Das neue Bild des Universums

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1 Das neue Bild des Universums Axel Lindner, DESY Fragen und Antworten (?): Der Aufbau des Universums Das dynamische Universum Wieso ist alles so wie es ist?

2 Warum Astronomie? Anwendungen: Kalender: Vorhersage von Nilüberschwemmungen im alten Ägypten Warum Astronomie? Anwendungen: Verständnis unserer Umwelt: Wie beeinflusst die Sonne unser Klima? Warum sind die Dinosaurier ausgestorben?

3 Warum Astronomie? Philosophie: Woher kommt das All es? Ist der Kosmos göttlich? Erkenntnisse der Astronomie Himmelsobjekte sind: Nicht unveränderlich und ewig

4 Erkenntnisse der Astronomie Himmelsobjekte sind: Nicht unveränderlich und ewig Nicht perfekt Erkenntnisse der Astronomie Himmelsobjekte sind: Nicht unveränderlich und ewig Nicht perfekt den irdischen Naturgesetzen unterworfen Newton 1687

5 Erkenntnisse der Astronomie Himmelsobjekte sind: Nicht unveränderlich und ewig Nicht perfekt den irdischen Naturgesetzen unterworfen und aus denselben Stoffen wie wir aufgebaut. Spektroskopie: Bunsen und Kirchhof 1858 Erkenntnis I Himmel und Erde sind aus gleichem Stoff!

6 Unsere Position im Universum Wir sind Nicht Mittelpunkt des Sonnensystems Kopernikus 1543 Unsere Position im Universum Wir sind Nicht Mittelpunkt des Sonnensystems und nicht im Zentrum der Milchstraße 1920 Sonne Zentrum der Milchstraße

7 Unsere Milchstraße (Galaxie) Die Sonne ist einer von Sternen Unsere Position im Universum Wir sind Nicht Mittelpunkt des Sonnensystems und nicht im Zentrum der Milchstraße Es gibt nicht nur ein Planetensystem Nach 1995

8 Künstlerische Darstellung eines gemessenen Systems aus wenigstens drei Planeten (55 Cancri, Entf. 40 Lichtjahre) Stand (Hauptreihensterne): 147 Planetensysteme mit 170 Planeten (17 Mehrplanetensysteme) Unsere Position im Universum Wir sind Nicht Mittelpunkt des Sonnensystems und nicht im Zentrum der Milchstraße Es gibt nicht nur ein Planetensystem Es gibt nicht nur eine Milchstraße Hubble 1924 Identifikation eines Cepheiden

9 Unsere Sonne ist einer von Sterne in unserer Milchstraße Erkenntnis II Unsere Milchstraße ist eine von mehr als Galaxien Entwicklung des Universums Wie könnten wir eine Entwicklung des Universums beobachten? Fundamentales Naturgesetz: Licht breitet sich aus mit einer Geschwindigkeit von rund km/sekunde Konsequenz: Weit entfernte Objekte sehen wir in der Vergangenheit!

10 Der derzeitige Rekord (z=10) Lichtjahre (Laufzeit des Lichts: etwa das dreifache des Alters der Erde) Zeigt ein Universum, welches nur 3% des heutigen Alters hatte! Weit entfernte Galaxien zeigen uns ein früheres Universum Schlussfolgerung: Durch Beobachtung entfernter Objekte können wir die Entwicklung des Universums über die letzten etwa 14 Milliarden Jahre nachvollziehen. Beispiel: Sternentstehung (Nature 387)

11 Dynamik im Universum Hubble 1929: Alle Galaxien entfernen sich voneinander. Weiter entfernte Galaxien haben eine größere Geschwindigkeit Das Universum fliegt auseinander! Expansion des Universums Der Raum dehnt sich: Galaxien entfernen sich voneinander Die Wellenlänge von Licht wird gestreckt Licht verliert Energie!

12 Das Universum ist wie ein Rosinenbrot mit Galaxien statt Rosinen.

13 Schlussfolgerungen Das Universum dehnt sich aus: Morgen ist es größer als heute. Gestern war es kleiner als heute. Vor etwa 14 Milliarden Jahren passte es auf dieses Bild: Ein Universum Zurück zum Anfang Das Universum ist in einem Urknall entstanden

14 Das Urknall-Modell Das Urknall-Modell Notwendig zum Verständnis des Urknalls: Wie verhält sich Materie bei höchsten Energien? Dazu muss bekannt sein: Welches sind die elementaren Bausteine der Materie? Ergebnisse der Teilchenphysik (DESY)!

