Frühe kosmologische Entwicklung und großräumige Strukturen
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- Emilia Heidrich
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1 Frühe kosmologische Entwicklung und großräumige Strukturen Volker Müller Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 1
2 Frühe kosmische Entwicklung Geburt des Sonnensystems vor 4.6 Milliarden Jahren Junge Galaxien, geboren vor 13 Mrd. Jahren, oder 1 Mrd. Jahre nach dem Urknall Erste Sterne werden etwa 200 Millionen Jahre nach den Urknall geboren, leiten die Reionisation des Universums ein: der Kosmos wird durchsichtig für jetzt bei uns sichtbares Licht. Die ersten 10 Minuten nach dem Urknall bestimmen die Helium-Häufigkeit des Kosmos (25% der normalen Materie) Kosmische Inflation vor 13.7 Mrd. Jahren, genauer Sekunden nach dem Urknall, heute sichtbare Universum nur etwa 1 Meter groß! 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 2
3 Das Fernrohr als Zeitmaschine Je schwächere Objekte wir im Kosmos sehen, desto weiter sehen wir in die Vergangenheit: Der nächste Fixstern ist ca. 4 Lichtjahre weg. Sterne der Milchstraßenebene gehen bis in 2 Tausend Lichtjahre Höhe: hier Beginn der (christlichen) Zeitrechnung. Das Licht vom Zentrum der Milchstraße braucht bis zu uns etwa 30 Tausend Jahre: hier Neanderthaler starben aus. Bis zum Rand der Einflusssphäre der Milchstraße braucht das Licht fast 1 Million Jahre: hier Homo erectus. 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 3
4 Blick in die Vorgeschichte Je schwächere Objekte wir im Kosmos sehen, desto weiter sehen wir in die Vergangenheit: Bis zum Schwerezentrum Virgohaufen braucht das Licht über 65 Millionen Jahre: hier Dinosaurier sterben aus. Bis zum benachbarten Coma-Galaxienhaufen (etwa 5 Grad am Himmel!) braucht das Licht etwa 300 Mio. Jahre: hier Paleozoikum mit dominierenden Meereslebewesen. Bis zum weitesten bekannten Quasar braucht das Licht über 13 Milliarden Jahre: Sonnensystem existiert noch nicht! 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 4
5 Blick ins tiefe Universum 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 5
6 Blick in den großen Kosmos Milchstraße enthält 100 Milliarden Sterne im Zentrum ist ein riesiges Schwarzes Loch die Milchstrasse besteht aus einer flachen Scheibe und einem kugelförmigen Halo Die Sonne rotiert in 250 Millionen Jahren einmal um das Zentrum der Milchstrasse Jenseits der Milchstraße gibt es unzählige Galaxien vielleicht 400 Milliarden Galaxien im sichtbaren Universum Galaxien formen ein kosmisches Netz 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 6
7 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 7
8 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 8
9 Cosmos Survey: h HST ACS + Subaru + VLT VIMOS + XMM Newton im optischen 10 Mrd. Pixel Quelle: HST ESA ESO (Kornmesser & Christensen, 2009) 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 9
10 XMM-Newton: Sicht auf COSMOS Feld: Zusammensetzung aus 50 Aufnahmen mit vielen Clustern und Quasaren Quelle: MPE (Hasinger, 2009) 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 10
11 Strukturen auf der Sichtlinie, als das Universum 2/3, 1/2 und 1/3 seiner heutigen Größe hatte: Z = 0.5, 1, April 2012 Planetarium am Insulaner 11
12 Der Kosmos expandiert Edward Hubble (1929): Vermessung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von 31 Galaxien: 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 12
13 Rotverschiebung ist direktes Maß für die Vergrößerung der Welt: Virgo-Haufen: km/s und 65 Mill. Lichtjahre Entfernung Hydra-Haufen: km/s und 3 Mrd. Lichtjahre Entfernung 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 13
14 Modernes Hubble-Diagramm Hubble-Space Telescope Key Program von Wendy Freeman et al. (2001): H 0 = 75 ± 8 km/s/mpc = 230 km/s/ Mill.Lichtjahre 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 14
15 Raum-Zeit- Darstellung: das Universum expandiert kein Zentrum Expansion früher verzögert, heute beschleunigt 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 15
