Das neue Bild vom Universum

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1 13. Mai 2006

2 Motto Mache die Dinge so einfach wie möglich, aber nicht einfacher!

3 Normale Normale Sterne Entfernungen Spektren besteht aus Protonen, Neutronen und Elektronen.

4 Normale Normale Sterne Entfernungen Spektren besteht aus Protonen, Neutronen und Elektronen. hinzu kommen masselose Teilchen wie Photonen und Neutrinos (Strahlung).

5 Normale Normale Sterne Entfernungen Spektren besteht aus Protonen, Neutronen und Elektronen. hinzu kommen masselose Teilchen wie Photonen und Neutrinos (Strahlung). Atomkerne, Atome, Moleküle, Festkörper...

6 Kernfusion Normale Sterne Entfernungen Spektren Kernverschmelzung, etwa (pn)+(pn) (ppnn)

7 Kernfusion Normale Sterne Entfernungen Spektren Kernverschmelzung, etwa (pn)+(pn) (ppnn) also D + D He

8 Kernfusion Normale Sterne Entfernungen Spektren Kernverschmelzung, etwa (pn)+(pn) (ppnn) also D + D He Massendifferenz M = M D + M D M He

9 Kernfusion Normale Sterne Entfernungen Spektren Kernverschmelzung, etwa (pn)+(pn) (ppnn) also D + D He Massendifferenz M = M D + M D M He... wird zu Energie M c 2 (Strahlung)

10 Kernfusion Normale Sterne Entfernungen Spektren Kernverschmelzung, etwa (pn)+(pn) (ppnn) also D + D He Massendifferenz M = M D + M D M He... wird zu Energie M c 2 (Strahlung) Viele andere Kernreaktionen...

11 Sterne Normale Sterne Entfernungen Spektren Wegen der universellen Schwerkraft wollen Massen zusammenstürzen

12 Sterne Normale Sterne Entfernungen Spektren Wegen der universellen Schwerkraft wollen Massen zusammenstürzen Massenansammlung kann durch Gegendruck stabilisert werden

13 Sterne Normale Sterne Entfernungen Spektren Wegen der universellen Schwerkraft wollen Massen zusammenstürzen Massenansammlung kann durch Gegendruck stabilisert werden Kernfusion (heißes Gas und Strahlung): normale Sterne (wie Sonne)

14 Sterne Normale Sterne Entfernungen Spektren Wegen der universellen Schwerkraft wollen Massen zusammenstürzen Massenansammlung kann durch Gegendruck stabilisert werden Kernfusion (heißes Gas und Strahlung): normale Sterne (wie Sonne) Elektronenentartung: Weiße Zwerge (etwa Erddurchmesser)

15 Sterne Normale Sterne Entfernungen Spektren Wegen der universellen Schwerkraft wollen Massen zusammenstürzen Massenansammlung kann durch Gegendruck stabilisert werden Kernfusion (heißes Gas und Strahlung): normale Sterne (wie Sonne) Elektronenentartung: Weiße Zwerge (etwa Erddurchmesser) Neutronenentartung: Neutronensterne (etwa 10 km Durchmesser)

16 Sterne Normale Sterne Entfernungen Spektren Wegen der universellen Schwerkraft wollen Massen zusammenstürzen Massenansammlung kann durch Gegendruck stabilisert werden Kernfusion (heißes Gas und Strahlung): normale Sterne (wie Sonne) Elektronenentartung: Weiße Zwerge (etwa Erddurchmesser) Neutronenentartung: Neutronensterne (etwa 10 km Durchmesser) Gegendruck reicht nicht aus: Schwarze Löcher

17 Sterne Normale Sterne Entfernungen Spektren Wegen der universellen Schwerkraft wollen Massen zusammenstürzen Massenansammlung kann durch Gegendruck stabilisert werden Kernfusion (heißes Gas und Strahlung): normale Sterne (wie Sonne) Elektronenentartung: Weiße Zwerge (etwa Erddurchmesser) Neutronenentartung: Neutronensterne (etwa 10 km Durchmesser) Gegendruck reicht nicht aus: Schwarze Löcher Die Masse weißer Zwerge muss kleiner als 1.44 M sein (Nobelpreis Chandrasekhar 1930).

