3. Kosmologie, oder Was ist die Masse des Universums?

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1 3. Vorlesung 3. Kosmologie, oder Was ist die Masse des Universums? Literatur: beliebiges Lehrbuch Kosmologie/ Astrophysik z.b. Klapdor-Kleingrothaus/Zuber, Teilchenastrophysik (mit Beiträgen aus Vorträgen A. Jersak und K. Wohlfart) Woraus besteht das Universum? Wie gross ist das Universum? Wie gross ist seine Masse? A. Geiser, Was bedeutet Masse? 1

2 Raum-Zeit-Symmetrien und die Vereinheitlichung der Kräfte Kosmologie: Ptolemäisches Weltmodell (ca. 150) Mechanik: (ca. 350 v. Chr.) Brahe Kepler heliozentrisches Weltmodell Kopernikus (ca ) Galilei Gassendi ruhende Erde ist ausgezeichnetes Bezugssystem. Kein Relativitätsprinzip. 1. Vorlesung Inertialtheorie Elektrizität Magnetismus Newton Gravitation Mechanik Galilei-Invarianz Cavendish, Coulomb ( ) Maxwell (1864) Permanent-Magneten (Kompass, z.b. Neckham 1183) Newtonsche Mechanik (1687) Einstein 3. Vorlesung Gravitation, Kosmologie Planck, Einstein, Bohr, Schrödinger, Heisenberg ( ) (1905) 2. Vorlesung Lorentz-Invarianz Voigt, Lorentz, Poincare ( ) Einstein (1916) Impetus- Theorie, Aristoteles Elektro- Magnetismus spezielle Relativitätstheorie Quantenmechanik allgemeine Relativitätstheorie Quantenfeldtheorie??? Dirac, Tomonaga, Schwinger, Feynman ( x) lokale Eichsymmetrie A. Geiser, Was bedeutet Masse? 2

3 Woraus besteht das Universum? Expandierendes Universum Sichtbare Materie Dunkle Materie Dunkle Energie A. Geiser, Was bedeutet Masse? 3

4 Das Hubble-Gesetz (in einer modernen Form) Galaxien scheinen sich voneinenander zu entfernen: Rezessionsgeschwindigkeit v der Galaxien ist rigoros proportional ihrem Abstand D v( t) = H ( t) D( t ) H(t) Hubble-Expansionsparameter misst die Expansionsgeschwindigkeit des Universums A. Geiser, Was bedeutet Masse? 4

5 Gute Näherung: APOD A. Geiser, Was bedeutet Masse? 5

6 Der Raum expandiert, aber bleibt lokal immer gleich. Galaxien entfernen sich voneinander, aber sie ruhen im Raum und expandieren nicht. t A. Geiser, Was bedeutet Masse? 6

7 2-dimensionales Modell der Expansion C.H.Lineweaver and T.M.Davis, Scientific American, March 2005 Abstand zwischen Galaxien wächst,weil der Raum dazwischen expandiert Galaxien selbst bewegen sich NICHT! A. Geiser, Was bedeutet Masse? 7

8 Dorn-Bader Schulbuch S A. Geiser, Was bedeutet Masse? 8

9 Kosmologische Rotverschiebung z Expansion der Wellenlänge λ des Lichtes während des Fluges durch den expandierenden Raum Hat nichts zu tun mit dem Bewegungszustand der Quelle. =>kein Dopplereffekt! 1+ z = λ beob seit langem beobachtet! (Hubble) λ emis => der Raum expandiert! A. Geiser, Was bedeutet Masse? 9

10 Typische beobachtete Werte von z Erste Beobachtungen von Hubble 1929 D < 0,04 Gly z < Galaxien auf dem Hubble-Abstand D = DH = 14 Glyr v = c z = 1.5 Quasare bis z 6.4 CMB Quelle: v= 3c z = A. Geiser, Was bedeutet Masse? 10

11 Urknall Universum expandiert => war es einmal sehr klein? Urknall! bestätigt durch Beobachtung der kosmischen Hintergrundstrahlung (3K): Echo des Urknalls => später mehr A. Geiser, Was bedeutet Masse? 11

12 Rotationskurven von Spiralgalaxien Erwartetes Verhalten der Rotationsgeschwindigkeit einer Spiralgalaxie: 2 m M m v G M Aus G = folgt v = 2 r r r 4 r 3 Mit M = π ρ 2 2 folgt v = ( 4 π G ρ r ) 1 ~ r 3 innerhalb der Galaxie. Ausserhalb ist mit M = const Aber: Messung aufgrund von Dopplerverschiebung ergibt für große r: v ( r) = const M ~ Erklärung durch Dunkle Materie in einen sphärischen Halo um die Galaxie r A. Geiser, Was bedeutet Masse? 12 3 v ~ 1 r