15 Stimmt den das alles? 1: Das Echo des Urknalls Licht aus der Zeit der Entstehung der Atome müsste als Mikrowellenstrahlung messbar sein! Jahre nach Urknall Penzias und Wilson

16 Stimmt den das alles? 2: Entstehung von Strukturen im Universum Es muss kleine Schwankungen im Echo des Urknalls geben WMAP 2003 Schwankungen: 0,001%

17 Aber die Details! Zwei Revolutionen in der Kosmologie in den letzten etwa 10 Jahren durch neue Instrumente Aber die Details! Zwei Revolutionen in der Kosmologie in den letzten etwa 10 Jahren durch neue Instrumente

18 Revolution I: Masse im Universum Bisherige Vorstellung:: Die bekannten Massen halten Planetensysteme, Galaxien und Galaxienhaufen zusammen. Newton 1687 Revolution I: Masse im Universum Galaxien drehen sich zu schnell Es muss eine neue Form von Dunkler Materie geben

19 Revolution I: Masse im Universum Galaxienhaufen müssen von Dunkler Materie zusammengehalten werden Revolution I: Masse im Universum Strukturbildung im Universum benötigt Dunkle Materie. Die Massenanziehung der bekannten Materie reicht nicht aus, um in nur 14 Milliarden Jahren Galaxien, Sterne oder Planeten zu bilden.

20 Revolution I: Masse im Universum Schlussfolgerung: 85% der Materie im Universum besteht aus völlig unbekannten Substanzen: Dunkle Materie Galaxien schwimmen in einem Halo aus Dunkler Materie Sind dann auch Galaxien ohne Sterne denkbar?

21 Was passiert mit NGC 4254? Welche Kraft zieht an dem einen Spiralarm von NGC 4254? Was passiert mit NGC 4254? Welche Kraft zieht an dem einen Spiralarm von NGC 4254? Beobachtung: schwache Radiostrahlung (Wasserstoff-Gas) aus einem sonst leeren Gebiet!

22 Die erste dunkle Galaxie! Beobachtung Erwartung M 99% DM, 1% Gas Kandidaten für Dunkle Materie Weakly Interacting Massive Particle (WIMPs) WIMPs sind Elementarteilchen, etwa so schwer wie etwa ein Eisenatom, machen sich nur durch Gravitation und die schwache Wechselwirkung bemerkbar (also keine Reaktion mit Licht!), werden von Theorien der Elementarteilchenphysik vorhergesagt, und sind bisher völlig hypothetisch! Es gibt bisher keinen direkten experimentellen Nachweis.

23 Revolution II: Dynamik Fortsetzung der Messung der Fluchtgeschwindigkeit von Galaxien zu größeren Entfernung über die Analyse von Supernova-Explosionen. Revolution II: Dynamik Das Universum dehnt sich heute beschleunigt aus! Es gibt eine unbekannte Kraft, die stärker als die gegenseitige Anziehungskraft der Galaxien ist!

24 Was ist die Ursache? Was treibt eine beschleunigte Expansion an? Leerer Raum enthält Energie Die Energiedichte ist konstant (auch wenn der Raum expandiert) Diese Energiedichte verursacht einen negativen Druck: Antigravitation durch Dunkle Energie Bestandteile des Universums Dunkle Energie Dunkle Materie Warme Dunkle Materie? Staub und Gas Sterne 70% des Universums besteht aus Dunkler Energie Von den verbleibenden 30% sind nur 4% bekannte Materie (Sterne, Staub, Gas), der Rest Dunkle Materie. 96% der Bestandteile des Universums sind von einer uns völlig unbekannten Natur!

25 Präzisionskosmologie! Geometrie des Universums: flach Alter: 13.6 ± 0,2 Milliarden Jahre Hubble Konstante: 71 ± 4 km s -1 Mpc -1 Ω (Masse + Energie): 1,02 ± 0,02 Ω m (Masse): 0,27 ± 0,04 Ω b (Baryonen): 0,044 ± 0,004 Ω Λ (Dunkle Energie): 0,73 ± 0,04 Verschiedenste Messungen stimmen hervorragend überein: Analysen der kosmische Hintergrundstrahlung, Anordnung der Galaxien, Entstehung der Elemente, älteste Sterne, DM und DE hier im Raum Warum hat die Physik bisher nichts bemerkt von Dunkler Materie und Dunkler Energie? Dichten: Materie (Erdkruste): 3 g/cm 3 Dunkle Materie: 0, g/cm 3 Dunkle Energie: 0, g/cm 3 Warum dominiert hier Materie und im Kosmos DM und DE? Materie klumpt (wechselwirkt) sehr stark: Planeten Dunkle Materie wechselwirkt nur sehr schwach: Halos um Galaxien Dunkle Energie ist überall gleichmäßig verteilt

26 DM und DE hier im Raum Warum hat die Physik bisher nichts bemerkt von Dunkler Materie und Dunkler Energie? Dichten: Materie (Erdkruste): 3 g/cm 3 Dunkle Materie: 0, g/cm 3 Dunkle Energie: 0, g/cm 3 Warum dominiert hier Materie und im Kosmos DM und DE? Materie klumpt (wechselwirkt) sehr stark: Planeten Dunkle Materie wechselwirkt nur sehr schwach: Halos um Galaxien Dunkle Energie ist überall gleichmäßig verteilt Erfolg: Geschichte des Universums Das Urknall-Modell wird durch viele genaue Messungen bestätigt. In Übereinstimmung mit der Physik der kleinsten Teilchen Aber wir haben einen hohen Preis bezahlt: 96% der Bestandteile des Universums kennen wir nicht!

