Und es werde Licht. Die kosmische Hintergrundstrahlung

Transkript

1 Und es werde Licht Die kosmische Hintergrundstrahlung

2 Vermessung der Hintergrundstrahlung WMAP COBE Planck

3 Planck

4 Foto des Urknalls COBE

5 Foto des Urknalls WMAP

6 Foto des Urknalls Planck

7 Was sehen wir? Zustand des Universums ca Jahre nach dem Urknall Fluktuationen eines heißen Plasmas

8 Plasma Atome undurchsichtig durchsichtig wie im Innern der Sonne Weltall heute

9 Was ist Licht? Welle Teilchen Dualität Licht-Teilchen : Photonen Ohne Behinderung : auf (fast) geraden Bahnen: Lichtstrahlen Photonen können gestreut werden, oder absorbiert und emittiert werden

10 Photon Streuung in Wolke oder Plasma undurchsichtig!

11 Kann man in die Sonne hineinschauen? nur Oberfläche der Sonne sichtbar, obwohl viel elektromagnetische Strahlung im Innern!

12 Bilder nur in durchsichtigem Medium möglich Frühes Universum bis zu Jahre nach Urknall ( abb : after big bang ): Elektronen und Atomkerne getrennt, häufige Streuung der Photonen, undurchsichtig Spätes Universum ab Jahre abb : Elektronen und Atomkerne zu elektrisch neutralen Atomen kombiniert, nur sehr seltene Streuung der Photonen, durchsichtig, Lichtstrahlen

13 Was sehen wir? Zustand des Universums ca Jahre nach dem Urknall Űbergang von Plasma zu Atomen ( Die Wolke löst sich auf.)

14 Bedeutung der Bilder für Urknall - Theorie Lösung der Einstein schen Gravitationsgleichungen sagt heißes Plasma im frühen Universum voraus Beobachtung des Plasmas : entscheidender Test des Urknalls

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16 Gravitation regiert die Welt Einsteins Gleichungen leicht gemacht C. Wetterich, Mainz 27.5.

17 Expansion des Universums Hmm?

18 Expansion des Universums Der Raum zwischen den Galaxienhaufen dehnt sich aus. Früher war das Universum dichter, und heißer. Zurückverfolgung der Einstein schen kosmologischen Gleichungen : Urknall, extrem heißer Feuerball! Bis ca Jahre nach dem Urknall : heißes Plasma aus Protonen, Elektronen und Strahlung

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20 Entwicklung des Universums NASA Milliarden Jahre abb

21 Feuerball heißes Plasma Elektronen und Kerne oder Kernbestandteile getrennt viel heißer und dichter als die Sonne undurchsichtig Licht wird fortdauernd gestreut Universum kühlt ab Ende nach Jahren

22 Kosmische Hintergrundstahlung Jahre abb ist Universum genug abgekühlt, so dass sich neutrale Atome bilden können. Universum wird durchsichtig Vergleich : Wolke löst sich auf Fiat lux! Und es werde Licht!

23 Schnappschuß des Universums, direkt bevor sich die Atome gebildet haben

24 Einfachkeit des frühen Universums: Fluktuierendes Plasma im Temperaturgleichgewicht Planck Spektrum ( COBE ) Quantenmechanik auf astronomischen Skalen

25 (1) Kosmische Hintergrundstrahlung bestätigt Urknall- Theorie: Plasma im frühen Universum

26 Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

27 Fluktuationen in der Temperatur der Hintergrundstrahlung

28 Strukturbildung Aus winzigen Anisotropien wachsen die Strukturen des Universums Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen

29 Simulationen im Computer : Verteilung der Dunklen Materie im Universum Millenium simulation, VIRGO project

30 t = 1 Milliarde Jahre ( z =5.7 )

31 t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 )

32 Kosmische Strukturbildung im Grossrechner Simon White, Mainz, 1.7.

33 Fluktuationen als Keime für Entstehung der kosmischen Strukturen nötig

34 Foto des Urknalls als sich die Atome bildeten : ca Jahre abb

35 Bild einer Kugeloberfläche von innen winzige Temperatur-schwankungen der Hintergrundstrahlung

36 (2) Anisotropie der Hintergrundstrahlung: Keime der kosmischen Strukturen

37 Vermessung des Universums : Woraus besteht das Universum?

38 Energiedichte Energiedichte = Energie/Volumen Energie = Masse ( E=mc 2, c=1 ) Einheit : kritische Energiedichte Symbol für Energiedichte : ρ

39 ρ c =3 H² M² Kritische Dichte Kritische Energiedichte des Universums ( M : reduzierte Planck-Masse, M -2 =8 π G ; H : Hubble Parameter ) Ω b =ρ b /ρ c Anteil der Atome ( Baryonen ) an der (kritischen) Energiedichte

40 Kritische Dichte Ω tot bestimmt die Geometrie des Universums : kann vermessen werden Ω tot =1 flaches Universum Ω tot >1 Geometrie wie Kugeloberfläche Ω tot <1 hyperbolische Geometrie

