Die Urknalltheorie. Hauptseminar von Tobias Buehler

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1 Die Urknalltheorie Hauptseminar von Tobias Buehler

2 Inhaltsverzeichnis 1 Historische Entwicklung 3 Was man sich daraus herleitet 2 Was man Messen kann 3.1 Planck Ära 2.1 Rotverschiebung und Expansion 3.2 Gut Ära 2.2 Kosmischer Mikrowellenhintergrund 3.3 Baryogenese 2.3 Häuffigkeit 3.4 Materie leichter 3.5 Primordinale Nukleosynthese Beobachtbarer 3.6 Rekombination Elemente 3.7 Inflationäre Phase

3 Historie 1922 Friedmann expandierende Universum 1927 Lemaître Idee der Urknalltheorie (Uratom) 1929 Hubble Zusammenhang zwischen Entfernung und Fluchtgeschwindigkeit 1948 Alpher. Gamow, Herman Theorie des heißen Anfangszustandes 1964 Penzias, Wilson Entdeckung der CMB 1981 Guth Inflationäres Universum

4 Hubble-Gesetz allgemeine zeitlichen Zunahme von Abständen im Universum Expansion da positives Vorzeichen Fluchtgeschwindikeit proportional zur Entfernung Bei sehr großen Entfernungen v größer als c

5 Entfernungsbestimmung Parallaxe: Scheinbare Änderung der Position eines Objekts, wenn der Beobachter seine eigene Position ändert Cepheiden: Periodische Änderung der absoluten Helligkeit bzgl. der Pulsationsfrequenz. Distanzgleichung

6 Cepheiden

7 Rotverschiebung spezieller Fall des Doppler-Effekts entfernende Lichtquelle in den roten Spektralbereich verschoben Absorbiertes und emittiertes Licht Bestimmung der Fluchtgeschwindigkeit anhand der Rotverschiebung Charakteristische Spektrallinien zur Bestimmung der Rotverschiebung

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10 Kosmischer Mikrowellenhintergrund Stammt aus der Zeit der Rekombination Aufgrund von thermischen Gleichgewicht von Materie und Strahlung zum Zeitpunkt der Entkopplung der Strahlung, nahezu perfekte Schwarzkörperstrahlung Isotropie über das gesamte Sichtbare Universum Temperatur des Universums T = 2,725K

11 Neutronenzahl Umwandlung von Proton zu Neutron bei hohen Temperaturen im Gleichgewicht. Boltzmann-Verteilung: Gilt solange Ab jetzt überwiegt Protonenzahl Prozess läuft bis etwa Zu dem Zeitpunkt liegt das Verhältnis bei Zeitpunkt des Ausfrierens

12 Neutronen zerfallen mit einer Halbwertszeit von t = 614s Bildung von Deuterium theoretisch ab 2,2MeV Jedoch effektiv erst ab 0.1MeV da 9 Größenordnungen mehr Photonen als Baryonen existieren Bis zu dem Zeitpunkt sind ca. 400s vergangen Fusion zu Helium 4 (stabil) Nahezu komplette Umwandlung

13 Häufigkeit leichter Elemente

14 Heliumhäufigkeit Helium wird sowohl aus Wasserstoff fusioniert, sowie zu schweren Teilchen weiter fusioniert Gemessen wird die Häufigkeit anhand der Häufigkeit bzgl Wasserstoff und mit der Metalizität der Umgebung verglichen Diese bilden einen linearen Zusammenhang (Izotov-Thuan)

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16 Deuteriumhäufigkeit Deuterium wird fast nur zerstört. nahezu alles momentan vorhandene Deuterium stammt aus der Primordinalen Nukleosynthese Man betrachtet eine hoch rotverschobene Wasserstoffwolke gegen einen Quasar Betrachte die neben der 1. Lymanlinie liegende entsprechende Deuterium Linie

17 Der Urknall

18 Planck Ära Das Universum ist kleiner als die Plancklänge Wegen der Heisenbergschen Unschärfe lässt sich keine Raumstruktur festlegen. Die 4 Naturkräfte sind in einer Urkraft vereinigt Man vermutet das die Zeit vor der Planckzeit noch keine kontinuierliche Zeit war früheste sinnvolle Angaben

19 GUT Ära Die Gravitation Spaltet sich von der Urkraft ab Die Austauschteilchen dieser sogenannten GUT-Kraft sind die Leptoquarks (X/Y-Bosonen) X- und Y- Bosonen sind sehr schwere Teilchen welche sich in Quarks und Leptonen aufspalten Nach etwa Kernkraft ab. spaltet sich die Starke

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21 Baryogenese Erklärung des kleinen Materieüberschuss Sacharowkriterien: Baryonenzahl ist variabel Es findet eine C- und CPVerletzung statt Es herrscht kein Thermisches Gleichgewicht mehr

22 Materie Ära Nach ist das Universum nur noch Aus der Strahlung entstehen Quark und Leptonen sowie Antiteilchen Nach s spaltet sich jetzt auch die elektroschwache Kraft auf Nach etwa bei ist die Energie klein genug das sich aus Quarks Hadronen bilden können Nach etwa 1s ist die Mittlere frei Weglänge von Neutrinos so sehr gestiegen, das sie Entkoppeln

23 Primordinale Nukleosynthese Das Universum ist inzwischen und heiß Das Verhältnis Protonen Neutronen verschiebt sich in Richtung Protonen Elektronen zerstrahlen, da die Neutrinos schon entkoppelt sind sind diese nun etwa 8% kälter Hadronen fusionieren zu Atomkernen Es werden quasi keine Komplexeren Elemente gebildet als Lithium, da die Temperatur nicht mehr groß genug ist um die Coulombbarriere zu überwinden

24 Rekombination Nach etwa Jahren fällt die Temperatur unter die Ionisierungsenergie von Wasserstoff (ev Bereich) Die Aufgrund von Tompsonstreuung eingeschränkte Strahlung kann jetzt entkoppeln Geburt der Hintergrundstrahlung

25 Inflation Motivation Probleme des Standardmodells: Homogenität und Isotropie ist nicht erklärt, da nach Standardmodell Bereiche nie in kausalem Kontakt standen Auch die kleinen Inhomogenitäten aus denen Galaxien und Sterne hervorgegangen sind sind nicht erklärt Exotische Teilchen wurden nicht entdeckt Der gemessene Krümmungsradius passt nicht zu dem postulierten des Standardmodells

26 Inflation Ablauf Notwendig zur Beschreibung der Inflation ist ein skalares Potentialfeld (Inflatonfeld) Man geht davon aus, dass die Inflation in der Nähe der Planckskala begann Der Wert des Skalarfeldes nimmt ab, Dichte wird kleiner, die Temperatur des Universums fällt sehr stark ab (3K) Um das Minimum des Feldes findet eine Schwingung statt, Teilchen und Strahlung wird gebildet, Das Universum Heizt sich wieder auf

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28 Quellen Steven Weinberg: Die ersten drei Minuten A. Weigert, H.J. Wendker, L. Wisotzzki: Astronomie und Astrophysik _les/skripten/nukleosynthese.pdf