16 Hubble-Diagramm mit Supernovae Adam Riess und Mitarbeiter (2007): Logarithmische Darstellung der Ordinate: Normierung geht verloren, aber Beschleunigung des Kosmos gemessen: H(z) steigt in der Vergangenheit und Beschleunigung der Vergrößerung der Welt da/dt in den letzten 6 Milliarden Jahren 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 16
17 Endliche Lichtgeschwindigkeit Albert Einstein s Grenze bestimmt alle Beobachtungen im Kosmos: Wir können im Kosmos nur so weit sehen, wie das Alter des Kosmos ist. Bei der beschleunigten Expansion entweichen Galaxien aus unserem Sichtbarkeitsbereich 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 17
18 Der kosmische Wettlauf Raum Raum Große Strukturen Große Strukturen Zeit Zeit Partikelhorizont Ereignishorizont 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 18
19 Kosmische Inflation Sekunden nach dem Urknall: Kosmos dehnt sich beschleunigt aus! Vergrößerung um mindestens : ein Atom etwa auf ein Lichtjahr! Ursache der Inflation ist die Vakuumenergie eines skalaren Inflationsfeld (Beziehung zum Higgs- Mechanismus?) Zustandsgleichung der Vakuumenergie: Druck = - Vakuumenergie 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 19
20 Kosmische Inflation Sekunden nach dem Urknall: Kosmos dehnt sich beschleunigt aus! Vergrößerung um mindestens : ein Atom etwa auf ein Lichtjahr! Ursache der Inflation ist die Vakuumenergie eines skalaren Inflationsfeld (Beziehung zum Higgs- Mechanismus?) Zustandsgleichung der Vakuumenergie: Druck = - Vakuumenergie Vakuumenergie gemessen als Casimir-Effekt (Vakuum des elektromagnetischen Feldes) 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 20
21 Inflation als Phasenübergang Potential des Inflaton-Feldes: falsches Vakuum einer unifizierten Theorie aller Wechselwirkungen geht in Vakuum des Standardmodells der Elementarteilchenphysik über! 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 21
22 Neue Urknalltheorie Ukrnall versteckt hinter der Inflationsphase 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 22
23 Ergebnis der Inflation Kosmos wird aus großen Skalen gleichförmig. Kosmische Volumina von der Skala der großen Strukturen entweichen aus dem Horizontbereich! Mit dem endlichen Horizont sind minimale Quantenschwankungen des Vakuums verbunden (Hawking-Strahlung), die im beobachteten Universum Dichteschwankungen verursachen. Skalenunabhängigkeit der Dichteschwankungen ist direktes Beobachtungsergebnis. Weiteres Merkmal: Gravitationswellen von der Inflation (vielleicht mit Planck messbar). Immer noch Hypothese! 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 23
24 Inflation im kosmischen Zeitablauf 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 24
25 Veranschaulichung der Inflation 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 25
26 COBE-Satellit Empfindlichkeit bis ca. 1 Grad (Strukturmaxima) WMAP-Satellit Empfindlichkeit bis 6 Minuten 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 26
27 Simulation des Planck-Blickes 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 27
28 WMAP Flaches Leistungsspektrum spricht für Inflation (n = 0.96) Doppler-Maxima aus Anregung in Inflation Kopplung an stehende Plasma- Schallwellen 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 28
29 Blick in den großen Kosmos Galaxien formen ein kosmischen Netz Galaxien, Gruppen, Cluster von Galaxien Filamente Kosmische Leerräume Kosmische Wände Strukturen von der kosmischen Inflation Skalenabhängigkeit der Strukturen deutbar im Bild des Horizontein- und Ausdritts mit kalter dunkler Materie (CDM) Baryonenoszillations-Maximum (BAO) 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 29
30 Simuliertes Universum 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 30
31 'Nahes Universum': rot < 250 Mill. Lj grün < 500 Mill. Lj gelb < 750 Mill. Lj 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 31
32 'Nahes Universum': alle 1.6 Millionen 2MASS-Galaxien in äquatorialen Koordinaten 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 32
