Neues aus Kosmologie und Astrophysik 1.0

Transkript

1 Neues aus Kosmologie und Astrophysik 1.0 Unser Universum Sterne und Galaxien Hintergrundstrahlung Elemententstehung Das Big-Bang-Modell Prozesse im frühen Universum Fragen und Antworten (?) Dunkle Materie Dunkle Energie Schwarze Löcher Planetensysteme Thomas Hebbeker RWTH Aachen Januar 2003 Haus Overbach

2 Blick ins Universum: Sterne und Galaxien Die Milchstrasse Nachbarstern Proxima Centauri 4 Lichtjahre 1 Lichtjahr =10 16 m Lj Das Sonnensystem in der Unsere Galaxie = Milchstrasse Milchstrasse

3 Blick ins Universum: Sterne und Galaxien Andere Galaxien Nachbargalaxie Andromeda 3 Millionen Lichtjahre Palomar Observatory, E. Hubble (1949) Whirlpool (HST) 37 Millionen Lj

4 Blick ins Universum: Sterne und Galaxien Blick in die Vergangenheit! HST deep field bis zu 10 Milliarden Lichtjahre

5 Rotverschiebung der Galaxien Doppler-Effekt: Hubble 1929: Universum expandiert v nm d H = 65km / s / Mpc = 2cm / s / Lj v = H d = 1 / ( a )

6 Die kosmische Hintergrundstrahlung COBE Mikrowellenstrahlung aus allen Richtungen = schwarzer Körper mit T = 2.7K

7 Die Chemie des Universums Vor der Sternbildung: Am Ende des Sternenlebens: 75 % 25 % Wasserstoff Helium Wir bestehen aus Sternenasche!

8 Das heutige Universum T = 2.7 K Materie: Galaxien 10 mit je 11 Sternen dunkle Materie H,He Strahlung: Sternenlicht Hintergrundstrahlung

9 Das Big-Bang - Modell Einsteins allgemeine Relativitätstheorie + Astrophysikalische Beobachtungen = Der Raum expandiert Anfang: Big Bang Hintergrundstrahlung Rotverschiebung Chemie

10 Prozesse im frühen Universum a heute a Atome 3min s Kerne Ladungssumme = 0

11 Fragen und Antworten Dunkle Materie? Evolution des Kosmos dunkle Energie? Schwarze Löcher! Planetensysteme!

12 Dunkle Materie? Gibt es große Mengen nichtleuchtender Materie im Kosmos? Nachweis: Gravitation! Untersuchung von Spiralgalaxien: Messung der Rotationsgeschwindigkeit via Doppler-Effekt: v(r) ist Maß für eingeschlossene Masse!

13 Dunkle Materie! Erwartung: außerhalb des leuchtenden Teils der Galaxie: v ~1/ rot r (wie Planeten im Sonnensystem) ρ ~ 1/ r 2

14 Eigenschaften der dunklen Materie? Quantität: etwa 10 mal mehr dunkle als leuchtende Materie! Beschaffenheit: ausgebrannte Sterne (= Baryonen)? passt nicht ins Urknall-Modell! Neutrinos mit Masse? ~ 300 / cm 3 aus Urknall aber: zu leicht (< 0.1 ev)! neue Elementarteilchen? favorisierte Hypothese! Suche mit Teilchenbeschleunigern!

15 Evolution des Universums (a la Einstein) Geschwindigkeit nimmt ab! Hubble-Konstante (kinetische Energie Expansion) mittlere Massendichte (potentielle Energie Kontraktion) Gravitation! Ω m = ρ ρ krit = mittlere Massendichte nicht genau bekannt kritische Massendichte 3 3 H Atome / m Hubble-Konstante Ω m entscheidet über unser Schicksal!

16 Ω Evolution wird durch Evolution des Universums bisher Urknall Massendichte bestimmt: m = ρ / ρ krit = Abstand zwischen zwei entfernten Galaxien Alter des Universums ~ 10 Milliarden Jahre Aus Messung Ω m der Raumkrümmung: ~ 1

17 Evolution des Universums neu Messungen an Supernovae: beschleunigte Expansion! Erweitertes Modell: Einsteins kosmologische Konstante Λ 0 Ω Λ dunkle Energie Ω m + Ω Λ 1 wirkt abstossend!

