Warum fliegt die Milchstrasse nicht auseinander?

Transkript

1 Warum fliegt die Milchstrasse nicht auseinander? Prof. Laura Baudis, Physik Institut, Universität Zürich Kinder-Universität, Frühjahrsemester 2010 Vorlesung vom 7. April 1

2 Wer von euch ist schon mal Karussell gefahren? Man muss sich gut festhalten! Kettenkarussell: die Ketten halten euren Sitzplatz auf der Kreisbahn fest Alles was nicht nagelfest ist, fliegt weg! das Himbeereis der lockere Hut das Trambillet... 2

3 Aber wer hält die Planeten auf ihren Bahnen? Im Weltall gibt es keine Ketten! Frage: fliegen die Planeten also wild durcheinander? NEIN! Sie bleiben ganz brav auf ihren Bahnen... Warum wohl??? 3

4 Die Schwerkraft (oder Gravitation) Dem genialen englischen Physiker Isaac Newton gelang es vor etwa 300 Jahren, die Bewegung der Planeten um die Sonne zu erklären Eine Anekdote besagt, dass Newton 1666 in seinem Garten in Lincolnshire sass, als er einen Apfel zu Boden fallen sah... Dies inspirierte ihn, über die Schwerkraft nachzudenken... hm... warum fällt der Apfel eigentlich auf den Boden?... es muss eine Kraft geben, die ihn beschleunigt... 4

5 Isaac Newton s Gravitationsgesetz Zwei Körper ziehen sich gegenseitig an! egal welche Körper: (Sonne - Erde); (Erde - Mond); (Erde - Fussball); usw Je mehr Materie die Körper haben, desto stärker die Anziehungskraft Je weiter die Körper voneindander entfernt sind, desto kleiner ist die Anziehungskraft also desto weniger merken sie voneinander... 5

6 Die Gravitation wirkt überall, auf der Erde und im Weltall Mit Hilfe dieser Gesetze konnte Newton die Form der Planetenbahnen berechnen und vorhersagen, warum die Erde ein Jahr braucht, um die Sonne zu umkreisen, während Mars zb fast zwei Jahre benötigt Erde Mars ist weiter weg als die Erde seine Bahn ist länger Sonne Mars seine Bewegung ist langsamer (sonst würde ihn die Fliehkraft aus dem Sonnensystem schleudern) 6

7 Die Gravitation wirkt auch in der Milchstrasse Und in allen anderen Galaxien im Universum... Dies ist Andromeda, unsere Nachbargalaxie 7

8 Die Gravitation wirkt auch zwischen Galaxien Galaxien auf Kollisionskurs durch die gegenseitige Anziehungskraft, werden sie miteinander verschmelzen 8

9 Aber zurück zu unserer Milchstrasse... Die Gravitation hält die Sterne auf ihren Bahnen um das Zentrum der Milchstrasse Die Sonne braucht 250 Millionen Jahren, um das Galaktische Zentrum einmal zu umkreisen; sie bewegt sich mit 220 Kilometer/Sekunde Lichtjahre 1 Lichtjahr = Distanz, die Licht in einem Jahr zurücklegt = 9.5 Billionen Kilometer 9

10 Aber Moment mal, die Sterne sind doch viel zu schnell!? In den 70er Jahren konnte die amerikanische Astronomin Vera Rubin die Geschwindigkeiten der Sterne in Galaxien sehr genau vermessen Geschwindigkeit Beobachtet Erwartet Entfernung Sie fand heraus, dass die Sterne sich viel zu schnell auf ihren Bahnen bewegten! 10

11 Und wie sieht es mit den Galaxien selbst aus? Ein ähnlicher Effekt ist schon vom Schweizer Astronom Fritz Zwicky im Jahr 1933 beobachtet worden Jedoch in Galaxienhaufen! Er konnte die Geschwindigkeiten der einzelnen Galaxien in einem grossen Haufen genau bestimmen Der Coma Galaxienhaufen 11

12 Gibt es also noch mehr, als wir mit dem Auge (Teleskop) sehen können? Zwicky: die Anziehungskraft der Galaxien im Coma-Haufen reicht bei weitem nicht aus, um den Schwarm zusammenzuhalten! Vermutung: es gibt noch viel mehr Materie im Haufen, als wir sehen können Zwicky nannte diese Materie: Dunkle Materie Zwei Galaxienhaufen, die zusammengestossen sind Rot: heisses Gas im Haufen Blau: dunkle Materie 12

13 Buildings Aber zuerst: was meinen wir eigentlich mit sichtbarer Materie? Die Welt um uns herum 5 also Planzen, Tiere, Menschen, Gebäude, Wolken, Planeten, Monde etc. besteht aus Atomen und Molekülen (H, C, O, Fe, usw) Our home planet 6 diese bestehen wiederum aus Protonen Neutronen hm... so viele winzige Teilchen... Dr. Boris Kayser, Fermilab (KITP Public Lecture 4/30/03) Elektronen 13

14 Ist die Milchstrasse auch sichtbar? JA: auch die Sterne und das Gas in der Milchstrasse und in allen anderen Galaxien bestehen aus Atomen und Molekülen Diese können Strahlung (Licht) aussenden oder einfangen Also können wir sie mit geeigneten Teleskopen direkt sehen 14

15 Und was ist die Dunkle Materie??? Wir merken, dass sie da ist, über ihre Gravitationskraft genauso wie ihr es in einem dunklen Raum spürt, wenn ihr mit einem anderen Kind zusammestosst Ihre Anziehungskraft reicht aus, um die Sterne in der Milchstrasse auf festen Bahnen zu halten Die Milchstrasse ist von einer riesigen Wolke (Halo) aus dieser dunklen Materie umgeben Wolke (Halo) aus dunkler Materie 15

