Der Nobelpreis Physik 2011

Transkript

1 Der Nobelpreis Physik 2011 Saul Perlmutter Brian Schmidt Adam Riess "for the discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations of distant supernovae" Max Camenzind / Akademie HD 2015

2 Breakthrough Prize 2015 Fund. Physics Photo Washington Post

3 Breakthrough Prize 2015 Ceremony

4 Distanzen im Expandierenden Universum Wie breiten sich Photonen unter der Expansion des Universums aus? Mitbewegte Distanzen ( comoving ) Leuchtkraftdistanz, Hubble-Diagramme Wie hell ist eine SN bei Rotverschiebung z? Winkeldistanz und Winkeldurchmesser Wie groß erscheint eine Galaxie bei z? Lichtlaufdistanz c(t 0 t[z])

5 ds² = c² dt² - a²(t)[ dr²/(1-kr²) + r² (dq² + sin²q df²) ]

6 Comoving Distanz D c Folgt aus dx = c dt = a dr (k=0) da/a² = - dz D c a 0 r a 0 cdt a a 0 da aa a 0 a 2 da H( a) D a a C 0 ( z) 2 H ( z) H z z 0, cdz' H ( z') m da 2 a (1 z) 3 z 0 H dz a 0 0 [ w m (1 (1 z) z') k 3 3(1 w) cdz' 0 w (1 z') 3(1 w) ] 1 2 Hubble-Funktion

7 Die Leuchtkraftdistanz d L Rotverschiebung der Energie unter Expansion Verteilung auf die Kugel-Fläche mit Radius R 0 r e

8 Modell-Leuchtkraftdistanzen DeSitter Modell: Mattig Formel für SCDM ( L = 0, q 0 = m /2; 1968): LCDM: keine geschlossene Formel: S(x) = x, k = 0 S(x) = sin(x), k=+1 S(x) = sinh(x), k=-1

9 Allgemeine Leuchtkraftdistanz Annahme: isotropes Universum S(x) = x, k = 0 S(x) = sin(x), k=+1 S(x) = sinh(x), k=-1 Friedmann-Robertson-Walker-Lemaître Metrik: D L (1 H 0 z ) c S z 0 (1 z ) 2 M (1 z ) 3 L 1 2 dz M 8G 3H 2 0 M k kc 2 R H L Lc 3H Ω M : Materiedichte Ω k : Krümmung Ω Λ : Kosmologische Konstante

10 Modell-Leuchtkraftdistanzen

11 Leuchtkraftdistanz für LCDM M. Adacki, M. Kasai, 2010, arxiv: Internet Portal icosmo

12 Modell-Leuchtkraftdistanzen Für festes z erscheinen Quellen schwächer Hubble OCDM LCDM SCDM

13 Die Supernova 1994D unter der Galaxie NGC 4526 / HST

14 Supernova Ia 2011 / Messier 101

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16 Supernovae Typen

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18 Supernovae Ia Lichtkurven SN 2007af Stritzinger et al. 2010

19 Supernovae Ia Standardkerzen Maximum Stretch

20 SNe Ia Standardkerzen korrigiert

21 Lokales Hubble Gesetz Lokales Hubble Gesetz H 0 = 71 km/s/mpc

22 SDSSII 2008 Supernovae im Überfluss!

23 Welt-Revolution 1998 (SCP & Hz): Entfernte Supernovae sind weiter entfernt als in einem flachen expandierenden Einstein-de-Sitter Universum (1932). Dies kann nur durch eine abstossende Komponente erzeugt werden Dunkle Energie

24 SN Hubble Diagramm

25 Entdeckung Beschleunigung 1998 Science 1998

26 2010: 580 Supernovae gute Standardkerzen LCDM

27 Diese Entdeckung Existenz DE Camenzind

28 Entdeckung 1998! Hat Europa geschlafen? Nobelpreis in Physik 2011! Hi z Supernova Team Supernova Cosmology Project Nobelpreisträger 2011 Mark Philips

29 Das High-z Supernova Search Team December 2011

30 Bruno Leibundgut 2013 SN Projects SN Factory Carnegie SN Project SDSSII PanSTARRS PTF ESSENCE CFHT Legacy Survey Carnegie SN Project Higher-z SN Search HST SN Treasury Euclid/LSST WFIRST 2.4 Plus the local searches: LOTOSS, CfA, ESC