18 Entfernungen Normale Sterne Entfernungen Spektren Erde-Sonne nächster Fixstern Zentrum der Galaxis M31 (Andromeda-Galaxie) Ia-Supernova 1994D AM (Ring-Galaxie) Hubble Deep Field Survey Abell Lmin 4 LJ 25 klj 2.2 MLJ 50 MLJ 300 MLJ mehrere GLJ etwa 13 GLJ

19 M83 Normale Sterne Entfernungen Spektren M83, Durchmesser etwa 60 Tausend Lichtjahre

20 Andromeda-Nebel Normale Sterne Entfernungen Spektren 2.2 Millionen Lichtjahre

21 Ia Supernova Normale Sterne Entfernungen Spektren Ausgebrannte Sterne enden als weiße Zwerge, Neutronensterne oder Schwarze Löcher. In wenigen Wochen wird mehr Energie freigesetzt als zuvor in einer Milliarde Jahren.

22 Ia Supernova Normale Sterne Entfernungen Spektren Ausgebrannte Sterne enden als weiße Zwerge, Neutronensterne oder Schwarze Löcher. In wenigen Wochen wird mehr Energie freigesetzt als zuvor in einer Milliarde Jahren. Die Masse eines weißen Zwerges kann auf Kosten eines benachbarten Sternes anwachsen.

23 Ia Supernova Normale Sterne Entfernungen Spektren Ausgebrannte Sterne enden als weiße Zwerge, Neutronensterne oder Schwarze Löcher. In wenigen Wochen wird mehr Energie freigesetzt als zuvor in einer Milliarde Jahren. Die Masse eines weißen Zwerges kann auf Kosten eines benachbarten Sternes anwachsen. Bei Erreichen von 1.44 M gibt es eine Ia-Supernova mit immer gleichem Verlauf und gleicher Helligkeit (Standardkerze).

24 Ia Supernova Normale Sterne Entfernungen Spektren Ausgebrannte Sterne enden als weiße Zwerge, Neutronensterne oder Schwarze Löcher. In wenigen Wochen wird mehr Energie freigesetzt als zuvor in einer Milliarde Jahren. Die Masse eines weißen Zwerges kann auf Kosten eines benachbarten Sternes anwachsen. Bei Erreichen von 1.44 M gibt es eine Ia-Supernova mit immer gleichem Verlauf und gleicher Helligkeit (Standardkerze). Bei bekannter absoluter und gemessener sichtbarer Helligkeit kann die Entfernung bestimmt werden!

25 IaSN 1994D Normale Sterne Entfernungen Spektren 60 Millionen Lichtjahre

26 Ring-Galaxie Normale Sterne Entfernungen Spektren 300 Millionen Lichtjahre

27 Hubble Deep Field Survey Normale Sterne Entfernungen Spektren 10 Tage Licht gesammelt, mehr als eine Milliarde Lichtjahre tief

28 Abell 1835 Normale Sterne Entfernungen Spektren etwa 13 Milliarden Lichtjahre

29 Spektrallinien Normale Sterne Entfernungen Spektren Rotverschiebung z = λ λ λ

30 Rotverschiebung Normale Sterne Entfernungen Spektren

31 Hubble-Gesetz Hubble-Gesetz Häufigkeit der leichten Elemente Hintergrundstrahlung Zusammenfassung Befund: Rotverschiebung wächst mit abnehmender Helligkeit der Ia-Supernovae (Entfernung)

32 Hubble-Gesetz Hubble-Gesetz Häufigkeit der leichten Elemente Hintergrundstrahlung Zusammenfassung Befund: Rotverschiebung wächst mit abnehmender Helligkeit der Ia-Supernovae (Entfernung) voreilige Deutung: Dopplereffekt. Explosion.

