Die dunkle Seite der Kosmologie
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- Tobias Albert
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1 Die dunkle Seite der Kosmologie Franz Embacher Fakultät für Physik Universität Wien Vortrag im Rahmen von UNIorientiert Universität Wien, 16. September 2010
2 Kapitel 1 Schwarze Löcher
3 Nebel, WeißerZwerg, SL Schwarzes Loch
4 Video-Clip: Sterne umkreisen... Quelle:
5 Im Zentrum der Milchstraße... Was befindet sich im Zentrum der Milchstraße? Ellipsenbahn eines Sterns: große Halbachse a=5 Lichttage Umlaufszeit T=15 Jahre Drittes Keplersches Gesetz: T a = 4 G M M = 4 Millionen Sonnenmassen! Srg A * (Sagittarius A * )... supermassives Schwarzes Loch
6 Schwarze Löcher Es gibt stellare ( kleine ) Schwarze Löcher (die aus kollabierenden Sternen entstanden sind) und supermassive Schwarze Löcher in den Zentren vieler Galaxien.
7 Kapitel 2 Dunkle Materie
8 Andromeda-Nebel M31 mit M32 und M110
9 HST Deep Field
10 Video-Clip: Zoom auf ferne Galaxien Quelle:
11 Galaxien Woraus bestehen Galaxien? Sterne Neutronensterne, Schwarze Löcher kleine kalte Objekte, ausgebrannte Sterne, Staub interstellares Gas und: Dunkle Materie
12 Dunkle Materie Rotationskurven weit entfernter Sternen um Galaxien. Theoretische Betrachtung: Galaxie Aus dem Newtonschen Gravitationsgesetz folgt: M r v Stern v = G M r 4-fache Entfernung halbe Geschwindigkeit
13 Dunkle Materie Theoretisch wird also ein solcher Zusammenhang zwischen Entfernung und Geschwindigkeit erwartet: v r normiert auf Radius = 1, v(rand) = 1
14 Dunkle Materie Vermessung von Rotationskurven:
15 Dunkle Materie Rotationskurve der Galaxie NGC 3198: v (km/s) r (kpc)
16 Dunkle Materie Jede Galaxie ist mit einem Halo aus Dunkler Materie umgeben! Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der Galaxiengröße!) Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält, ist sichtbar! Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält, kann baryonisch (d.h. normale Materie ) sein! Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie (fast) nur durch die Schwerkraft.
17 Dunkle Materie Woraus besteht die Dunkle Materie? Neutrinos?... zu geringe Dichte! neue Teilchensorte? Die erfolgreichsten Modelle nehmen an, Dunkle Materie besteht aus langsam bewegten Teilchen (v << c). CDM = cold dark matter Materie in einem Paralleluniversum, das mit dem unseren nur über die Schwerkraft wechselwirkt?
18 Dunkle Materie Simulation: Dunkle Materie bildet Potentialmulden, in die die gewöhnliche Materie (Galaxien) fällt! CMD-Computer-Simulationen:
19 Galaxienverteilung experimentell 1
20 Galaxienverteilung experimentell 2
21 HST Einstein-Ring
22 Kapitel 3 Dunkle Energie
23 Das Universum dehnt sich aus Luftballon und Backofen
24 Das Universum dehnt sich aus Kosmologisches Prinzip: Das Universum sieht (im Großen) überall und in jede Richtung gleich aus. Daraus folgt: Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen Dehnung aller Längen. Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird Quantitative Beschreibung der Expansion: der Skalenfaktor Länge zur Zeit t a(t) = Länge heute Alles im Universum war früher kleiner Urknall! a(urknall) = 0
25 Das Universum dehnt sich aus Wie verläuft Expansion im Detail? Das hängt davon ab, woraus es besteht! Allgemeine Relativitätstheorie! Zwei theoretische Möglichkeiten: Falls Materie (oder Strahlung) dominiert die Expansion verläuft gebremst. Falls das Vakuum eine nichtverschwindende Energiedichte ( Dunkle Energie, kosmologische Konstante ) besitzt und diese dominiert die Expansion verläuft beschleunigt! Welche der beiden Möglichkeiten trifft nun tatsächlich zu?
