Der kosmische Mikrowellen-Klang

Transkript

1 Der kosmische Mikrowellen-Klang Kosmologie und Teilchenphysik als akustische Phänomene 1. Kosmologie: Die Mikrowellen vom Urknall 2. Dunkle Materie Michael Kobel TU Dresden Lehrkräfte-Stammtisch

2 Strukturbildung im Universum MPI für Astrophysik München, MIllenium Simulation t = 0,2 Mrd. Jahre 20 Mio Lichtjahre t = 4,7 Mrd. Jahre 150 Mio Lichtjahre erste Sterne t = 1,0 Mrd. Jahre 50 Mio Lichtjahre t = heute 300 Mio Lichtjahre erste Galaxien

3 Ursprung der Dichteunterschiede Postulat: Aus Nachhall der Quantenfluktuationen des Urknalls, eingefroren durch Inflation (überholen Ereignishorizont) Verstärkt durch gravitatives Aufsammeln der Umgebung Grenze der Beobachtung: Kosmischer Mikrowellenhintergrund

4 Ursprung der Hintergrundstrahlung Bis Jahre nach Urknall: Plasma aus Protonen, Heliumkernen, Elektronen, Photonen 1 : 0,06 : 1,12 : Strahlung (Photonen) und Materie in Wechselwirkung Temperatur T > 3000 K Ionisation von H-Atomen durch Photonen Jahre nach Urknall: Atomhüllen bilden sich Das Universum wird durchsichtig Strahlung breitet sich ungehindert aus

5 Wenn das Universum heute 80 Jahre wäre ( Jahre 80 Jahre) Ein Neugeborenes, 19 Stunden alt. Erste Schritte mit 13 Monaten Schulanfang mit 6 Jahren Das Universum ist 80. Hat seit 5 Stunden Homo Sapiens

6 Unsere Sonne Wie lange braucht das Licht (Photonen) vom Inneren an die Sonnenoberfläche? A: 2 sec B: 8 min C: 12 Monate D: ,000 Jahre

7 Analogie: Die Sonne Gasball aus H und He, normalerweise durchsichtig Innen: T > K Ionisation der Atome freie Elektronen Licht jeder Energie wird absorbiert und wieder emittiert Erst nach ~ Jahren Ankunft nahe der Oberfläche Oberfläche (Photosphäre) T = 6000 K Elektronen an Atome gebunden Licht kann entweichen erreicht nach 8 min ungehindert die Erde

8 Beispiele zur Vermessung der Hintergrundstrahlung 1999 BOOMERanG

9 Temperaturschwankungen Dichtere Regionen sind etwas wärmer als dünnere Hintergrundstrahlung von dort ist etwas energiereicher Mittlere Temperatur heute: 2,73 K über absolut Null (-270,42 o C) Typische Temperaturschwankungen: +- 0,0002 K Physik Nobelpreis 2006: Entdeckung dieser Schwankungen John C. Mather und George Smoot (COBE Satellit) COBE

10 Mikrowellen als Babyfoto Cobe 1994 WMAP 2003

11 Nach Abzug unserer Milchstraße Winzige Temperaturschwankungen: T=2,73 K +- 0,0002 K heiße und kalte Flecken = dichte und dünne Gebiete genau wie bei Schall Klang des Universums

12 Akustische Analogie I: Chladni-Figuren

13 Akustische Analogie II: Musikinstrumente

14 Die Obertöne des Kosmischen Klangs Das Ohr hört an Obertönen: Art des Instruments geübtes Ohr: Bauweise Astrophysiker erkennen an den Obertönen: Form des Universums Zusammensetzung

15 Vergleich der Akustischen Wellen Schallgeschwindigkeit im Gas u = p r Frequenz f = u l Luft Universum Verhält. Wechselwirkung Druck d. Stöße Druck d. Strahlung + Gravitation (!) Dichte 3x10 25 Moleküle / m 3 3x10 8 Protonen / m 3 (bei Jahren) Zustandsgleichung pv k = const. p ~ r k p = ⅓c 2 r Geschwindigkeit v = kp/r = 340 m/s v= c/ 3 =1,7x10 8 m/s Wellenlänge 20 mm 20 m Lj Frequenz Hz ,4x10-13 Hz Akustik bis zu Frequenzen von 0,04 phz!