16 Was weiss man von dieser mysteriösen, dunklen Materie? Es gibt im Universum viel mehr davon, als von der altbekannten Materie nur etwa ein Fünftel der Gesamtmaterie besteht aus Atomen und Molekülen Sie enthält kein einziges Atom! Man kann sie nicht einfach fangen: sie hält nichts von geschlossenen Türen sie fliegt einfach durch uns und durch die Erde hindurch 16

17 Aus der Sicht der dunklen Materie... sind wir unsichtbar! unsere Sicht die Sicht der dunklen Materie 17

18 Eine Welt ohne dunkle Materie? In riesigen Computersimulationen auf superschnellen Rechnern kann man die Entstehung aller Galaxien und Galaxienhaufen im Universum nachrechnen Man findet heraus, dass ohne dunkle Materie überhaupt keine Galaxien entstanden wären! Urknall Der Raum expandiert Galaxien bilden sich Heute Unser Universum ist etwa 14 Milliarden Jahre alt (14 x 10 9 Jahren) 18

19 Eine Welt ohne dunkle Materie? Unser Universum wäre also ziemlich langweilig! (keine Galaxien, keine Sterne, keine Planeten, kein Schokoladeneis...) mit dunkler Materie... ohne dunkler Materie... 19

20 Aber WAS IST nun diese dunkle Materie? Ganz genau wissen wir es noch nicht! Aber wir denken, dass sie aus einer neuen Teilchensorte besteht Ein Teilchen, das sehr schwer ist Sich aber durch elektrische Felder und Strahlung nicht stören lässt 20

21 Ein neues Teilchen im Teilchenzoo? Erstmal: solch ein Teilchen kennen wir schon, das Neutrino! Es entsteht zb. in Kernreaktionen in der Sonne Aber: das Neutrino ist etwa 1/ zu leicht, um die dunkle Materie ausmachen zu können Wie soll man also dieses neue Teilchen entdecken? 21

22 Die Suche nach den neuen Teilchen... Durch den Zusammenprall mit Atomen! Eine Million (10 6 ) Teilchen fliegen jede Sekunde durch eure Daumen, ohne dass ihr etwas davon merkt Tausend Billionen (10 15 ) Teilchen fliegen jeden Tag durch euren Körper Davon wird vielleicht nur ein einziges Teilchen mit einem Atom zusammenstossen 22

23 Suchgeräte (Detektoren) für dunkle Materie? Es ist so, als ob man eine Nadel in einem Heuhaufen suchen würde! Detektoren: sie müssen ultra-empfindlich sein, um die extrem seltenen Kollisionen nachweisen zu können und die winzigen Energien, die bei einem Stoss freigesetzt werden, messen zu können 23

24 Suchgeräte für dunkle Materie? Sie müssen tief unter der Erde aufgebaut werden damit die störende kosmische Strahlung abgeschaltet werden kann Kosmische Strahlung??? Elektrisch geladene Teilchen, die aus dem Weltall kommen... 24

25 Detektoren tief unter der Erde Zum Beispiel im Gran Sasso Untergrundlabor in Italien Dieses wird von einem 1400 m hohen Fels abgeschirmt Der Corno Grande in den Abruzzen Ein riesiges Physiklabor, tief unter dem Fels 25

26 Ein Suchgerät mit flüssigem Xenon unsichtbares Dunkle-Materie Teilchen Xe-Atom Die winzigen Lichtblitze werden mit Photodetektoren nachgewiesen Aha, (indirekt) kann man die dunkle Materie also doch photographieren??? 26

27 Warum fliegt die Milchstrasse nicht auseinander? Sie wird von der Anziehungskraft der dunklen Materie zusammengehalten! Was ist die dunkle Materie? Neue Teilchen, die sich von der normalen Materie kaum beeinflussen lassen Wurden diese Teilchen schon nachgewiesen? Bisher noch nicht! Jedoch gibt es weltweit viele hochempfindliche Detektoren, mit denen die Astrophysiker fieberhaft danach suchen 27

28 Empfohlene Literatur 1.Der geheime Schlüssel zum Universum, Lucy und Stephen Hawking 2.Die unglaubliche Reise ins Universum, Lucy und Stephen Hawking 3.Hat der Weltraum eine Tür? Die Kinder-Uni erklärt die Geheimnisse des Universums, U. Janssen, K. Werner, K. Ensikat 4.Galilei und der erste Krieg der Sterne, Luca Novelli 5.Marie Curie und das Rätsel der Atome, Luca Novelli 6.Einstein und die Zeitmaschinen, Luca Novelli 7.Die überaus fantastische Reise zum Urknall, J. Teilchmann, K. Wehner 28

29 Ende Fra!n? 29

30 Kosmische Entfernungen: Sonnensystem Sonne-Pluto 6 Lichtstunden Erde-Sonne 8 Lichtminuten Erde-Mond: km 1.3 Lichtsekunden 30

31 Kosmische Entfernungen: lokale Umgebung Der nächste Stern: Proxima Centauri, 4.2 Lichtjahre 31

32 Suche nach dunkler Materie mit Germanium-Kristallen Germanium-Kristalle werden bei º Celsius gehalten/ Stösst an Teilchen an einem Germanium Atom so erhöht sich die Temperatur der Kristalle Diese Temperaturänderung kann mit hochempfindlichen Thermometer gemessen werden dunkle Materie Teilchen T0 Ge Kältebad Thermometer dunkel Materie Teilchen Germanium-Kristall (250 g) 32

33 Andromeda (M31), unsere Nachbargalaxie Ist etwa 2 Millionen Lichtjahre von der Milchstrasse entfernt; beide Galaxien bewegen sich aufeinander zu, mit v 100 km/s; in etwa 5 Milliarden Jahren werden sie verschmelzen 33