T.Hebbeker. Astrophysik. Astroteilchenphysik Kosmologie. Thomas Hebbeker RWTH Aachen April

Transkript

1 Astrophysik Astroteilchenphysik Kosmologie Thomas Hebbeker RWTH Aachen April

2 Erforschung des Universums 1) Beobachtung der Teilchen/Strahlung Universum Erde 2) Experimente im Labor Kosmologie 3) Modellbildung

3 Teilchen/Strahlung aus dem Universum??? unbekannte Teilchen??? Photon Z-Boson W-Boson γ Z W + W - masselos 91 GeV 80 GeV + Antiteilchen! Gluon g masselos Graviton G masselos

4 Teilchen/Strahlung aus dem Universum oder über Teilchen! Lerne über Universum und/ Kerne Photon γ masselos Z-Boson Z 91 GeV W-Boson W + W - 80 GeV Gluon g masselos Graviton G masselos??? unbekannte Teilchen??? Forderung: stabil, beobachtbar!

5 Teilchen/Strahlung aus dem Universum Kerne??? unbekannte Teilchen??? Astroteilchenphysik Photon Photon γ γ E > 1 GeV E < 1 GeV Astrophysik/ Astronomie Graviton G masselos Gravitationsphysik

6 Rate / Energiefluss (primäre Teilchen) Photonen ~ ev solar Rate 2 / m / s solar E 2 J / m / s extrasolar Rate 2 / m / s Atmosphäre Elektronneutrinos ~ MeV andere Neutrinos ~ MeV ? ? zeitlich gemittelt van-allan-gürtel Kerne (p) ~ kev / GeV Elektronen ~ kev / GeV nur wenige geladene ANTIteilchen!

7 Rate / Energiefluss (primäre Teilchen) Sternoberfläche Atmosphäre van-allan-gürtel Kernfusion im Sternzentrum Photonen ~ ev Elektronneutrinos ~ MeV andere Neutrinos ~ MeV Kerne (p) ~ kev / GeV Elektronen ~ kev / GeV Sonnenwind solar Rate? 2 / m / s solar E 2 J / m / s ? extrasolar Rate 2 / m / s Supernovae zeitlich gemittelt

8 Inhalt Einleitung Beobachtungen 1) Astronomie/Astrophysik 2) Astroteilchenphysik 3) Gravitationsphysik Kosmologie 1) Evolution des Kosmos 2) Prozesse im frühen Universum

9 1) Astronomie/Astrophysik Technische Fortschritte der klassischen Astronomie Interessante Objekte Supernovae Gamma Ray Burster Quasare, Galaxien mit Jets,... Kosmische Hintergrundstrahlung Chemie des Universums Rotverschiebung der Galaxien Heutiges Bild des Universums

10 klassische Astronomie rasante Fortschritte: Satelliten (HST) adaptive/aktive Optik Interferometrie Nachbargalaxie Andromeda 2 Whirlpool Millionen Lichtjahre (HST) 37 Millionen Lj Hubble Space Telescope HST deep field bis zu 10 Milliarden Lichtjahre Blick in die Vergangenheit! Whirlpool (HST) 37 Millionen Lj

11 Supernovae Ia Explosion wenn Masse kritischen Wert 1. 4 m erreicht! Sonne Standardkerzen Helligkeit: gleich groß Entfernungsbestimmung Zeitskala: einige Wochen

12 Gamma Ray Burster mysteriöse kurze (Sekunden - Tage) hochenergetische Ausbrüche 10 kev 100 MeV Nachglühen (sichtbares Licht) extragalaktisch? Quellen? Energie? M i l c h s t r a s s e

13 Quasare - Jets -AGNs... Astro-Monster-Katalog: Quasare = Quasi Stellar Radio Source Jets (aus Galaxien) AGN = Active Galactic Nuclei Seyfert-Galaxien Blazars HST: M87 in Virgo Vermutung: im Prinzip alle gleich! Zentrum: schwarzes Loch

14 Penzias, Wilson Die kosmische Hintergrundstrahlung 1965 Mikrowellenstrahlung aus allen Richtungen ±100µ K COBE = schwarzer Körper mit T = 2.7K Kleine Temperaturunterschiede 1995

15 Die Chemie des Universums Vor der Sternbildung: Am Ende des Sternenlebens: 75 % 25 % (Masse) Wasserstoff Helium Wir bestehen aus Sternenasche!

16 Rotverschiebung der Galaxien Hubble 1929: Universum expandiert v nm H = 65km / s / Mpc d = 2cm / s / Lj v = H d = 1 / ( a )

17 Das heutige Universum T = 2.7 K Materie: Galaxien 10 mit je 11 Sternen dunkle Materie H,He Strahlung: Sternenlicht Hintergrundstrahlung

18 2) Astroteilchenphysik Geladene Strahlung Eigenschaften Nachweis Höchste Energien Neutrinos aus Supernovae solare andere hochenergetische Photonen Eigenschaften Nachweis

19 Geladene Strahlung primär (p, Kerne) sekundär Entdeckung: V. Hess 1912

20 Eigenschaften geladener Strahlung Chemie (bei kleinen Energien): 87% p, 12% He, 1% Rest Energie- Spektrum: Supernovae E/eV?!

