Kosmologie. Mini-Urknall im Labor mit Teilchenbeschleuniger hergestellt. WMAP Satellit: Fernsehschüssel, womit man das Licht des Urknalls gesehen hat.

Transkript

1 Kosmologie Teleskope: Galaxien Astronomie Mini-Urknall im Labor mit Teilchenbeschleuniger hergestellt Teilchenphysik WMAP Satellit: Fernsehschüssel, womit man das Licht des Urknalls gesehen hat. Astrophysik 1

2 Die Säulen der Urknalltheorie 2

3 Väter der Urknalltheorie Albert Einstein Alexander Friedmann Georges Lemaître George Gamow Allgemeine zeigt 1948, wie sich ität entwickelt 1927 Relativitätstheorie beschreibt einem heißen löst 1922 die der Kosmos aus Feldgleichungen eine Theorie, der der ART und zeigt, zufolge das Entwicklung von Anfangszustand dass sich das Universum einst entwickelt haben Raum und Zeit Universum als einziges i könnte und sagt die Auch Licht ausdehnen oder Teilchen begann. kosmische empfindet zusammenziehen Hintergrundstrahlung Schwerkraft kann. vorraus. 3

4 Sloan Sky Survey: ⅓ million galaxies Doppler Verschiebungen -> Geschwindigkeiten der Galaxien Universum: Galaxien 1 Galaxie: Sterne Unsere Galaxie ist hier 4 4

5 Sloan Digital Sky Survey Teleskop in Arizona, USA 5 5

6 Expansion des Universums Messungen ergeben, dass sich scheinbar alle Galaxien von uns wegbewegen. Galaxien bewegen sich nicht selbst, sondern werden mit der Raum-Zeit mitgetragen. g Da sich alle Galaxien voneinander entfernen, ist keine Aussage zu treffen, wo sich der Mittelpunkt des Universums befindet Rosinenkuchenmodell Je weiter die Rosinen voneinander entfernt sind, je schneller fliegen sie aus einander: v=hd (v=geschwindigkeit zwischen 2 Rosinen auf Abstand d, H=Konstante) 6

7 Rotverschiebung Um das Hubble-Gesetz verifizieren zu können, kann man die Geschwindigkeit und den Abstand entfernter Galaxien messen. Die Geschwindigkeit einer Galaxie ergibt sich aus der Rotverschiebung der Wasserstoffspektrallinien (wie bei Radarmessungen der Polizei -> Geschwindigkeit) 7

8 Abstandsmessung Entfernungsmessungen beruhen darauf, dass man gemessene Helligkeit mit ihrer Strahlungsleistung vergleicht. Beispiele für sogenannte Standardkerzen : RR-Lyrae-Sterne Cepheiden (pulsierende Sterne) Supernovae vom Typ la 8

9 Messdaten Der Proportionalitätsfaktor zwischen Geschwindigkeit und Entfernung wird Hubble- Konstante genannt. 9

10 Zusammenfassung Das Universum Bretten Prof. W. de Boer Uni Karlsruhe 10 10

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12 Alter des Universums aus v=hd H=v/D=71.4 (km/s)/mpc=71400 (m/s)/(3.1*10 22 m) T=1/H=D/v=1/71400(m/s)*3.1*10 22 (m)= 4.3*10 17 s/(3.15* s/jahr)= Jahre = 13.8 Milliarden Jahre 12

13 Wie groß ist das (sichtbare) Universum? Licht ist die schnellste Kommunikation (Lichtgeschwindigkeit c), so ein Lichtstrahl kann maximal 13,8 Milliarden Lichtjahre zurückgelegt haben. Dies entspricht einem Abstand D=ct= m/sx Jahre x315x10 3,15 x10 7 s/jahr= ca m Dieses sichtbare Teil ist vermutlich ein sehr kleiner Teil unseres Universums Zum Vergleich: unsere Galaxie ist ca m groß, Das sind ca Lichtjahre. Raumschiff mit Lichtgeschwindigkeit braucht also Jahre um durch unsere Galaxie zu fliegen! Es ist gut möglich, dass es schon sehr viel ältere Universen gibt, denn vermutlich gab es viele Big Bangs 13 13

14 Jetzt: Kosmische Hintergrundstrahlung oder CMB (Cosmic Microwave Background) CMB entsteht nach J, wenn Kerne Elektronen einfangen und dadurch neutral werden. Dadurch: Entkopplung der Photonen, die uns jetzt erreichen als Mikrowellenstrahlung (kaum Wechselwirkung mit der Materie in 13.8 Milliarden Jahre!!! ) Intensität der Strahlung T 4 Daher sehr empfindlich für Temperatur-oder Dichtefluktuationen im frühen Universum 14

15 Bell Labs (1963) Penzias and Wilson Nobel prize 1967 Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung COBE satellite (1992) WMAP satellite (2003) Mather and Smooth Nobel prize :WMAP: Universum ist flach, d.h. Energiedichte ist ρ critical =2.10 g/cm 15 15

16 Dichtefluktuationen zeigen Wellencharakter, sowohl im Ozean als in der CMB Blick von Satellit ins Universum WMAP Blick von Satellit auf die Erde hp?id=

