Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen KIT SS Die Urknalltheorie. Katharina Knott

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1 Hauptseminar Der Urknall und seine Teilchen KIT SS 2014 Die Urknalltheorie Katharina Knott

2 Die Urknalltheorie 1. Einführung Entwicklung unseres Weltbildes 2. Die Entwicklung des Universums ein Zeitstrahl 3. Experimentelle Evidenzen

3 Einführung Die Entwicklung unseres Weltbildes 340 v.chr. Aristoteles: Erde ist kugelförmig 1514 Kopernikus: Heliozentrisches Weltbild, Kreisbahnen um die Sonne 1609 Kepler: Ellipsenbahnen 1687 Newton: Gravitation als Ursache der Bahnen 1750 Wright: Milchstraße als Sterne auf flacher Scheibe 1755 Kant: naher diffuser Nebel = entfernte Galaxie

4 Einführung Die Entwicklung unseres Weltbildes 1912 Slipher: Rotverschiebung von anderen Galaxien 1915 Einstein: ART mit statischem Kosmos 1922 Friedmann: expandierendes Universum 1923 Hubble: Distanz zum Andromedanebel 1927 Lemaître: Hubble-Gesetz v = H r 1931 Lemaître: Uratom als Ursprung des Universums 1948 Alpher/Gamow/Herman: heißer Anfangszustand 1964 Penzias/Wilson: Entdeckung der Hintergrundstrahlung 1981 Guth: Inflation zu Beginn der Entwicklung

5 Die Entwicklung des Universums ein Zeitstrahl Urknall-Bild: (Stand )

6 vor dem Urknall - Urknall vor dem Urknall: viele Theorien, aber keine wissenschaftliche Aussage möglich Urknall = Entstehung von Materie, Raum und Zeit keine Beschreibung mit physikalischen Gesetzen möglich

7 Planck-Ära 4 Grundkräfte in einer Urkraft vereinigt keine Aussage über Zustand möglich, Universum am Rande der physikalischen Grenzen Planckeinheiten aus Unschärferelation und Schwarzschildradius: l p = Għ m c 3 p = ħc G t p = l p c Plancklänge, Planckmasse, Planckzeit

8 GUT-Ära T = K GUT: Grand Unified Theory Große Vereinheitlichte Theorie Gravitation spaltet sich aus der Urkraft ab Schwache, starke und elektromagnetische Wechselwirkung noch in X-Kraft vereinigt

9 Inflation überlichtschnelle Ausdehnung auf das fache der ursprünglichen Größe Ursache für Beginn und Ende: Inflatonfelder und deren Minimum Abkühlung auf unter 1K, Reheating durch exotherme Teilchenreaktionen löst bisherige Mängel der Theorie

10 Quark-Ära T = K Bildung von Quarks und Antiquarks Bildung anderer Teilchen, sind aber instabil Materie liegt in Quark-Gluonen-Plasma vor

11 Hadronen-Ära T = K Quarks bilden Hadronen nach 10 4 s: Stopp der Protonen-/Neutronen-erzeugung aus Strahlung, Annihilation schwere Hadronen zerfallen in p + und n Umwandlung von p + in n und umgekehrt nach 1s: nur noch n p +, Paarbildung e /e + stoppt

12 Nukleosynthese T = 10 9 K Bildung von Deuteronen Weiterreaktion zu Tritium-, Helium-3-Kernen, daraus Helium-4-Kerne nach 3 min: Erliegen der Kernfusion ungebundene Neutronen zerfallen in p + und e 25% 4 He ++, Spuren von 3 He ++, 2 H +, 3 H +, 7 Li +, 75% H

13 Rekombination T = K Bildung von Atomen, e werden eingefangen Universum wird strahlungsdurchlässig heutige Hintergrundstrahlung stammt aus dieser Zeit