21 Nachweis primärer geladener Strahlung I I) direkt: Detektoren an Ballon bis max. 100 TeV (Rate!) oder in Satelliten JACEE = Japanese-American Collaborative Emulsion Exoeriment

22 Nachweis primärer geladener Strahlung II II) indirekt (Luftschauer): Detektor-Arrays (Szintillatoren) (ab 50 TeV) Cerenkov-Strahlung Fluoreszenzstrahlung (ab 10 TeV) Fly s Eye

23 Kosmische Teilchen bei höchsten Energien Agasa Array (Japan): primäre kosmische Teilchen mit (kin.) Energie > GeV = Tennisball! wurden nachgewiesen! Erzeugung im Weltall: unverstanden! ungehinderter Transport : ev 1993 unmöglich wegen Wechselwirkung mit Hintergrundstrahlung: p +γ

24 Antimaterie im Universum? gefunden Ja! Positronen, Antiprotonen... = Sekundärprodukte von Teilchenkollisionen Gibt es schwere Anti-Kerne im Universum (aus dem Urknall)? Bisher kein Antihelium...

25 Neutrinos aus dem Universum aus Supernovae: SN 1987A (Magellansche Wolke) HST 1996 aus der Sonne (s.u.) aus anderen kosmischen Quellen (s.u.)

26 Solare Neutrinos (~ MeV) Nur ~ 50% werden auf Erde nachgewiesen!? Chemie: Cl +ν Ar + e Licht: e + ν e + ν + γ ~ 1 / Tag! Homestake-Mine Superkamiokande

27 500 m Extrasolare hochenergetische Neutrinos Methode: ν + Kern µ + X + γ (Cerenkov) Amanda: Photomultiplier Amanda, Südpol, Eis noch keine Neutrino-Quellen gefunden...

28 Hochenergetische Gamma-Strahlung nur wenige Quellen identifiziert crab nebula (= SNR 1054) synchrotron compton

29 Nachweis von Gamma-Strahlung Luftschauer, Cerenkov-Strahlung): (ab 50 GeV) HESS Namibia

30 3) Gravitationsphysik Dunkle Materie Gravitationslinsen Gravitationswellen indirekter Nachweis direkte Suche Bisher nur Licht/Radiomessungen, kein direkter Nachweis der Gravitationseffekte!

31 Spiralgalaxie Rotationsgeschwindigkeit v(r) Dunkle Materie via Doppler-Effekt: = dunkle Materie v(r) ist Maß für eingeschlossene Masse! etwa 10 mal mehr dunkle als leuchtende Materie!

32 Gravitationslinsen HST Einstein-Ringe VLA

33 Gravitationswellen Vorhersage: Einstein 1918 Enstehung im Universum : Urknall Supernovae zwei verschmelzende Neutronensterne Nachweis: schwierig wegen kleiner Leistung/Amplitude: Erde um Sonne: P = 200 W Supernova in Milchstrasse: auf Erde l / l ~10 18

34 /s Gravitationswellen: indirekter Nachweis Doppelpulsar PSR : Erde Umlaufzeit und Abstände nehmen ab wegen Abstrahlung von Gravitationswellen Entdecker: Taylor und Hulse

35 Gravitationswellen: direkte Suche B) Michelson- Interferometer GEO600 Hannover A) Zylinderantenne

36 Das Big-Bang - Modell Einsteins allgemeine Relativitätstheorie + Astrophysikalische Beobachtungen = Der Raum expandiert Anfang: Big Bang Hintergrundstrahlung Rotverschiebung Chemie

37 Evolution des Universums Expansionsgeschwindigkeit gegeben durch: Hubble-Konstante (kinetische Energie Expansion) mittlere Massendichte (potentielle Energie Kontraktion) Gravitation! Ω m = ρ ρ krit = mittlere Massendichte kritische Massendichte nicht genau bekannt 3 H Atome / m 3 Hubble-Konstante Skalenparameter R: Abstand zwischen zwei entfernten Galaxien

38 Λ dunkle Energie wirkt abstossend! Erweitertes Modell: Einsteins kosmologische Konstante Neue Messergebnisse und alte Modelle

39 Messung der Expansion Supernovae Typ Ia Entfernung ~ Alter = Standardkerze d = v t log d = log v + logt Helligkeit Fluchtgeschwindigkeit

40 Berechnung der Evolution ohne kosmologische Konstante: d m 2 R( t) dt 2 = G N m M R( t) 2 M = 4 π ρ( t) R 3 ( t) = const 3 mit kosmologischer Konstanten : d m 2 R( t) dt 2 = G N m M R( t) 2 abstossend Λ + m Λ R(t) / 3 grosse Entferng!

41 Prozesse im frühen Universum a heute a Atome 3min s Kerne Ladungssumme = 0

42 Nukleosynthese t = 3 min T = K E = 0.1 MeV 2 n + 2 p g He-Kern (stabil) p = H-Kern (übriggebliebene Protonen) Schwere Kerne (C, O, U...) entstanden erst in Sternen/Supernovae!

43 Bildung von Atomen t = a T = 3000 K E = 0.3 ev He-Kern + 2 e g He-Atom H-Kern + e g H-Atom Weltall ohne freie Ladung! Licht kann sich ungehindert ausbreiten! Universum wird durchsichtig! 3min Kerne kosmische Hintergrundstrahlung!

44 Zusammenfassung Zunehmende Verzahnung zwischen Astrophysik und Teilchenphysik: Astroteilchenphysik stark verbesserte und neue Beobachtungstechniken -> viele spannende Resultate! goldenes Zeitalter der Kosmologie