Urknall und Entwicklung des Universums
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- Horst Martin
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1 Urknall und Entwicklung des Universums Thomas Hebbeker RWTH Aachen University Dies Academicus Grundlegende Beobachtungen Das Big-Bang Modell Die Entwicklung des Universums 1.0
2 Blick ins Universum: Unser Sonnensystem 8 Lichtminuten
3 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
4 Blick ins Universum: Sterne und Galaxien Andromeda- Galaxie
5 Blick ins Universum: Sterne und Galaxien Andere Galaxien Nachbargalaxie Andromeda 3 Millionen Lichtjahre Palomar Observatory, E. Hubble (1949) Whirlpool (Hubble Teleskop) 37 Millionen Lj
6 Blick ins Universum: Sterne und Galaxien Entfernte Galaxien Hubble-Teleskop bis zu einigen Milliarden Lichtjahren Blick in die Vergangenheit!
7 Doppler-Effekt (Licht) Sonnenlicht: Atomare Spektrallinien: Wellenlänge
8 Rotverschiebung der Spektrallinien E. Hubble 0.4 μm 0. 8 Universum expandiert!
9 1 2 Explosionsmodell 3 x Hubble-Gesetz: v = H r r 1/H = 15 Milliarden Jahre = Weltalter v
10 dicht heiss Raum Big Bang = Ur- Knall - 15 Milliarden Jahre 2008 Zeit
11 Das heutige Universum Materie: Galaxien 10 mit je 11 Sternen dunkle Materie Strahlung: Sternenlicht Hintergrundstrahlung
12 Zusammenfassung Grundlegende Beobachtungen Universum = viele Galaxien Galaxien fliegen auseinander Big-Bang -Modell
13 Adler-Nebel (M16) Hubble- Teleskop Grundlegende Beobachtungen Das Big-Bang Modell Die Entwicklung des Universums
14 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?
15 Sonne Licht von der Urexplosion Urexplosion: heißes Gas / Plasma (ähnlich Sonne) T = 6000 K Plancksche Strahlungskurve
16 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
17 Die kosmische Hintergrundstrahlung 1% A. Penzias und R. Wilson 1965: Mikrowellenstrahlung aus dem Kosmos = Blitz der Urexplosion Plancksche Strahlungskurve Nobelpreis 2006 T = 3 K COBE Nobelpreis 1978
18 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 Nächste Frage: Entstehung der Atome im frühen Universum?
19 Prozesse im frühen Universum min a a s Atome Kerne Elementarteilchenphysik
20 Nukleosynthese = Bildung der Atomkerne 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!
21 Bildung von Atomen t = a T = 3000 K He-Kern + 2 e He-Atom H-Kern + e H-Atom Weltall ohne freie Ladung! Licht kann sich ungehindert ausbreiten! Atome bilden Sterne und Galaxien 25% Masse 75% 3min Kerne kosmische Hintergrundstrahlung
22 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!
23 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 Nächste Frage: Alter des Universums?
24 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
25 Ist das Urknall-Modell richtig? Unsere Vorstellung: Universum früher dicht und heiß; Galaxien fliegen voneinander weg FRAGEN: Alter des Universums? Ungefähr 15 Milliarden Jahre Nächste Frage: Zukunft? Geht die Expansion immer weiter?
26 Zusammenfassung Big-Bang - Modell Universum entstand aus heißem Urknall vor ~15 Milliarden Jahren Mit Abkühlung entstanden Atome (Wasserstoff + Helium) und später Galaxien Die kosmische Hintergrundstrahlung zeugt vom Explosionsblitz
27 Adler-Nebel Grundlegende Beobachtungen Das Big-Bang Modell Die Entwicklung des Universums
28 Kollaps Entwicklung des Universums? Hat Einstein Recht? Z e i t In jedem Szenarium: Urknall!
29 Kollaps Entwicklung des Universums? Hat Einstein Recht? Beschleunigte Expansion Z e i t In jedem Szenarium: Urknall!
30 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: schwer zu messen Ω m > 1: Schwerkraft gewinnt Ω m entscheidet über unser Schicksal!
31 Evolution des Universums (Einstein) Big Bang =Urknall entfernten Galaxien = Abstand zwischen zwei Big Crunch Alter des Universums ~ 15 Milliarden Jahre Welche Kurve ist richtig?
32 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
33 Supernovae Ia Explosion wenn Masse 1.4m Sonne Helligkeit: gleich groß Entfernung Blick in Vergangenheit! Fluchtgeschwindigkeit Zeitskala: einige Wochen
34 Messung der Geschwindigkeitsänderung Ergebnis: mit Supernovae Neue Kraft, neue Energieform: dunkle Energie wirkt abstoßend! Erweitertes Modell: Einsteins kosmologische Konstante Λ
35 Messung der Geschwindigkeitsänderung mit Supernovae Ergebnis: Geschwindigkeit zwischen Galaxien heute höher als früher! Abstoßung, beschleunigte Expansion! Konsequenz: modifiziertes Gravitationsgesetz neue Energieform: dunkle Energie
36 Energieformen im Universum unbekannt! Anteil in % 45 1? dunkle Materie (nichtleuchtend) dunkle Energie [kosmol. Konst.]??? baryonische Materie (Atome) leuchtende Materie 7370 unverstanden!
37 Zusammenfassung Entwicklung des Universums Urknall-Modell qualitativ erfolgreich Messungen zeigen Abweichung von berechneter Entwicklung der Galaxiengeschwindigkeiten! Mögliche Erklärung: Erweiterung des Gravitationsgesetzes, dunkle Energie
38 Zusammenfassung goldenes Zeitalter der Kosmologie... Messungen...Theorie... Revolution in der Physik!?
Urknall und. Entwicklung des Universums. Grundlegende Beobachtungen Das Big-Bang Modell Die Entwicklung des Universums 1.1
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