DasVermächtnisdesUrknalls Die Hintergrundstrahlung

Transkript

1 DasVermächtnisdesUrknalls Die Hintergrundstrahlung Elementare Kräfte Der Urknall und die Expansion des Universums Wie mißt man die Temperatur von Sternen? Hintergrundstrahlung und Isotropie des Universums Dunkle Materie und dunkle Energie Illustrationen: J. Bublath-Geheimnisse unseres Universums

2 Konventionen in der Physik 1 mm = m = 10-3 m 1 µm = m = 10-6 m 1 nm = m = 10-9 m 1 fm = m = m 1 km = 1000 m = 10 3 m Länge = Geschwindigkeit x Zeit Lichtsekunde (LS) = km 1 Lichtminute (LM) = 1, km 1 Lichtjahr (LJ) = 9, km Typische Skalen Radius des Protons: 1 fm Radius der Erde: 6, km Durchmesser der Milchstraße : 10 5 LJ = 9, km Lichtgeschwindigkeit c = km/sec = 1, km/h

3 Aufbau der Materie Atom Meteorit Atomkern Nukleon Quarks Siliziumscheibe u d

4 Wechselwirkungen der Materie Bei sehr kleinen Abständen gibt es nur 1 Wechselwirkung!

5 Astrophysikalische Beobachtungen Satelliten messen die Lichtstärkeverteilung am Himmel und deren Farbe: Frequenz ν Ausschnitt aus der Milchstraße

6 Geschwindigkeitsmessung Über die Rotverschiebung der Strahlung von Sternen messen wir deren Geschwindigkeit und Ausbreitungsrichtung

7 Die Objekte des Universums Sonne: 8.5 Lichtminuten Eta-Carinae: 8000 Lichtjahre Galaxie M33: 2,7 Mill. Lichtjahre Galaxie: 14 Milliarden Lichtjahre

8 Expansion des Universums Die Galaxien bewegen sich kontinuierlich auseinander! Rechnet man ihre Bahnen zurück, so entsteht die Vorstellung vom Urknall

9 Die ersten Sekunden Die Energiefluktuation expandiert exponentiell! Teilchen und Antiteilchen Strahlung Nach Sekunden überlebt ein relativer Anteil von 10-9 Elektronen und Quarks es entsteht ein Übergewicht von Materie relativ zur Antimaterie

10 Die ersten 3 Minuten Quarks und Gluonen werden in Nukleonen gebunden <-> Proton+Neutron <-> Deuteron <-> Leichte Kerne enstehen

11 Nach Jahren Protonen und Elektronen werden zu Wasserstoff gebunden; die Materie wird elektrisch neutral! Die Photonen entkoppeln Hintergrundstrahlung

12 Wie mißt man die Temperatur von Licht? Nobelpreis für Physik in 1911 Prof. für Physik in Giessen von als Nachfolger Röntgens Wilhelm Wien

13 Das Wien sche Verschiebungsgesetz: Messe die spektrale Intensität des Lichts: u(<) = const. < 3 exp(-h</t) 5 T 1 < T 2 Intensität T 2 1 3T Frequenz ν Maximum für h< = 3 T! Beispiel: Temperatur der Sonnenoberfläche: 5800 Kelvin

14 Nobelpreis für Physik 2006 George Smoot John Mather Für die Entdeckung des Schwarz-Körper-Spektrums und die Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

15 Wilkinson Microwave Anisotropy Probe A partnership between NASA/GSFC and Princeton Science Team: NASA/GSFC Chuck Bennett (PI) Michael Greason Bob Hill Gary Hinshaw Al Kogut Michele Limon Nils Odegard Janet Weiland Ed Wollack Brown Greg Tucker UBC Mark Halpern UCLA Ned Wright Chicago Stephan Meyer Princeton Chris Barnes Norm Jarosik Eiichiro Komatsu Michael Nolta Lyman Page Hiranya Peiris David Spergel Licia Verde WMAP

16 Foto des Universums nach Jahren Die Hintergrundstrahlung ist isotrop mit Temperatur K! Schwankungen sind kleiner als 1/10000 K!

17 Anisotropien der Hintergrundstrahlung Winkel Amplitude der Fluktuationen

18 => Räumlich flaches Universum: Ω tot = 1 Beobachtung ( WMAP ): Ω tot = ρ tot /ρ c =1.02 (+/-0.02) Kritische Energiedichte des Universums : ρ c =3 H² M² ( M = 2.44x10 18 GeV: reduzierte Planck-Masse, H : Hubble Parameter ) Ω b =ρ b /ρ c : Anteil der Baryonen an der Energiedichte ρ c

19 Anteil der Baryonen Staub, Planeten, Sonnen und ausgebrannte Sterne Ω b = 4-5% ~60,000 von >300,000 Galaxien Nur etwa 4-5% bestehen aus bekannter Materie! Ermittelt aus Elementsynthese und kosmischer Hintergrundstrahlung

20 Weitere Hinweise auf dunkle Materie Galaxien rotieren zu schnell in den Spiralarmen! Verteilung der Materie dunkel sichtbar

21 Zusammensetzung des Universums Unsichtbarer klumpender Anteil: Dunkle Materie Unsichtbarer homogener Anteil: Dunkle Energie

22 Spekulationen über dunkle Materie????????????????????????????????????? Schwarze Löcher WIMPS (weakly interacting massive particles) Supersymmetrische Teilchen aus dem Urknall: Neutralinos, Axions????????????????????????????????????? Gibt es weitere beobachtbare Hinweise auf die dunkle Energie?

23 Spekulationen über dunkle Energie????????????????????????????????????? Kosmologische Konstante ; A. Einstein: meine größte Eselei (oder nicht?) Quintessenz: zeitabhängiges skalares Feld; impliziert ein neues leichtes Teilchen und eine 5. Wechselwirkung Supersymmetrische Feldenergien?????????????????????????????????????

24 Pessimistische Zusammenfassung Conclusions. Zwei Dinge sind unendlich, das Universum und die menschliche Dummheit; aber bei dem Universum bin ich mir noch nicht ganz sicher. A. Einstein There is no darkness, only ignorance. W. Shakespeare

25 Optimistische Zusammenfassung Wir haben ein Bild des Universums etwa Jahre nach der Entstehung... und viele junge Menschen, die Spass am Lösen von Rätseln haben!