Die Entwicklung des Universums

Transkript

1 Die Entwicklung des Universums Thomas Hebbeker RWTH Aachen September 2003 Grundlegende Beobachtungen Das Big-Bang Modell Die Entwicklung des Universums 1.1

2 Blick ins Universum: Sterne und Galaxien Die Milchstrasse Nachbarstern Proxima Centauri 4 Lichtjahre Lj 1 Lichtjahr =70000 mal Abstand Erde- Sonne Monschau Das Sonnensystem in der Unsere Galaxie = Milchstrasse Milchstrasse

3 Blick ins Universum: Sterne und Galaxien Andere Galaxien Nachbargalaxie Andromeda 3 Millionen Lichtjahre Palomar Observatory, E. Hubble (1949) Whirlpool (HST) 37 Millionen Lj

4 Vergangenheit! Blick ins Universum: Sterne und Galaxien Entfernte Galaxien Hubble-Teleskop bis zu einigen Milliarden Lichtjahren Blick in die

5 Die Chemie des Universums SN 1987A Vor der Sternbildung: Am Ende des Sternenlebens: 75 % 25 % Wasserstoff Helium Wir bestehen aus Sternenasche!

6 Doppler-Effekt (Licht) Wellenlänge Sonnenlicht: Atomare Spektrallinien: 0.4 µm 0.8 µ m

7 Rotverschiebung der Spektrallinien E. Hubble 0.4 µm 0. 8 Hubble-Konstante = 2cm / s / Lj Universum expandiert!

8 Raum Big Bang = Ur- Knall - 15 Milliarden Jahre Zeit

9 Sonne Licht von der Urexplosion Urexplosion: heißes Gas / Plasma (ähnlich Sonne) T = 6000 K Plancksche Strahlungskurve

10 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

11 Die kosmische Hintergrundstrahlung A. Penzias und R. Wilson 1965: COBE Mikrowellenstrahlung aus dem Kosmos = Blitz der Urexplosion Plancksche Strahlungskurve

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

13 Zusammenfassung Grundlegende Beobachtunge Universum = viele Galaxien Chemische Elemente: H, He Galaxien fliegen auseinander Big-Bang -Modell Licht aus Urexplosion

14 Die Entwicklung des Universums 10 Adler-Nebel (M16) HST Grundlegende Beobachtungen Das Big-Bang Modell

15 Das Big-Bang - Modell Chemie : 75% H, 25% He Einsteins allgemeine Relativitätstheorie + Astrophysikalische Beobachtungen = Der Raum expandiert Anfang: Big Bang Hintergrundstrahlung Rotverschiebung Alter ~ Jahre

16 Evolution des Universums (a la Einstein) Geschwindigkeit nimmt ab! 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 = 2cm / s / Lj Ω m entscheidet über unser Schicksal!

17 Evolution wird durch Evolution des Universums (Einstein) Urknall Ω Massendichte bestimmt: m = ρ / ρ krit = Abstand zwischen zwei entfernten Galaxien Alter des Universums ~ 15 Milliarden Jahre Welche Kurve ist richtig?

18 Prozesse im frühen Universum min a a s Atome Kerne Ladungssumme = 0

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

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

21 Zusammenfassung Big-Bang - Modell Universum entstand aus heißem Urknall vor ~15 Milliarden Jahren Mit Abkühlung entstanden Atome und Galaxien Galaxien bewegen sich voneinander weg FRAGE: EVOLUTION QUANTITATIV?

22 Die Entwicklung des Universums Adler-Nebel (M16) HST Grundlegende Beobachtungen Das Big-Bang Modell

23 Kollaps Entwicklung des Universums? Hat Einstein Recht? Beschleunigte Expansion In jedem Szenarium: Urknall!

24 Wie misst man die Evolution? A) Bestimmung der Geschwindigkeitsänderung der Galaxienflucht mit der Zeit B) Messung der von der Materiedichte abhängigen Raumkrümmung

25 Supernovae Ia Explosion wenn Masse kritischen Wert erreicht! 1.4m Sonne Helligkeit: gleich groß Entfernung Blick in Vergangenheit! Fluchtgeschwindigkeit Zeitskala: einige Wochen

26 Messung der Geschwindigkeitsänderung mit Supernovae Fluchtgeschwindigkeit β = 0.5 Geschwindigkeit heute höher als früher! ABSTOSSUNG! 9 10 Lj Entfernung ~ Zeit (Vergangenheit)

27 Evolution des Universums neu Messungen an Supernovae: beschleunigte Expansion! Erweitertes Modell: Einsteins kosmologische Konstante Λ 0 Ω Λ Neue Energieform: dunkle Energie Ω Ω m + Ω Λ 1 wirkt abstossend!

28 Modifiziertes Gravitationsgesetz Newton/Einstein: m d 2 R( t) dt 2 = G N m M R( t) 2 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!

29 Raumkrümmung? Einstein: ja! lokal : Gravitationsfelder global (Kosmos): vielleicht Heute: Ω 1? Einstein-Ring (Hubble-Teleskop) Gravitationslinse ( lokal )

30 Raumkrümmung im Universum (global)? Messung der Raumkrümmung: Winkelmessung: flach offen geschlossen Ω =1 Ω < 1 Ω > 1 Zusammenhang mit Energiedichte: Ω = ρ ρ krit = mittlere Energiedichte kritische Energiedichte

31 Die kosmische Hintergrundstrahlung COBE T = ±100µ K Ursprung: Jahre nach Urknall T = 2.7 K 400 Photonen/ccm

32 Messungen mit dem WMAP-Satelliten Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Temperaturschwankungen Druckschwankungen Galaxienbildung

33 Die Raumkrümmung im Universum Abstand ~ 15 Mrd J. Distanz berechenbar geschlossen flach offen passt am besten: Keine Krümmung! Ω = Ω m + Ω Λ =1.02 ± 0.02

34 Energieformen im Universum Anteil in % dunkle Materie (nichtleuchtend) 7370 dunkle Energie [kosmol. Konst.] baryonische Materie leuchtende Materie

35 Zusammenfassung Entwicklung des Universums Newtons/Einsteins Gravitationsgesetz sagt Verlangsamung der Expansion voraus Messungen zeigen das Gegenteil! Mögliche Erklärung: Modifikation des Gravitationsgesetzes durch Einsteins kosmologische Konstante

36 Zusammenfassung goldenes Zeitalter der Kosmologie... Messungen...Theorie... Faszinierende neue Beobachtungen zur Evolution des Universums: Die Expansionsgeschwindigkeit scheint zuzunehmen! Revolution in der Physik!?

37 Anhang

38 Die kosmische Hintergrundstrahlung Mikrowellenstrahlung aus allen Richtungen ±100µ K COBE = schwarzer Körper mit T = 2.7K Kleine Temperaturunterschiede