27 und (ewige) Herausforderungen Was ist hinter dem beobachtbaren Universum? Was war vor dem Urknall? Warum sind wir hier? Wieso ist alles so wie es ist? Warum ist überhaupt etwas und nicht nur Nichts? Kann sich die Wissenschaft mit solchen Fragen auseinander setzen? Das Problem I Warum sind Materie, Dunkle Materie und Dunkle Energie in etwa gleich großen Anteilen vorhanden? Dunkle Energie Dunkle Materie Warme Dunkle Materie? Staub und Gas Sterne Die theoretischen Physik (naiv angewendet) überschätzt die Dunklen Energie um den Faktor :

28 Das Problem II Wenn sich das Universum nur etwas schnell ausgedehnt hätte, hätten sich keine Atomkerne bilden können. Wenn sich das Universum nur etwas langsamer ausgedehnt hätte, wäre es für die Entstehung von Atomkernen viel zu heiß geblieben. Ganz ähnliche Argumente gelten für die Stärke aller Naturkräfte, z.b. für die Stärke des Elektromagnetismus. Ein kosmisches Finetuning Problem! Lösungsmöglichkeiten 1. Es gibt uns noch nicht bekannte Naturgesetze, die die Größe der Naturkonstanten festlegen. Der heilige Graal der theoretischen Physik: Gemeinsame Theorie der Quantenmechanik ( Kleinstes ) und der allgemeinen Relativitätstheorie ( Größtes ) Viel versprechend: String -Theorie Aber trotz intensiver weltweiter Arbeit von 20 Jahren: Die String -Theorie bietet zu viele Lösungsmöglichkeiten für ein Universum. Es könnte Universen geben. Nature 439

29 2. Es ist alles Zufall Lösungsmöglichkeiten Das Universum ist nur zufällig so, wie wir es beobachten. Das Universum ist nur zufällig so, dass es Beobachter gibt. Das Universum ist wie es ist, weil wir es beobachten können (anthropische Prinzip). Wie kann das sein? Die Chancen stehen 1: dagegen! Ein historischer Vergleich Kepler verbrachte Jahre damit, eine Erklärung für die Anordnung der Planeten im Sonnensystem zu finden. Moderne Anmerkung: wenn die Bahn der Erde nur wenig anders wäre, hätte sich kein höheres Leben entwickelt. 1596: Mysterium Cosmographicum Die Bemühungen Keplers waren vergebens: Die genaue Anordnung der Planeten ist Zufall. Alleine in unserer Galaxie gibt es sehr viele Planetensysteme. So ist es nicht unwahrscheinlich, dass es Anordnungen gibt, die Leben ermöglichen.

30 2. Es ist alles Zufall Lösungsmöglichkeiten Das Universum ist wie es ist, weil wir es beobachten können. Analog zu Kepler: - Der genaue Wert der Naturkonstanten ist bedeutungslos. - Es gibt eine Vielzahl von Universen, so dass es auch solche gibt, in denen Leben entstehen kann. ( Universen) ( für Leben) = Universen mit Leben Nature 439 Experimentelle Tests Wir können die Existenz andere Universen nicht beweisen. Indirekter Ansatz: Suche nach weiteren Hinweisen für den Zufall in der Größe der Naturkonstanten. Vorhersage: An den zukünftigen Teilchenphysikexperimenten am LHC und ILC werden trotz der Entdeckung neuer Teilchen ( Dunkle Materie ) keine Lösungsmöglichkeiten für die Finetuning Effekte in der Teilchenphysik gefunden.

31 Die nächsten Schritte Ziele der Forschung: Verständnis der Dunklen Materie Verständnis der Dunklen Energie Dazu neue Präzisionsexperimente der Teilchenphysik Astrophysik DESY-Vorschlag für einen Internationalen Linear Collider Anstelle einer Zusammenfassung viele Planeten viele Sterne viele Galaxien viele Universen????

32 Anstelle einer Zusammenfassung Anstelle einer Zusammenfassung Es gibt eine Theorie, welche besagt, dass, wenn je jemand herausfindet, zu welchem Zwecke das Universum dient und warum es da ist, dieses sofort verschwindet und durch etwas noch bizarreres und noch unerklärlicheres ersetzt wird. Eine andere Theorie besagt, dass das schon passiert ist. Ich halte die zweite Theorie für die wahrscheinlichere. Douglas Adams

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38 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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