33 Hubble-Gesetz Hubble-Gesetz Häufigkeit der leichten Elemente Hintergrundstrahlung Zusammenfassung Befund: Rotverschiebung wächst mit abnehmender Helligkeit der Ia-Supernovae (Entfernung) voreilige Deutung: Dopplereffekt. Explosion. c + v z = c v 1 v c d

34 Hubble-Gesetz Hubble-Gesetz Häufigkeit der leichten Elemente Hintergrundstrahlung Zusammenfassung Befund: Rotverschiebung wächst mit abnehmender Helligkeit der Ia-Supernovae (Entfernung) voreilige Deutung: Dopplereffekt. Explosion. c + v z = c v 1 v c d heutige Deutung: Raum dehnt sich aus. Je älter die Supernova, umso mehr wurden die Photonen inzwischen gedehnt.

35 Hubble-Gesetz Hubble-Gesetz Häufigkeit der leichten Elemente Hintergrundstrahlung Zusammenfassung Befund: Rotverschiebung wächst mit abnehmender Helligkeit der Ia-Supernovae (Entfernung) voreilige Deutung: Dopplereffekt. Explosion. c + v z = c v 1 v c d heutige Deutung: Raum dehnt sich aus. Je älter die Supernova, umso mehr wurden die Photonen inzwischen gedehnt. folgerichtig: Urknall (big bang)

36 Synthese im frühen Universum Hubble-Gesetz Häufigkeit der leichten Elemente Hintergrundstrahlung Zusammenfassung Synthese im frühen Universum

37 Mikrowellen-Hintergrundstrahlung Hubble-Gesetz Häufigkeit der leichten Elemente Hintergrundstrahlung Zusammenfassung Wilkinson Microwave Asymmetry Probe (WMAP), NASA, 2003

38 WMAP-Satellit Hubble-Gesetz Häufigkeit der leichten Elemente Hintergrundstrahlung Zusammenfassung Umkreist die Sonne zusammen mit der Erde vierfache Mondentfernung

39 Vier wichtige Befunde Hubble-Gesetz Häufigkeit der leichten Elemente Hintergrundstrahlung Zusammenfassung Urknall (Am Anfang schuf Gott... )

40 Vier wichtige Befunde Hubble-Gesetz Häufigkeit der leichten Elemente Hintergrundstrahlung Zusammenfassung Urknall (Am Anfang schuf Gott... ) Das ist großräumig isotrop und dehnt sich mehr und mehr aus.

41 Vier wichtige Befunde Hubble-Gesetz Häufigkeit der leichten Elemente Hintergrundstrahlung Zusammenfassung Urknall (Am Anfang schuf Gott... ) Das ist großräumig isotrop und dehnt sich mehr und mehr aus. Auch die kosmische Hintergrundstrahlung (Nachleuchten) ist isotrop.

42 Vier wichtige Befunde Hubble-Gesetz Häufigkeit der leichten Elemente Hintergrundstrahlung Zusammenfassung Urknall (Am Anfang schuf Gott... ) Das ist großräumig isotrop und dehnt sich mehr und mehr aus. Auch die kosmische Hintergrundstrahlung (Nachleuchten) ist isotrop. Die Häufigkeit der Elemente lässt auf extreme Temperaturen im frühen Universum schließen.

43 Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell Grundsätze für eine kosmologische Theorie Der Kosmos ist ein physikalisches System.

44 Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell Grundsätze für eine kosmologische Theorie Der Kosmos ist ein physikalisches System. Einsteins Theorie der Schwerkraft (Allgemeine Relativitätstheorie)

45 Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell Grundsätze für eine kosmologische Theorie Der Kosmos ist ein physikalisches System. Einsteins Theorie der Schwerkraft (Allgemeine Relativitätstheorie) Kosmologisches Prinzip: alle Orte und alle Richtungen im Kosmos sind gleichwertig.