31 Supernovae Teil II Winkeldistanz Objekte größer Camenzind

32 Typ Ia SNe gute Standardkerzen z<2 Aus Fit L, M Satelliten HST EUCLID, Wichtig: Fehler bleibt konstant mit z! 2011 Conley et al. 2011

33 Fundamental-Ebene der Kosmologie SNIa-Daten allein bestimmen Modell nicht eindeutig mit 99% W keit in Fehlerellipse 1998 Supernovae Ia Daten k < 0, k=+1 k > 0, k=-1 LCDM Modernes Universum k = 0

34 Drei Beobachtungen FL Universum fest Gasverteilung in Galaxienhaufen 2003 Schücker et al. 2003

35 2013

36 Supernovae Programme > 2014 Dark Energy Survey Chile > 2012 ESA M-Mission Start 2019 MPIA HD, Bonn, MPIeX Garching WFIRST / NASA 1,5 m Spiegel Finanzierung? LSST / 8-m Survey Tel Chile SNe Ia/Jahr Überwachung SHimmel 5 d

37 Supernovae EUCLID Astier et al. 2014

38 Apache Telescope Blanco Telescope Hobby-Eberly Telescope Subaru Telescope Apache Telescope Mayall Telescope ESA NASA

39 The Dark Energy Survey Future prospects CTIO Blanco / 5000 Quadratgrad / Survey 300 Mio. Galaxien 3000 Supernovae Cosmic microwave background radiation Distribution of dark matter at early times Distribution of galaxies Some clues to distribution of matter Galaxy velocities Galaxies fall towards dark matter clumps Gravitational lensing

40 Cerro Tololo

41 Blanco 4m-Telescope

42 Dark Energy Survey 570 MPixel 2013 GBytes pro Bild 400 Bilder pro Nacht TBs

43 DECam Kamera im Primärfokus

44 DECam Bild

45 Fornax Cluster / DECam

46 DES Collaboration

47 EUCLID ESA

48 Winkeldistanz D A D A l q l q ds l 2 c 2 R t dt e 2 R 2 rq 2 dr ( t) 1 kr 2 Rorq ( 1 z) r ( dq sin qdf ) D A l q R or 1 z ds 2 l Physikalischer Durchmesser: 2 R(t e ) bei Quelle 2 2 r 2 q R t e

49 Der Winkeldurchmesser Definiert als q = D / d A = D (1+z)² / d L D = physikalische Ausdehnung des Objektes q = Winkeldurchmesser am Himmel d A d (1 L z) 2 D C ( z) (1 z) Winkeldurchmesser erreicht ein Minimum bei z ~ 1,4!!!!

50 Weltmodelle Winkeldurchmesser Winkeldurchmesser wird immer kleiner, je weiter entfernt ein Objekt ist. Winkeldurchmesser erreicht ein Minimum bei z ~ 1,4. Effekt der Expansion. Minimum Q = (D/R H ) f(z) LCDM OCDM Vakuum Statisch

51 f(z) Winkeldurchmesser Rekombination SCDM = EdS Q = (D/R H ) f(z) LCDM

52 Galaxien Durchmesser z = 3-5: D = QR H /f(z) f(5) ~ 3 D = 7,4 kpc/arcsec

53 Planck Auflösung ist 5 arcmin Welcher Struktur entspricht dies heute? Q = (D/R H ) f(z) ; f(z rec ) ~ 300 (LCDM) D rec = Q R H / f(z rec ) ; Q = 5 arcmin D rec = 0, Mpc / (180 x 300) ~ 21 kpc Ausdehnung x (1 + z) ~ 21 Mpc: Galaxienhaufen

54 Durchmesser CMB-Patches Q = (D/R H ) f(z) ; f(z rec ) ~ 300 (LCDM) D rec = Q R H / f(z rec ) ; Q ~ 0,6 Grad (WMAP) D rec = 0,6 x x 4200 Mpc / (180 x 300) ~ 146 kpc r Sound = D heute = D rec (1 + z rec ) ~ 147 Mpc. Dies entspricht heute Gebieten von der Ausdehnung der Void-Struktur.

55 Zusammenfassung Distanzen Winkeldistanz Objekte größer Camenzind

56 eboss Fasern /Platte nm LR Galaxien 0,6 < z < 0, Quasare 0,9 < z < 3,5

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58 Was ist DESI?

59 Daniel Eisenstein

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61 Daniel Eisenstein

62 Daniel Eisenstein

63 DESI Hubble-Expansion Daniel Eisenstein