33 'Nahes Universum': alle 1.6 Millionen 2MASS galaxien in supergalaktischen Koordinaten 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 33
34 '2-Grad-Feld': Struktur bis 1 Mrd. Lj Konus-Diagramm: Milchstraße sitzt zwischen Spitzen 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 34
35 'SDSS-Katalog': Struktur bis 20 % des Horizontbereich Filamente Wände - Galaxienhaufen 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 35
36 Gruppen von Galaxien im SDSS markieren sog. Halos von dunkler Materie 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 36
37 Leuchtdichtefeld vom SDSS: Galaxiencluster 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 37
38 SDSS: Superhaufenstrukturen 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 38
39 Rekonstruktion der Struktur en der dunklen Materie 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 39
40 Rekonstruktion der lokalen Gruppe 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 40
41
42 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 42
43 Baryonenoszillationen 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 43
44 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 44
45 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 45
46 Rotverschiebung so groß, dass keine Entdeckung im sichtbaren und IR-Band, aber im sub-mm z > 6 teilweise undurchsichtiges Universum 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 46
47 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 47
48 Aktuelle und zukünftige Beobachtungen: Planck-Satellit für kosmologische Hintergrundstrahlung Erste Sterne mit Extreme Large Telescope (ELT) Reionisation im 21cm-Radiosignal bei z April 2012 Planetarium am Insulaner 48
49 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 49
50 Messung der Ionisationsblasen 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 50
51 Messung der Ionisationsblasen 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 51
52 Messung der Ionisationsblasen 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 52
53 LOFAR: Messung der Reionisation Station Bornim: rotverschobene 21 cm Linie Kosmos bei z = April 2012 Planetarium am Insulaner 53
54 Geschichte der Messungen 1929 Expansion der Universums (Edwin Hubble) Dunkle Materie Massendichte in der Milchstrasse und im Virgo-Haufen (Jan Oort, Fritz Zwicky) Kosmische Netzstruktur (Jan Einasto, Eric Tago, Enn Saar) Cosmic Background Explorer CMB hat Planck-Spektrum und 10 µk Fluktuationen (John Mather und George Smoot) 1998 Cosmological Supernovae Projekt Beschleunigte Expansion des Universums (Saul Perlmutter, Brian Schmidt, Adam Riess) 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 54
55 Anfänge William de Sitter und Albert Einstein, Princeton 1931 Albert Einstein, Edwin Hubble und Walter Adams, Mt. Palomar April 2012 Planetarium am Insulaner 55
56 Robert Milikan, Georges Lemaitre und Albert Einstein, Pasadena April 2012 Planetarium am Insulaner 56
57 Geschichte der Strukturen 1978 erste Theorie der Galaxienentstehung Martin Rees, Joseph Silk, Simon White Kosmische Inflation Alexey Starobinsky, Alan Guth, Andrei Linde, Stephan Hawking, Andreas Albrecht, Michael Turner u.a CDM Modell Jim Peebles, George Blumenthal, Sandra Faber, Joel Primack 1985 erste CDM Simulationen Mark Davis, George Efstathiou, Carlos Frenk, Simon White 1999: sechs Zahlen bestimmen unsere Welt 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 57
58 6 Zahlen: H 0, Ω m, Ω Λ, σ m, τ, n s Ω m = 0.25 Ω Λ = 0.75 σ m = 0.75 τ = 0.9 n s = April 2012 Planetarium am Insulaner 58
59 Hubble-Konstante: H 0 H 0 = 72 ± 3 km/s/mpc 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 59
60 Schlüsseljahre der Kosmologie 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 60
61 Dekadenfragen (AAS) Wie begann das Universum? Was waren die ersten Lichtquellen? Wie haben sich die kosmischen Strukturen gebildet? Was ist die Verbindung von dunkler und sichtbarer Materie? Welche Fossilien können wir von der Galaxienbildung nachweisen? Wie bilden sich Sterne und schwarze Löcher? 11 April 2012 Planetarium am Insulaner 61
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