sonne) T = 6000 K Plancksche Strahlungskurve

14 Sonne Licht von der Urexplosion Urexplosion: heißes Gas / Plasma (ähnlich Sonne) T = 6000 K Vorhersage von R. Alpher u.a.1948: Ur-Licht heute noch beobachtbar Wellenlängen ~ 1000 mal größer Spektrum gleiche Form Plancksche Strahlungskurve

15 Die kosmische Hintergrundstrahlung 1% A. Penzias und R. Wilson 1965: T = 3 K COBE Mikrowellenstrahlung aus dem Kosmos = Blitz der Urexplosion Plancksche Strahlungskurve

16 Ist das Urknall-Modell richtig? Unsere Vorstellung: Universum früher dicht und heiß; Galaxien fliegen voneinander weg FRAGEN: Beobachtbare Überbleibsel des heißen Urknalls? Ja, kosmische Hintergrundstrahlung = Mikrowellenstrahlung

17 Prozesse im frühen Universum a a Atome 3min s Kerne Ladungssumme = 0

18 Nukleosynthese t = 3 min T = K 2 n + 2 p He-Kern (stabil) p = H-Kern (übriggebliebene Protonen) Schwere Kerne (C, O, U...) entstanden erst in Sternen/Supernovae!

19 Bildung von Atomen t = a T = 3000 K He-Kern + 2 e He-Atom 25% Masse 3min Kerne H-Kern + e H-Atom 75% kosmische Weltall ohne freie Ladung! Licht kann sich ungehindert ausbreiten! Universum wird durchsichtig! Hintergrundstrahlung

20 Die Chemie des Universums Vor der Sternbildung: Am Ende des Sternenlebens: 75 % 25 % Wasserstoff Helium BIG BANG- Modell sagt Messdaten richtig voraus! Wir bestehen aus Sternenasche!

21 Ist das Urknall-Modell richtig? Unsere Vorstellung: Universum früher dicht und heiß; Galaxien fliegen voneinander weg FRAGEN: Entstehung der Atome im frühen Universum? Ja, Wasserstoff und Helium, im Urknallmodell richtig berechnet

22 Wie alt ist das Universum? a) Objekte im Universum: ~ 4 Milliarden Jahre ~ 14 Milliarden Jahre a u s g e b r a n n t e S t e r n e b) Zeitpunkt des Urknalls Hubble-Gesetz: v = H r 1/H ~ 15 Milliarden Jahre = Weltalter

23 Ist das Urknall-Modell richtig? Unsere Vorstellung: Universum früher dicht und heiß; Galaxien fliegen voneinander weg FRAGEN: Alter des Universums? Ungefähr 15 Milliarden Jahre

24 Zusammenfassung Big-Bang - Modell Universum entstand aus heißem Urknall vor ~15 Milliarden Jahren Mit Abkühlung entstanden Atome (Wasserstoff + Helium) und Galaxien Die kosmische Hintergrundstrahlung zeugt vom Explosionsblitz

25 Die Entwicklung des Universums Adler-Nebel Grundlegende Beobachtungen Das Big-Bang Modell

26 Kollaps Entwicklung des Universums? Hat Einstein Recht? Beschleunigte Expansion Z e i t In jedem Szenarium: Urknall!

27 Evolution des Universums (a la Einstein) Galaxie Geschwindigkeit nimmt ab, da Gravitation anziehend proportional zur Massendichte (Unbekannter) Parameter Ω m gibt an, welcher Effekt die Oberhand gewinnt: Ω m > 1: Schwerkraft gewinnt Ω m entscheidet über unser Schicksal!

28 Evolution des Universums (Einstein) Big Bang =Urknall entfernten Galaxien = Abstand zwischen zwei Big Crunch Alter des Universums ~ 15 Milliarden Jahre Welche Kurve ist richtig?

29 Wie kann man die Evolution messen? Bestimmung der Geschwindigkeitsänderung der Galaxien mit der Zeit schnell langsam negativ Idee: weit entfernte Objekte = Blick in die Vergangenheit (Lichtlaufzeit!) Geschwindigkeitsmessung mit Dopplereffekt

30 Supernovae Ia Explosion wenn Masse 1.4m Sonne Helligkeit: gleich groß Entfernung Blick in Vergangenheit! Fluchtgeschwindigkeit Zeitskala: einige Wochen

31 Messung der Geschwindigkeitsänderung Ergebnis: mit Supernovae Neue Kraft, neue Energieform: dunkle Energie wirkt abstoßend! Erweitertes Modell: Einsteins kosmologische Konstante Λ

32 Messung der Geschwindigkeitsänderung mit Supernovae Ergebnis: Geschwindigkeit heute höher als früher! Abstoßung, beschleunigte Expansion Konsequenz: modifiziertes Gravitationsgesetz neue Energieform: dunkle Energie

33 Energieformen im Universum unbekannt! Anteil in % 45 1? dunkle Materie (nichtleuchtend) dunkle Energie [kosmol. Konst.]??? baryonische Materie leuchtende Materie 7370 unverstanden!

34 Zusammenfassung Entwicklung des Universums Urknall-Modell qualitativ erfolgreich Messungen zeigen Abweichung von berechneter Entwicklung der Galaxiengeschwindigkeiten! Mögliche Erklärung: Erweiterung des Gravitationsgesetzes, dunkle Energie

35 Zusammenfassung goldenes Zeitalter der Kosmologie... Messungen...Theorie... Revolution in der Physik!?

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