13 Dunkle Materie um Spiralgalaxien Dunkle Materie im Halo um eine Galaxie Dunkle Masse 10x sichtbare Masse Kandidaten: - braune Zwerge? (baryonisch) - Neutrinos? (leptonisch) - WIMPS/SUSY? (neue Physik) -... Artist s view A. Geiser, Was bedeutet Masse? D.B.Cline, SciAm March 03 13

14 Grenzen für baryonische Dunkle Materie: Primordiale Nukleosynthese (3 min. nach dem Urknall): Entstehung der leichten Elemente. D Aus der gemessenen Deuteriumhäufigkeit 10 5 kann die Baryonendichte abgeschätzt werden: H Ω bar < Dies reicht aus, um z.b. die Rotationskurven von Galaxien zu erklären. Aber: Circa 80% der Materie besteht dann aus nicht-baryonischer Materie Woher wissen wir das? A. Geiser, Was bedeutet Masse? 14

15 Kosmische Hintergrundsstrahlung (CMB) aus allen Himmelsrichtungen mit Temperatur T0 = 2,7.. K Temperaturschwankungen nur sehr fein 0, K (WMAP Satellit) A. Geiser, Was bedeutet Masse? 15

16 Kosmische Mikrowellen-Hintergrundsstrahlung (CMB) aus allen Himmelsrichtungen bei gröberer Temperaturauflösung: T0 = 2,7.. K Auf kosmologischen Skalen ist das beobachtbare Universum überall gleich (Gleichmässige Materieverteilung) A. Geiser, Was bedeutet Masse? 16

17 Kosmische Zeit t gültig in ganzem Universum allgemeine Relativitätstheorie => kein Inertialsystem dafür notwendig weil das Universum überall gleich ist, ist es auch überall gleich alt Universumsalter t wird durch die Expansionsbewegung wie durch eine Sanduhr definiert Heute: t = t0 ( = 14 Gy) A. Geiser, Was bedeutet Masse? 17

18 Kosmische Skala a(t) Abstand normiert auf den heutigen a ( t) = D( t) D( t 0 ) Alle Längenskalen in der Kosmologie sind proportional zu der kosmischen Skala D( t) = D( t ) a( t) 0 a(t) bestimmt die Expansion auf allen Abständen gleichzeitig A. Geiser, Was bedeutet Masse? 18

19 a(t) beschreibt die Expansion a(t0) = 1 a(t) = 2 D(t0) heute D(t) = 2D(t0) a(t) = 1/1000 D(t) = D(t0)/1000 H ( t) = a& ( t) a( t) A. Geiser, Was bedeutet Masse? 19

20 Wie schnell expandiert das Universum? Hubble-Gesetz: v(t) ) = H(t) D(t) H(t) gross schnellere Expansion H(t)) klein langsamere Expansion H(t) =? a(t) ) = <=>? A. Geiser, Was bedeutet Masse? 20

21 Empirische Eigenschaften des H(t): H(t) ist t-abhängig Nach dem Urknall nimmt für lange Zeit ab H(t) ~ 1/t => verlangsamte Expansion Seit ein paar Gy H(t) const => beschleunigte Expansion Der heutige Wert ( Hubble-Konstante ):. H(t0) = 70 km/s Mpc (1Mpc = ly) A. Geiser, Was bedeutet Masse? 21

22 THEORIE der Expansion Gleichungen der Einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) 2 2 a& 8πG 1 H ( t) = = ρmaterie( t) + Λ a 3 3 Kosmologische Konstante Λ Von Einstein 1917 eingeführt zur Kompensation des negativen Materiebeitrags, um ein statisches Universum zu erreichen ( Krümmungsterm) nachträglich bedauert, aber wieder hochaktuell! A. Geiser, Was bedeutet Masse? 22

23 kritische Dichte des Universums Materie krümmt den Raum Kritische Dichte Ω : Dichte bei der Krümmung k = 0: ρ c = 2 3 H ( t) Λ 8 Gπ [ c ] 2 /3 mit ρ = Ω ρ 0 c folgt: (Definition) Ω = 8π G ρ0 2 3H [ ] 2 Λc A. Geiser, Was bedeutet Masse? 23

24 Zukunft des Universums (vereinfacht) 3 Szenarien für die Zukunft des Universums: (falls Λ = 0) Ω < 1 k < 0: Universum offen, unendliche Expansion Ω > 1 k > 0: Universum geschlossen, Big Crunch Ω = 1 k = 0: Universum flach, asymptotische Expansion A. Geiser, Was bedeutet Masse? 24