46 Raum, Zeit und Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell Raum-Zeit-Eigenschaften durch die Metrik ds 2 = g ik (x)dx i dx k bestimmt

47 Raum, Zeit und Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell Raum-Zeit-Eigenschaften durch die Metrik ds 2 = g ik (x)dx i dx k bestimmt aus Metrik folgt Krümmungstensor R ik (x) und Krümmungsskalar R(x)

48 Raum, Zeit und Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell Raum-Zeit-Eigenschaften durch die Metrik ds 2 = g ik (x)dx i dx k bestimmt aus Metrik folgt Krümmungstensor R ik (x) und Krümmungsskalar R(x) T ik (x) beschreibt Dichte und Stromdichte von Energie und Impuls

49 Raum, Zeit und Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell Raum-Zeit-Eigenschaften durch die Metrik ds 2 = g ik (x)dx i dx k bestimmt aus Metrik folgt Krümmungstensor R ik (x) und Krümmungsskalar R(x) T ik (x) beschreibt Dichte und Stromdichte von Energie und Impuls R ik 1 2 g ikr = 8πG c 4 T ik + Λg ik

50 Raum, Zeit und Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell Raum-Zeit-Eigenschaften durch die Metrik ds 2 = g ik (x)dx i dx k bestimmt aus Metrik folgt Krümmungstensor R ik (x) und Krümmungsskalar R(x) T ik (x) beschreibt Dichte und Stromdichte von Energie und Impuls R ik 1 2 g ikr = 8πG c 4 T ik + Λg ik Massen und Strahlung breitet sich auf geodätischen Linien aus...

51 Raum, Zeit und Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell Raum-Zeit-Eigenschaften durch die Metrik ds 2 = g ik (x)dx i dx k bestimmt aus Metrik folgt Krümmungstensor R ik (x) und Krümmungsskalar R(x) T ik (x) beschreibt Dichte und Stromdichte von Energie und Impuls R ik 1 2 g ikr = 8πG c 4 T ik + Λg ik Massen und Strahlung breitet sich auf geodätischen Linien aus die durch die Metrik definiert werden (siehe oben)

52 Können Sie mir folgen? Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell

53 Einstein hat Recht! Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell Lichtablenkung durch die Sonne (1919)

54 Einstein hat Recht! Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell Lichtablenkung durch die Sonne (1919) Perihelverschiebung bei Merkur

55 Einstein hat Recht! Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell Lichtablenkung durch die Sonne (1919) Perihelverschiebung bei Merkur GPS

56 Einstein hat Recht! Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell Lichtablenkung durch die Sonne (1919) Perihelverschiebung bei Merkur GPS Neutronen-Doppelsterne

57 Einstein hat Recht! Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell Lichtablenkung durch die Sonne (1919) Perihelverschiebung bei Merkur GPS Neutronen-Doppelsterne Gravitationslinsen

58 Einstein hat Recht! Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell Lichtablenkung durch die Sonne (1919) Perihelverschiebung bei Merkur GPS Neutronen-Doppelsterne Gravitationslinsen Schwarze Löcher

59 Gravitationslinse Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell

60 Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell Schwarzes Loch im Zentrum der Galaxis Umlauf in 15 Jahren, Abstand 17 Lichtstunden, 3 Millionen Sonnenmassen

61 Kosmologisches Standardmodell Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell ds 2 = c 2 dt 2 α(t) 2{ dr 2 1 kr 2 + r 2 dω 2}

62 Kosmologisches Standardmodell Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell ds 2 = c 2 dt 2 α(t) 2{ dr 2 1 kr 2 + r 2 dω 2} k = 0: Raumkrümmung verschwindet (flache Welt) oder k = ±1