14 Bildung großräumiger Strukturen Dichteschwankungen: Materie sammelt sich an den Punkten mit großer Dichte kollabierende Gaswolken bilden Sterne Kernfusion Stern endet in Supernova: verteilt Masse im Raum und beschleunigt Bildung neuer Sterne Bildung von Kugelsternhaufen, Galaxien, 9 Mrd. Jahre: Entstehung unseres Sonnensystems

15 Experimentelle Evidenzen Rotverschiebung, Expansion Mikrowellen-Hintergrundstrahlung Häufigkeit leichter Elemente

16 Rotverschiebung, Expansion Quelle: Quelle: Kosmologie-Skript von Prof. de Boer

17 Rotverschiebung, Expansion λ 0 = c T, λ obs = c + v T mit der Zeitdilatation T = T 1 1 v c 2 Die Rotverschiebung z ist definiert als z = λ λ 0 = λ obs λ 0 λ 0 = λ obs λ z = λ obs λ0 c+v T = c T = T 1 + v = 1+ v c T c 1 v c

18 Rotverschiebung, Expansion wähle λ 0 = a λ obs (als Anteil der heutigen Wellenlänge) 1 + z = λ 0 a λ0 = 1 a bei z = 3 also a = 1 4 λ 0 = 1 4 λ obs Universum hatte zum Aussendezeitpunkt z = 3 25% seiner heutigen Größe

19 Rotverschiebung, Expansion 1927 Lemaître: Hubble-Gesetz v = H r, H 22,8 km s Lj Vermutung: Verringerung der Expansionsgeschwindigkeit aufgrund Gravitation 1998: Supernovae schwächer als erwartet Expansion ist beschleunigt passt nicht zur Entwicklung zum heutigen Zustand erst gebremste, dann beschleunigte Expansion (2001: Übergang vor ca. 5 Milliarden Jahren)

20 Mikrowellen-Hintergrundstrahlung 1948: Gamow, Alpher, Herman postulieren Hintergrundstrahlung als Folge des heißen Urknalls Schwarzkörperstrahlung im Bereich von T = 5K 1964: Penzias, Wilson finden aus Versehen den Beweis (1978 Nobelpreis) Signale bei λ = 7,35cm, T = 3,5K 1967 Sachs, Wolfe: Temperaturfluktuationen Bestätigung durch COBE-, WMAP-, Planck-Satellit

21 Mikrowellen-Hintergrundstrahlung COBE WMAP Bereiche um T = 2,725 K z = 1100 Planck Quelle:

22 Mikrowellen-Hintergrundstrahlung Schwarzkörper absorbiert auftreffende Strahlung vollständig ausgesendetes Spektrum nur von der Temperatur abhängig Schwarzkörperstrahlung Quelle: nach Subsites/themenseiten/blackbody/bb_index.html/

23 Häufigkeit leichter Elemente Entstehung der Elemente bei Kernfusion in den Sternen und Supernovae Überschuss leichter Elemente Entstehung während der Nukeosynthese

24 Quellen Roos, Matts: Introduction to Cosmology; John Wiley & Sons Ltd, 2003 Hawking, Stephen: Die kürzeste Geschichte der Zeit; Rowohlt Verlag, 2005 Hawking, Stephen: Die illustrierte kurze Geschichte der Zeit; Rowohlt Verlag, 2000 Weinberg, Steven: Die ersten drei Minuten; R. Piper & Co. Verlag, 1977 Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 7/2004, S. 42ff "Das Tempo der Expansion", Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbh, Heidelberg Skript der Kosmologievorlesung im SS 2004, Prof. Dr. Wim de Boer, erhältlich unter www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/ Folien der Kosmologievorlesung im SS 2012, Prof. Dr. Wim de Boer, erhältlich unter www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/ (Stand ) (Stand ) (Stand ) (Stand ) (Stand ) (Stand ) (Stand ) (Stand ) (Stand ) (Stand ) (Stand ) (Stand ) (Stand ) (Stand )