Vom Kleinsten zum Schwersten die Entwicklung unseres Universums

Transkript

1 Vom Kleinsten zum Schwersten die Entwicklung unseres Universums Silke Britzen Max-Planck-Institut für Radioastronomie Bonn

2 Die dunkle Seite des Universums Schwarze Löcher 0.001% Schwere Elemente 0.03% Neutrinos % Sterne 0.5% Dunkle Energie 76±4% Dunkle Materie 19±4% Freier Wasserstoff und Helium 3.8±0.4% 2 NASA Beyond Einstein! & WMAP3!

3 Warum Schwarze Löcher? Schwarz Entweichgeschwindigkeit c Loch Singularität in der Raum-Zeit A. Müller 3

4 Black Holes (in theory) Einstein Field Equations (1915): a set of ten equations in Albert Einstein's theory of general relativity, describe the fundamental interaction of gravitation as a result of spacetime being curved by matter and energy. Karl Schwarzschild gave the solution for the gravitational field of a point mass and a spherical mass the Schwarzschild radius is now known to be the radius of the event horizon of a non-rotating black hole Roy Kerr found the exact solution for a rotating black hole (1963) A Black Hole has only three independent physical properties: mass, charge, and angular momentum. No direct detection of a black hole so far Black holes on different mass scales: Quantum Black Holes (M BH ~ g) Primordial Black Holes (M BH ~ g) Stellar Black Holes (1 M < M BH < 100 M ) Galactic Center Black Hole (~4x10 6 M ) Supermassive Black Holes ( M ) 4

5 Black Holes are the engines of our Universe s history Galactic Center Black Hole Falcke et al Primordial Black Holes Expanding Universe after 13.7 billion years NASA/Dana Berry Stellar Black Holes / Pulsars NASA Supermassive Black Holes 4

6 Quantum BHs and Primordial BHs Quantum Black Holes at the LHC (M BH ~ g) The Theory of Everything Constraints about the energy scale of the Universe How many dimensions? Primordial Black Holes (M M BH ~ g BH ~ g) Possible remnants of early Universe from initial density fluctuations Hawking radiation, possible detection by Fermi? S. Hossenfelder 8

7 E8 und die Weltformel Theoretisch.

8 A. Garrett Lisi

9 Garrett Lisi Entwickelte eine Theory of Everything, die auf der E8- Struktur beruht Lisi hatte einige Formeln für seine Theorie entworfen und bemerkt, daß einige davon mit der E8-Struktur übereinstimmten. In diesem Moment explodierte mein Gehirn, als ich die Implikationen und die Schönheit dieses Dings sah. Ich dachte: Heiliger Bimbam, das ist es. Er füllte die 248 Punkte der E8-Struktur mit mehreren Spielarten der bekannten Teilchen und Kräfte. 20 Punkte blieben unbesetzt, denen er hypothetische Teilchen zuordnete, darunter Überträger der Gravitation

10 E8 E8-Struktur zählt zu den Lie-Gruppen: Die einfacheren Gruppen beschreiben Objekte wie Zylinder oder Kegel, die rotationssymmetrisch sind E8 ist viel komplexer die Struktur umfasst ein Gebilde mit 248 Freiheitsgraden, um es zu visualisieren muß eine zweidimensionale Projektion der Struktur erzeugt werden (ihr Schatten). Diese Figur enthält 248 Punkte sowie noch 8 Dimensionen. Die Punkte lassen sich auf mannigfache Weise miteinander verbinden. Wieviele solcher Verknüpfungen möglich sind, wurde von einer internationalen Mathematikergruppe um Jeffrey Adams berechnet der Supercomputer benötigte 77 Stunden. Die Liste besteht aus einer Matrix mit über 205 Milliarden Einträgen. Jedes einzelne Verbindungsmuster repräsentiert eine bestimmte Struktur, die zur Beschreibung der Natur und ihrer physikalischen Komponenten dienen kann. E8 knüpft an die Stringtheorie an aber für die Stringtheorie fehlt bis heute jeder experimentelle Beweis.