25 Inflation Vermutung Ω = 1, da dr( t) Ω( t) = k dt + 1 für k 0 instabil ist. Beispiel: 2 16 Ω(heute) = Ω(1s) = 1 10 deshalb inflationäres Universum: in inflationärer Phase (10-34 s s) exponentielle Expansion, dadurch Glättung der anfänglichen Krümmung des Universums und (heute) = 1. Ω A. Geiser, Was bedeutet Masse? 25

26 THEORIE der Expansion Gleichungen der Einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) 2 2 a& 8πG 1 H ( t) = = ρmaterie( t) + Λ a 3 3 ( Krümmungsterm) Beschleunigung: 1 a&& ( t) = πg ρ t + Λ a t Materie 3 ( 4 ( ) ) ( ) A. Geiser, Was bedeutet Masse? 26

27 Qualitative Beschreibung der Expansionsbeschleunigung: Materie ρ bremst die Expansion a& & ( t) < 0 Wieviel Materie? Einsteinsche Kosmologische Konstante Λ beschleunigt die Expansion a& & ( t) > 0 ist Λ = 0 oder nicht? A. Geiser, Was bedeutet Masse? 27

28 Gravitationslinseneffekt Erzeugen von Mehrfachbildern aufgrund von Massen zwischen Quelle und Beobachter Galaxienhaufen Abell 2218 sensitiv auf unsichtbare grosse Massen A. Geiser, Was bedeutet Masse? 28

29 Verteilung der Galaxien über den ganzen Himmel begrenzt Beitrag von Neutrinos und Baryonen A. Geiser, Was bedeutet Masse? 29

30 Messungen der Dichte Messwerte für Ω Luminosität von Galaxien: Ω = Dynamik von Clustern und Superclustern: 0.1< Ω < 0. 3 Fluchtgeschwindigkeit großräumiger Bereiche: 0.25< Ω < 2 scheinbar kein konsistentes Bild A. Geiser, Was bedeutet Masse? 30

31 Entdeckung der letzten Jahre: Supernovae- Beobachtungen => Die Expansion beschleunigt sich! Ein Beschleunigungsterm wie das Λ ist notwendig A. Geiser, Was bedeutet Masse? 31

32 Kosmische Hintergrundsstrahlung (CMB) aus allen Himmelsrichtungen mit Temperatur T0 = 2,7.. K Temperaturschwankungen nur sehr fein 0, K (WMAP Satellit) sensitiv auf Λ! A. Geiser, Was bedeutet Masse? 32

33 WMAP Spektrum der Fluktuationen A. Geiser, Was bedeutet Masse? 33

34 Dichte des Universums Ω Λ : Beitrag von Λ zur kritischen Dichte Ω Μ : Beitrag der Materie zur kritischen Dichte A. Geiser, Was bedeutet Masse? 34

35 Was bewirkt die Beschleunigung? Naturkonstante = kosmologische Konstante Λ àla Einstein? Wert: ~ mev Energie des Vakuums (Quanteneffekt)? Zu erwarten, aber Theoretiker können sie nicht berechnen (sie können schon, aber der Wert liegt bis zu 120 Größenordnungen daneben...) Quintessenz? Ein neues Feld Λ(t)? Vorschlag von Ch. Wetterich (Heidelberg) u.a A. Geiser, Was bedeutet Masse? 35

36 Dunkle Energie Naturkonstante Λ, Vakuumenergie, Quintessenz,??? Kosmologen brauchen irgendetwas davon: DUNKLE ENERGIE Niemand weiss, was das ist, weil es durchsichtig (unbeobachtbar) ist! - Spannung des leeren Raumes ( negativer Druck ) - Eine ganz neue Kategorie? A. Geiser, Was bedeutet Masse? 36

37 Energie im heutigen Universum 73±% dunkle Energie dominiert 4% bekannte Materie Atome (Sterne, H-Gas, wir) 23±% unbekannte Materie ( dunkle Materie ) Materie bremst, dunkle Energie beschleunigt die Expansion WMAP A. Geiser, Was bedeutet Masse? 37

38 Beobachtung: Universum fast flach! Beobachtbarer Teil des Universums ist flach Luftballon- Oberfläche als 2-dim Modell des Universums A. Geiser, Was bedeutet Masse? 38

39 Wie gross ist das Universum? Wir wissen es nicht genau Radius auf jeden Fall sehr gross (Universum fast flach) könnte aber gerade eben noch geschlossen sein! A. Geiser, Was bedeutet Masse? 39

40 Was ist die Masse des Universums? Frage nur sinnvoll für geschlossenes Universum nur Λ: ρ 2π 2 R 3 = π c 2 /2G Λ mit Materie: größer! A. Geiser, Was bedeutet Masse? 40

41 Zukunft des Universums? NASA A. Geiser, Was bedeutet Masse? 41