41 Kritische Dichte Ω tot =1 flaches Universum Ω tot >1 Kugeloberfläche Ω tot <1 hyperbolische Geometrie

42 gekrümmte Bahnen der Lichtstrahlen

43 Zur Vermessung der Geometrie: charakteristischer Abstand ( Lineal) und Winkel Abstand : Größe des Horizonts zum Zeitpunkt der Emission der Hintergrundstrahlung : berechenbar aus Einstein Gleichung ( Horizont : Wie weit Signale sich seit dem Urknall ausbreiten konnten ) Winkel : aus beobachteten Anisotropien

44 Anisotropie der Hintergrundstahlung : Fleckengröße

45 Stärke der Temperaturschwankung in Abhängigkeit von Fleckengröße ( im Winkel ) Kontrast ca 10 Grad ca 1 Grad Winkel

46 Schallwellen im frühen Universum Länge berechenbar

47 Schallwellen im Plasma ca 10 Grad ca 1 Grad

48 Ω tot =1

49 Räumlich flaches Universum Ω tot = 1 Ω tot = 1 Ω tot =0.25

50 (3) Vermessung des Universums: Räumliche Geometrie ist nicht gekrümmt.

51 Zusammensetzung des Universums

52 Frequenzpektrum der Musikinstrumente gibt Details über Eigenschaften des Instruments

53 Winkelspektrum der Hintergrundstahlung gibt Details über Eigenschaften des Universums

54 Zusammensetzung des Universums Atome : 5 % Dunkle Materie : 25 % Dunkle Energie : 70 %

55 Anteil Atome

56 Bestimmung kosmologischer Parameter ( Planck ) Ω tot =0.999 ±0.006 Materie : Ω m =0.31±0.01 Atome : Ω b =0.048±0.005 Dunkle Materie : Ω dm =0.26±0.01 Dunkle Energie : Ω de =0.69 ±0.01 Alter =13.80±0.05 Milliarden Jahre

57 Nukleosynthese Eine Sekunde nach dem Urknall war das Universum so heiß, dass keine Atomkerne existieren konnten. nur Protonen, Neutronen bei Abkühlung : Entstehung der leichten Atomkerne Beginn der Chemie Chemie stimmt, wenn Atome 5% der kritischen Energiedichte des Universums ausmachen.

58 Nukleosynthese

59 Signale des Urknalls Hintergrundstrahlung Es werde Licht! ( Fiat lux ) ( Jahre abb) Primordiale Elementsynthese (Nukleosynthese) Beginn der Chemie ( 10 Minuten abb ) Űbereinstimmung! abb : after big bang

60 Nur 5% des Universums bestehen aus Atomen : bekannt von Hintergrundstahlung Nukleosynthese Jahre abb Atomphysik 10 Minuten abb Kernphysik

61 Materie : Alles, was klumpt

62 Dunkle Materie Anteil der Materie insgesamt : 30 % Die meiste Materie ist dunkel! Bisher nur durch Gravitation spürbar Alles was klumpt! Gravitationspotential

63 (4) Das Universum besteht zu 70% aus Dunker Energie Dunkle Energie : homogen verteilt

64 Dunkle Energie ein kosmisches Rätsel C.Wetterich, Mainz 13.5.

65 Statistische Verteilung von Fluktuationen : viele unabhängige Messungen Präzisions - Kosmologie

66 Korrelations-Funktion

67 (5) Probabilistisches Universum erlaubt Präzisions-Kosmologie

68 Woher kommen die Temperatur - Fluktuationen? Planck

69 Inflationäres Universum Ca Sekunden abb Entstehung der primordialen Fluktuationen aus Quantenfluktuationen Signale vom Urknall!

70 Quantenfluktuationen in der Anfangsphase des Universums werden heute beobachtbar!

71 Vorhersagen der Inflation Universum hat kritische Dichte Quantenfluktuationen aus der Zeit der Inflation werden zu Schallwellen zum Zeitpunkt der Entstehung der kosmischen Hintergrundstrahlung Primordiale Gravitationswellen : vielleicht gefunden! (BICEP)

72 Der Urknall Wie unser Universum aus fast nichts entstand C. Wetterich, Mainz, 24.6.

73 (6) Beobachtung der Anisotropien der kosmischen Hintergrundsstrahlung testen Modelle der inflationären Kosmologie unmittelbar am Urknall

74 Zusammenfassung

75 (1) Kosmische Hintergrundstrahlung bestätigt Urknall- Theorie: Plasma im frühen Universum

76 (2) Anisotropie der Hintergrundstrahlung: Keime der kosmischen Strukturen

77 (3) Vermessung des Universums: Räumliche Geometrie ist nicht gekrümmt.

78 (4) Das Universum besteht zu 70% aus Dunker Energie Dunkle Energie : homogen verteilt

79 (5) Probabilistisches Universum erlaubt Präzisions-Kosmologie

80 (6) Beobachtung der Anisotropien der kosmischen Hintergrundsstrahlung testen Modelle der inflationären Kosmologie unmittelbar am Urknall

81 end

82 Bestimmung kosmologischer Parameter Mittelwerte WMAP 2003 Ω tot =1.02 Ω m =0.27 ca 10 Grad ca 1 Grad Ω b =0.045 Ω dm =0.225