17 Akustische Wellen SIND Dichteschwankungen Modern Flute 17 17

18 Klang des Urknalls nach Jahren (transponiert um 50 Oktaven nach oben) Click for sound non-acoustic acoustic Beachte: am Anfang gab es keinen Knall, sondern absolute Ruhe! A 220 Hz Frequency (in Hz) 18 18

19 Warum sind Töne des Urknalls so tief? WEIL DAS UNIVERSUM SO GROß IST! Mark Whittle 19 19

20 Energieinhalt des Universums Nur Atome gut verstanden, d.h. 96% der Energie des Universums völlig unbekannt! Dark Energy sind Quantenfluktuationen? WIMP=Weakly Interacting Massive Particle Cold Dark Matter sind supersymmetrische ti Partner der Photonen? LHC und Raumfahrtexp. AMS-02 wird dies zeigen! 20 20

21 E=mc 2 macht es möglich 21

22 Der größte Beschleuniger der Welt: LHC am CERN in GENF in einem 27 km langen Tunnel 22 22

23 LHC im unterirdischen Tunnel (teilweise unter JURA) (sonst kein Platz) 23 23

24 Blick in den Tunnel

25 Bau der Experimentierhallen 25 25

26 Bild eines Detektors (CMS) 26 26

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28 28 Kinderuni Bretten Prof. W. de Boer Uni Karlsruhe 28

29 Das Alpha-Magnet-Spectrometer auf der ISS - Betrieb und wissenschaftliche Auswertung der Daten Si Science on the ISS AMS January 5, S.C.C. Ting

30 600 physicists, 60 institutes, 16 countries Magnet TOF TRD AC C RICH Vacuum Cases USS-02.. Safety Responsibility ECAL Electronics Launch to ISS TC S AMS on ISS GPS Star Tracker Tracker 30

31 Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02 31

32 Alpha Magnetic Spectrometer AMS-02 MATTER VACUUM CASE TRACKER PLANE 1NS RICH LTOF ANTIMATTER TRACKER PLANE 1N TRD ACC MAGNET UTOF Weight 7500 kg Volume 64 cubic meters Power 2500 watts Data downlink 2 Mbps (average) Magnetic field intensity 0,125 Tesla or 1250 Gauss (4000 times stronger than the Earth magnetic field) Magnetic material Neodymium alloy (Nd 2 Fe 14 B), weighting 1200 kg Subsystems 15 among particle detectors and supporting subsystems Launch 16th May 2011, 08:56 am EDT Mission duration through the lifetime of the ISS, until 2020 or longer (it will not return back to Earth) Construction Cost $1.5 billion (estimated) ECAL TRACKER PLANE 6 32

33 Contraints for a Space Experiment Thermal Environment (day/night: T~100 o C) Vibration (6.8 g RMS) and G-Forces (17g) Limitation : Weight ( lb) and Power (2000 W) Vacuum: < Torr Reliable for more than 10 years Redundancy Radiation: Ionizing Flux ~1000 cm -2 s -1 Orbital Debris and Micrometeorites Must operate without services and human Intervention 33

34 The AMS Detector in 2007 KIT, Karlsruhe RWTH, Aachen 34

35 TRD electronics

36 12.February Febrauary 2010: AMS-02 Transport from CERN, Geneva to ESTEC, Noordwijk 36 36

37 AMS in the Maxwell EMI chamber at ESTEC 37 37

38 NASA Sh uttle L anding F acility A US Air Force C-5 Galaxy has been used for transport from Geneva to KSC September

39 Launch, at 8:56 am (European time) 39

40 Launch, at 8:56 am (European time) 40

41 Launch, at 8:56 am (European time) 41

42 Pictures from NASA aircraft 42

43 Launch 43

44 AMS mounted on ISS 44

45 Shuttle docked to ISS 45

46 Endeavour docked to ISS (photo during space walk) 46

47 Endeavour docked to ISS (photo during space walk) 47

48 Endeavour Day 3 48

49 Endeavour Day 6 Endeavour Day 6: Message from Vatican 49

50 Endeavour Day 6: ISS tour 50

51 What can happen during AMS shift? ISS turned around to have picture taken by departing astronaut heats up AMS quickly, needed to start spare CO2 cooling loop During boosting ISS/arrival/departure of aircraft solar panels feathered less power, which requires AMS to limit heating power to radiator panels All actions announced in advance, but need to prepare and execute safety measures 51

52 ISS seen from departing Soyuz capsule vour AMS Soyuz ATV Space Shuttle Endeavour, ATV-2, Soyuz TMA-21 and Progress Soyuz M-10M docked to the ISS during STS-134, as seen from the departing Soyuz TMA-20. Endea Progress 52

53 Carbon Nucleus, 41.8 GeV 53

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56 Conclusion Finally AMS arrived healthy on ISS and is happily taking data!!! Cosmic rays, including gamma rays, will be measured with a high accuracy from the GeV to the TeV range Unique opportunity to study properties of our Galaxy and its dark matter, including how particles propagate Will AMS meet SUSY in space?? 56