11 Garrett Lisi In einigen Konfigurationen konnte er die früheren Verknüpfungen von Quarks und Gluonen sowie der elektromagnetischen und schwachen Kräfte mit der Gravitation reproduzieren; bei fortgesetzter Rotation ergaben sich andere aufregende Muster: so lagerten sich Quarks in ihren jeweiligen Farbgruppen um die gravielektromagnetischen Teilchen. Dabei ordneten sich die Quarks in Familien von je drei Partikeln mit ähnlichen Eigenschaften, jedoch unterschiedlichen Massen ganz so, wie auch das Standardmodell diese Partikel beschreibt. Für die Physik war es ein Rätsel, wieso sich Elementarteilchen in solchen Familien gruppieren. In der E8-Struktur ergeben sich diese Zuordnungen von selbst Lisi veröffentlichte seine Ergebnisse Ende 2007 unter dem Titel: Eine außergewöhnlich einfache Theorie von allem. Die in dem komplexen Beziehungsgeflecht in E8 aufgezeigten Wechselwirkungen zwischen Teilchen und Kräften decken sich mit den Messergebnissen der Physiker in der realen Welt

12 Garrett Lisi Sein geometrisches Modell kommt ohne Strings und die mit ihnen verbundenen höheren Dimensionen aus Lisi: Universum beruht auf reiner Geometrie, eine wunderbare Form, die sich um die Raumzeit herum entwickelt und bewegt. Und da E8 vielleicht die allerschönste Struktur der Mathematik ist, sei es sehr befriedigend, daß die Natur gerade diese Geometrie auserwählt habe. Komplementär zur Stringtheorie? Bei meiner Theorie geht es um alles oder nichts. Sie ist entweder exakt richtig oder fürchterlich falsch. Es wird ein langer Weg, dies herauszufinden. Wir werden es genauer wissen, wenn der LHC singt. Ein rein mathematisches Konstrukt...

13 E8 und die Weltformel Experimentell.

14 : Erster Beweis für die Weltformel? Experiment in Oxford: Kristalle aus Kobalt und Niob wurden auf eine Temperatur von 0.04 Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt Atome lagerten sich in langen, parallelen Ketten zusammen Ihre Elektronen verhielten sich aufgrund ihrer Spins wie kleine Stabmagneten, die entweder nach oben oder unten zeigten Die Forscher legten ein starkes Magnetfeld rechtwinklig zu den Spinachsen an: in den Elektronenspins in den Ketten bildeten sich spontan Muster; mit jeder dieser Spinanordnungen war eine bestimmte Energie verbunden die Spins hatten sich gemäß der mathematischen Beziehungen der E8-Symmetrie geordnet. Mechanismus ist ein Rätsel!! Selbstorganisation der Natur Bis jetzt galt E8 als rein mathematisches Konstrukt ohne Bezug zur realen Welt!!

15 Beobachtungsevidenz

16 Entwicklung der Sterne 16

17 Stellar Black Holes / Pulsars (1 M < M BH < 100 M ) Crab Nebula optical J infrared X-rays &optical NASA/ESA Spitzer. Hubble & Chandra. 9 John Rowe W. Folkner, LISA, JPL

18 Galactic Center BH (~4x10 6 M ) D. Wang et al., CXC, NASA 10

19 WG3: Galactic Center BH (~4x10 6 M ) Zhi-Qiang Shen 10

20 Normale Galaxien Aktive Galaxienkerne Optisch Robert Gendler NASA/CXC, NRAO/VLA, Digitized Sky Survey, Radio - Gamma 20

21 Spectral Energy Distribution of AGN Mkn 501 Alloin et al. 1995, Elvis et al Quasar 3C Türler et al. 1999, Soldi et al

22 NASA/CXC, NRAO/VLA, Digitized Sky Survey, CXC/M.Weiss NASA/CXC/SAO

23 Große SL in großen Galaxien Kleinere SL in kleineren Galaxien 23

24 HST NRAO/AUI and J. Hibbard Galaxien-Kollisionen - Sind häufig in unserem Universum - Wichtig!! - Galaxienwachstum - Wachstum Schwarzer Löcher - Aktivierung Aktiver Galaxienkerne

25 Verschmelzende Galaxien & Schwarzes Loch Aktivität Robert Gendler Normale Galaxie Kollidierende Galaxien NASA, ESA, and the Hubble SM4 ERO Team Aktive Galaxienkerne Sternentstehungs Galaxien NASA/CXC, NRAO/VLA, Digitized Sky Survey, NASA/JPL-Caltech/Subaru 25 11

26 Are these all Supermassive Binary Black Holes? optical X-rays optical NASA/CXC/MPE/S. Komossa et al. VLBI VLBI VLA Hardcastle et al Lobanov & Roland 2004 Murgia et al. 26

27 Overview BL Lacertae - BL Lac Objects Active Galactic Nuclei: spectral energy distribution Jets & apparent superluminal motion BL Lac Objects are different ferent! BL Lac Objects and binary supermassive black holes

28 Die unvorstellbare Zukunft G. Hasinger Sterne brennen aus Weisse Zwerge vernichten Dunkle Materie Protonenzerfall? Schwarze Löcher zerstrahlen