Themen. 1. Experimentelle Beobachtungen und Hubble. 2. Die Kosmologischen Epochen. 3. Die Hintergrundstrahlung

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2 Themen 1. Experimentelle Beobachtungen und Hubble 2. Die Kosmologischen Epochen 3. Die Hintergrundstrahlung 4. Dunkle Materie / Energie als notwendige Konsequenz 5. Schwächen der Urknalltheorie 2

3 Allgemeines Zuvor: steady - state Theorie Begründer der Urknalltheorie: Lemaître / Friedmann Friedmann Gleichungen liefern expandierendes Universum mit Urknallsingularität Grund für den Urknall: unbekannt, evtl. Quantenfluktuation 1. Experimentelle Beobachtungen und Hubble 3

4 Experimentelle Befunde Hintergrundstrahlung (CMB) des Alls beobachtete Altersgrenze der Sterne (~13 Mrd Jahre) Häufigkeitsverteilung der Elemente im Weltraum Rotverschiebungen des Lichts ferner Galaxien 1. Experimentelle Beobachtungen und Hubble 4

5 Rotverschiebungen Dopplereffekt: f = f c c ± v v Gravitationsrotverschiebung Kosmologische Rotverschiebung λ z = beobachtet 0 λ 0 λ mit als Skalenfaktor Hubble Parameter: 1 a = 1 + z a( t) H = a ( t ) 1. Experimentelle Beobachtungen und Hubble 5

6 Das Hubblesche Expansionsgesetz Galaxien bewegen sich von uns weg: v = c z = H0 d Kehrwert der Hubble Konstanten Hubble Zeit Weltalter Bewegung durch Raum Zeit Dehnung Geschwindigkeit gut über Rotverschiebung messbar 71 km s Mpc ergibt 1. Experimentelle Beobachtungen und Hubble 6

7 Epochen des Universums charakterisiert durch die jeweiligen Reaktionen adiabatische Abkühlung lässt hochenergetische Teilchen aussterben ( Ausfrieren von Reaktionen) 2. Die Kosmologischen Epochen 7

8 Planck - Ära Zeit vor 44 5,4 10 s (Planck Zeit) keine physikalisch sinnvollen Aussagen möglich, da weder Zeit noch Länge Kontinua sind aus elementaren Überlegungen folgt ρ und T 10 K am Ende der Planck - Zeit alle vier Grundkräfte waren in einer Urkraft vereint 94 g cm 3 2. Die Kosmologischen Epochen 8

9 GUT - Ära Beginn der Expansion Gravitation spaltet sich ab GUT Kraft verbleibt Zustand maximaler Symmetrie Ursprung der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie (?) 2. Die Kosmologischen Epochen 9

10 Inflationäres Universum s Bei sank die Temperatur auf 10 K starke spaltet sich von der GUT Kraft ab elektroschwache Kraft überlichtschnelle Expansion zwischen 50 um den Faktor s 33 und 10 s Größe des Universums danach: Größenordnung 1m 2. Die Kosmologischen Epochen 10

11 Die Inflationsphase erklärt die Beobachtungen globale Homogenität des Kosmos (Horizontproblem) großräumige Strukturen wie Galaxien / Galaxienhaufen geringe Krümmung des Raumes (Flachheitsproblem) das Fehlen magnetischer Monopole 2. Die Kosmologischen Epochen 11

12 Quark - Ära Nach s sank die Temperatur auf 10 K 25 Bildung von Quarks und Antiquarks noch keine stabilen Nukleonen Quark Gluonen Plasma schwerere Teilchen starben aus 2. Die Kosmologischen Epochen 12

13 Die vier Grundkräfte Nach s sank die Temperatur auf K elektroschwache schwache und elektromagnetische Kraft 2. Die Kosmologischen Epochen 13

14 Hadronen - Ära Nach 6 10 s sank die Temperatur auf 10 K 13 Quarks vereinigen sich zu Hadronen Umwandlungen: p + v n + e e p + e n + v + e thermisches Gleichgewicht: n n n p e ( m ) 2 n m p c kt 2. Die Kosmologischen Epochen 14

15 Leptonen - Ära Nach 4 10 s sank die Temperatur auf 10 K 12 Annihilation der Hadronen mit Antiteilchen Leptonenpaare werden gebildet, Dichte sinkt auf Neutrinos entkoppeln g cm 3 2. Die Kosmologischen Epochen 15