16 Schallwellen vermessen Geometrie l (Geometrie) = u (1/ Dichte) f (Tonhöhe) Geometrieänderung (Dichte=const.) ergibt Frequenzänderung Länge Tonhöhe ( Saiten, Pfeifen) Form Klang (Frequenzzusammensetzung) ( Fourierzerlegung ) a e i o u Dichteänderung (Geometrie=const.) ergibt ebenfalls Frequenzänderung ( Einatmen von Helium oder Schwefelhexafluorid SF 6 ) Universum: Kenne v und f Ł bestimme l (Maßstab)

17 Geometrie der Raumkrümmung erlaubt Rückschluss auf gesamten Energieinhalt ( Masseninhalt) W W = M / M flach W < 1 W = 1 negativ gekrümmt flach positiv gekrümmt W > 1 allgemeine Relativitätstheorie

18 Geometrie = Form des Universums W > 1 W = 1 W < 1 13,7 Mrd. Lichtjahre bekannter Maßstab l - neg. gekrümmt - flach - pos. gekrümmt W = 1, ,006

19 Das Universum als Spiegelsaal? Flach:= Parallele bleiben Parallel trotzdem endliches Volumen möglich! einfachste Lösung: Torus (eingeschränkte 3D 2D Visualisierung) 3D Visualisierung als Spiegelsaal

20 Möglicher Nachweis: circles- in- the sky Sobald Ereignishorizont größer Einheitszelle gleiche Muster gegenüber (heutiger Ereignishorizont: 46 Mrd. Lichtjahre) ) konsistent mit langwelligen CMB Pattern! Spektrum der Wissenschaft, Januar Beste Anpassung an CMB Daten: (Aurich, Steiner et al, Uni Ulm, 2008) Kantenlänge = 54 Mrd. Lichtjahre (große Unsicherheiten!)

21 Zusammensetzung des Universums Beiträge zur Gesamtenergie W atomare Materie (p,n,e): W B Sterne, Planeten, Gaswolken, Schwarze Löcher, -- dämpft den ersten Oberton -- verstärkt den zweiten Oberton nichtatomare dunkle Materie (n, ): W DM Ungebundene Elementarteilchen, schwach wechselwirkend -- verstärkten den zweiten Oberton dunkle Energie: W V kosmologische Konstante Vakuumenergie unverdünnbar W = W B + W DM + W V = 1

22 Der Effekt von Gravitation (~Materiedichte) Veränderung der Amplitudenverhältnisse

23 Ergebnis 5% atomare Materie (W B =0,05) 22% nichtatom. Materie (W DM =0,22) Summe: W=1,00 73% dunkle Energie (W V =0,73)!

24 Unabhängige Bestätigungen: Supernovae und Galaxiencluster =W V = W B + W DM

25 Zwischenbilanz Nur 27% des Universums ist Materie W m = W B + W DM = 0,27 5/6 davon ist nichtatomare, dunkle, Materie möglicherweise uns völlig unbekannt 73% ist keine Materie, sondern dunkle Energie und treibt das Universum auseinander Weder die Erde noch die Sonne noch die Milchstraße ist Mittelpunkt des Kosmos Selbst der Stoff aus dem all das gemacht ist, ist eine Randerscheinung (~ 5%) Die dunkle Energie bestimmt die Zukunft

26 Zusammenfassung Die Kosmische Symphonie der Mikrowellenhintergrund Obertöne ergeben Form und Zusammensetzung des Universums Das Universum ist im Mittel flach Die Masse der uns bekannten atomaren Materie bildet ca. 5% der Gesamtenergie des Universums Neutrinos erklären nur einen kleinen Bruchteil der 22% nichtatomaren dunklen Materie im Weltall Es gibt Ideen, was der Rest ist ( LHC Experimente 2010-?) 73% der Gesamtenergie steckt in dunkler Energie, unverstanden, aber bestimmend für die Zukunft Kosmologie und Teilchenphysik, Quantenphysik und Akustik sind eng verknüpft

27 Literaturempfehlungen (zusätzlich zu den schon genannten) Dieser Talk (ab morgen) auf: (Projekt: Outreach) Harald Lesch / Jörn Müller Kosmologie für Helle Köpfe (Goldmann Taschenbuch, 2006) Wayne Hu, The Physics of microwave background anisotropies (mit Artikel aus Scientific American: The cosmic symphony, 2004) Kosmologie und Teilchenphysik generell Das Weltall, Welt des Allerkleinsten Physik am LHC Teilchenphysik für die Schule und_lernmodule/ (nächste Veranstaltungen: März 2013!)