18 Supernovae Ia Explosion wenn Masse kritischen Wert erreicht! 1.4m Sonne Helligkeit: gleich groß Entfernungsbestimmung Fluchtgeschwindigkeit Zeitskala: einige Wochen

19 Energieformen im Universum Anteil in % dunkle Materie dunkle Energie 70 baryonische Materie leuchtende Materie

20 Schwarze Löcher R v m R v M M 2 R c > 2 G Falls : Fluchtgeschwindigkeit v > Lichtgeschwindigkeit c Weder Teilchen noch Licht kann entweichen! Schwarzschild 1915

21 Schwarze Löcher in Galaxienzentren infrarot Zentrum der Milchstrasse Radioquelle Sgr A Messung der Eigenbewegung der Sterne dicht am Zentrum ( Lichtjahre): Eingeschlossene Masse = 3 Millionen Sonnenmassen Sgr A = Schwarzes Loch

22 Schwarze Löcher aus Supernovae massive Supernovareste = schwarze Löcher? Simulation: wenig Licht Schema viel Licht Todesspirale beobachtet: Cygnus XR-1 (Sternbild Schwan, 6000 Lichtjahre)

23 Schwarze Löcher Evidenz für schwarze Löcher: klein : ausgebrannte Sterne (Supernovae-Rest) groß : Zentrum von (allen?) Galaxien Bedeutung? Noch nicht beobachtet: Mini-Löcher Verdampfende Schwarze Löcher...

24 Planetensysteme Ja! bereits ~ 100 Planeten gefunden! Unser Sonnensystem: Gibt es andere Planetensysteme? Werden alle Sterne von Planeten umkreist? Gibt es erdähnliche Planeten? Gibt es extraterrestrisches Leben?

25 Planetensysteme Nachweismethoden: a) Stern wackelt periodisch: b) Stern wird periodisch verdunkelt:

26 Planetensysteme Lebewesen wurden leider noch nicht gefunden... Bisherige Beobachtungen zeigen: Planetensysteme eher Regel als Ausnahme Planeten groß und nahe am Stern (?) Kein erdähnlicher Planet

27 Zusammenfassung goldenes Zeitalter der Kosmologie Faszinierende neue Ergebnisse, die unser Weltbild prägen werden ABER: Viele Resultate neu und Interpretationen nicht eindeutig!... often wrong but never in doubt...

28 Anhang A: Big-Bang - Modell Hubble 1929: Universum expandiert v = H d H = 65km / s / Mpc = 1 / ( a ) Hoyle 1950: Big Bang

29 Anhang B: Sagittarius A infrarot, Geschwindigkeiten bis 1000 km/s!

30 Anhang C: Messung der Expansion Supernovae Typ Ia Entfernung ~ Alter = Standardkerze d = v t log d = log v + logt Helligkeit Fluchtgeschwindigkeit

31 Anhang D: Supernova-Explosion Bild 1 Bild 2 (3 Wochen später) Bild 2 Bild 1

32 Anhang E: Schwarzes Loch Cygnus XR-1

33 Anhang F: Berechnung der Evolution ohne kosmologische Konstante: d m 2 R( t) dt 2 = G N m M R( t) 2 M = 4 π ρ( t) R 3 ( t) = const 3 mit kosmologischer Konstanten : d m 2 R( t) dt 2 = G N m M R( t) 2 abstossend Λ + m Λ R(t) / 3 grosse Entferng!

34 Anhang G: Evolution - Messungen Ergebnis: Beschleunigte Expansion! Wie misst man R, und dr/dt und dr/dt(t)? Relativ einfach: dr/dt aus Rotverschiebung der Wellenlängen Schwierig: absolute Entfernung R ~ 1/ R aus scheinbarer Helligkeit ( 2 ) von Standardkerzen = Supernovae vom Typ Ia Zeitabhängigkeit: weit entfernte Galaxien = alt!