16 Ende der Leptonen - Ära Nach 0,1 s keine Myonen Antimyonen Paare mehr Nach 1 s keine Elektron Positron Paare mehr Bau der uns bekannten Materie abgeschlossen einige Neutronen sind zerfallen nach n p + e + v e 2. Die Kosmologischen Epochen 16

17 Nukleosynthese Nach 10 s sank die Temperatur auf 9 10 K Atomkernbildung, als erstes 2 Deuterium: n + p H + γ Y 4 nn n 2 n 2 n p = = = n n n + np 1 + n n p 0,25 Ende nach 5 Minuten: 25 % He-4 (Y), 75% H, Spuren: Deuterium, Helium-3, Lithium, Beryllium 2. Die Kosmologischen Epochen 17

18 Ende der Strahlungsära Nach Jahren fällt die Energiedichte der Strahlung unter die der Materie seither waren Photonen in ständiger WW mit freien Ladungen undurchsichtiges Universum nach Jahren sank die Temperatur auf rund 3000 K Rekombination Universum wird durchsichtig Hintergrundstrahlung 2. Die Kosmologischen Epochen 18

19 Hintergrundstrahlung nahezu homogen und isotrop, wie schwarzer Strahler ( ) 1 8π h h f 3 kt µ df = f e 1 df mit T = 2,725 ± 0,002 K 3 c Verschiebungsgesetz: 10 fmax = 5,88 10 T 3. Die Hintergrundstrahlung 19

20 Messung / Entdeckung wurde bereits 1948 von Gamow vorhergesagt 1965 von Penzias und Wilson zufällig entdeckt heute: COBE, WMAP rund 400 Photonen 3 cm an Hintergrundstrahlung 3. Die Hintergrundstrahlung 20

21 Perfekte Isotropie? Abweichungen von der Isotropie durch COBE und WMAP gemessen nach Abzug der dipolartigen Verschiebung verbleibt T = T Abweichungen durch Materieschwankungen Messung liefert Information über die Zeit vor der Entkopplung 3. Die Hintergrundstrahlung 21

22 Winkelleistungsspektrum: Ausschlag bei 1 Messung liefert Informationen über Krümmung Strahlung aus überdichten Regionen erfährt Gravitationsrotverschiebung 3. Die Hintergrundstrahlung 22

23 Krümmung / Dichteparameter 3 Möglichkeiten der Krümmung: Dichteparameter: c aus ρ Ω =, man findet Ω 1 ρ c 1 4π 1 4π ρ E = T + U = mv Gmρr = mh0r Gmρr 3. Die Hintergrundstrahlung 23

24 3H 8π G 2 0 bei ρc = ist keine Krümmung E = 0 Krümmung ist mit Dichteparameter verknüpft: kc H S Ω ( ) = : Dichteparameter beeinflusst Zukunft des Universums 3. Die Hintergrundstrahlung 24

25 Dunkle Materie es gibt zu wenig baryonische Materie um kosmologische Beobachtungen zu erklären baryonische, heiße und kalte dunkle Materie (WIMP) WIMP unterliegt gravitativer und schwacher WW Zusammensetzung des Universums: 4. Dunkle Materie / Energie als notwendige Konsequenz 25

26 Dunkle Energie baryonische und dunkle Materie würden Verlangsamung der Expansion verursachen Beobachtung: exponentielle Expansion dunkle Energie als Vakuumenergie hat konstante Dichte 4. Dunkle Materie / Energie als notwendige Konsequenz 26

27 m G Bsp: Bewegung eines Objekts mit Masse und Abstand r zum Zentrum einer Masseverteilung Gesamtenergie: Energie ist erhalten: gelöst durch Beobachtung liefert Ω DE π E = m r Gm M = m r Gm ρ r 2 r E π = 0 r = Gρ r 3 R = R0 e t t G G G G mit t 0 8π = Gρ Ω = ΩB + ΩDM + ΩDE = 1,02 ± 0,02 4. Dunkle Materie / Energie als notwendige Konsequenz 27

28 Schwächen Antisymmetrie Materie / Antimaterie Beschreibung der Planck Ära Wie kam es zum Urknall? Dunkle Materie / Energie 5. Schwächen der Urknalltheorie 28

29 Quellen Kosmologieskript von Prof. de Boer Blome / Zaun: Der Urknall Joseph Silk: Die Geschichte des Kosmos Spektrum der Wissenschaft: Kosmologie und Teilchenphysik dm-seminar/khaiser.pdf wunner.pdf 29