26 Theoretisches Modell: Materiedominiertes Universum 1.0 a t gebremste Expansion t Mrd Jahre
27 Theoretisches Modell: Vakuumdominiertes Universum a t beschleunigte Expansion gebremste Expansion t Mrd Jahre
28 Überprüfung von Weltmodellen Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen überprüft werden? Rotverschiebung Geschwindigkeit der Quelle Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation Beziehung zwischen z... Rotverschiebung des beobachteten Lichts D... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der Aussendung des Lichts Vorgangsweise: theoretische Vorhersagen + direkt messbar indirekt messbar Vergleich mit Beobachtungen
29 Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation D Mpc vakuumdominiertes Modell materiedominiertes Modell z
30 Beobachtungen: Supernovae Ia als Standardkerzen Wie können sehr große Entfernungen gemessen werden? Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd Standardkerzen, d.h. ihre absoluten Helligkeiten sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt: Doppelsternsystem weißer Zwerg Materiefluss Roter Riese Zündung bei Erreichen einer kritischen Masse Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die Entfernung abgeschätzt werden.
31 Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation D Mpc vakuumdominiertes Modell materiedominiertes Modell z
32 Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998) D Mpc vakuumdominiertes Modell materiedominiertes Modell z
33 Das moderne Standardmodell der Kosmologie Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie (Dunkle Energie, kosmologische Konstante). Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt expandiert. Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70% der gesamten Energie des Universums. Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen gestützt: Großräumige Galaxienverteilung Verteilung der leichten Elemente im Universum Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung
34 Woraus besteht das Universum? Energieinhalt des Universums vorläufiges Bild:
35 Kapitel 4 Inflation
36 Die kosmische Hintergrundstrahlung WMAP, 2003 T T =
37 Hubble-Radius Der Hubble-Radius zu einer gegebenen Zeit t gibt an, in welcher Entfernung die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien gleich der Lichtgeschwindigkeit ist: D Hubble (t) = c a(t). a(t) In diesem Sinn gibt er die Größe des (zur Zeit t) beobachtbaren Universums an. Nun vergleichen wir (für frühere Zeiten) die Größen D Hubble (t) und a(t) D Hubble (heute)
38 Ein kosmologisches Problem (in Bildern)... strichlierter Kreis: D Hubble (t) rot eingezeichnete Galaxien: a(t) D Hubble (heute)
39 Ein kosmologisches Problem (in Bildern)...
40 Ein kosmologisches Problem (in Bildern)...
41 Ein kosmologisches Problem (in Bildern)...
42 kausal getrennte Bereiche! Ein kosmologisches Problem (in Bildern)...
43 Ein kosmologisches Problem (in Bildern)...
44 Ein kosmologisches Problem (in Bildern)...
45 Ein kosmologisches Problem (in Bildern)...
46 Ein kosmologisches Problem (in Bildern)... Photonen haben fast die gleiche Temperatur!
47 Ein kosmologisches Problem (in Bildern)... Problem: Die Photonen stammen aus kausal getrennten Bereichen! Wieso haben sie heute fast die gleiche Temperatur? Kommunikationsproblem?
48 Die Lösung... Inflationäre Phase des Universums: Beschleunigte Expansion unmittelbar nach dem Urknall! Dauert maximal Sekunden an! Alle Entfernungen im Universum wachsen um bis zu 50 Größenordnungen! Ähnlich der heutigen Expansion! Beschleunigung der Expansion verursacht durch: heute: Vakuumenergie damals:? ( Inflaton?) eine der großen Forschungsfragen der Kosmologie heute!
49 Die Lösung...
50 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Diese Präsentation finden Sie im Web unter
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