63 Kosmologisches Standardmodell Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell ds 2 = c 2 dt 2 α(t) 2{ dr 2 1 kr 2 + r 2 dω 2} k = 0: Raumkrümmung verschwindet (flache Welt) oder k = ±1 Differentialgleichungen für Weltradius α(t)

64 Kosmologisches Standardmodell Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell ds 2 = c 2 dt 2 α(t) 2{ dr 2 1 kr 2 + r 2 dω 2} k = 0: Raumkrümmung verschwindet (flache Welt) oder k = ±1 Differentialgleichungen für Weltradius α(t) Massendichte ρ und Druck p (Zustandsgleichung) müssen bekannt sein

65 Heutiger Stand (ΛDCM) Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell ρ/ρ kr = 1.02 ± Der Kosmos ist also überall flach (k=0).

66 Heutiger Stand (ΛDCM) Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell ρ/ρ kr = 1.02 ± Der Kosmos ist also überall flach (k=0). Der kosmologische Term (Λ) trägt mit 73% zur Expansion bei (dunkle Energie).

67 Heutiger Stand (ΛDCM) Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell ρ/ρ kr = 1.02 ± Der Kosmos ist also überall flach (k=0). Der kosmologische Term (Λ) trägt mit 73% zur Expansion bei (dunkle Energie). Die normale sichtbare ist nur mit 4% beteiligt.

68 Heutiger Stand (ΛDCM) Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell ρ/ρ kr = 1.02 ± Der Kosmos ist also überall flach (k=0). Der kosmologische Term (Λ) trägt mit 73% zur Expansion bei (dunkle Energie). Die normale sichtbare ist nur mit 4% beteiligt. Der Rest von 23%, die unsichtbare, ist kalt (übt keinen Druck aus). Damit scheiden Neutrinos aus.

69 Heutiger Stand (ΛDCM) Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell ρ/ρ kr = 1.02 ± Der Kosmos ist also überall flach (k=0). Der kosmologische Term (Λ) trägt mit 73% zur Expansion bei (dunkle Energie). Die normale sichtbare ist nur mit 4% beteiligt. Der Rest von 23%, die unsichtbare, ist kalt (übt keinen Druck aus). Damit scheiden Neutrinos aus. Das Universum ist 13.7 ± 0.2 Milliarden Jahre alt.

70 Heutiger Stand (ΛDCM) Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell ρ/ρ kr = 1.02 ± Der Kosmos ist also überall flach (k=0). Der kosmologische Term (Λ) trägt mit 73% zur Expansion bei (dunkle Energie). Die normale sichtbare ist nur mit 4% beteiligt. Der Rest von 23%, die unsichtbare, ist kalt (übt keinen Druck aus). Damit scheiden Neutrinos aus. Das Universum ist 13.7 ± 0.2 Milliarden Jahre alt. Die Hintergrundstrahlung hat sich nach 380 Tausend Jahren abgelöst.

71 Urknall Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell

72 Geschichte Grundsätze Theorie der Schwerkraft Standardmodell Urknall Sonnensystem erste Einzeller Wirbeltiere Blütenpflanzen Säugetiere Homo habilis Homo sapiens Hochkulturen 13.7 GJ 4.6 GJ 3.5 GJ 500 MJ 100 MJ 50 MJ 2 MJ 200 TJ 5 TJ

73 Demnächst SDSS Planck Theorie Sloane Digital Sky Survey: Komplette automatisierte Durchmusterung von etwa einem Viertel des Himmels

74 Demnächst SDSS Planck Theorie Sloane Digital Sky Survey: Komplette automatisierte Durchmusterung von etwa einem Viertel des Himmels 100 Millionen kosmische Objekte (mit Spektren)

75 Demnächst SDSS Planck Theorie Sloane Digital Sky Survey: Komplette automatisierte Durchmusterung von etwa einem Viertel des Himmels 100 Millionen kosmische Objekte (mit Spektren) darunter etwa 1 Million Galaxien und Quasare

76 Demnächst SDSS Planck Theorie Sloane Digital Sky Survey: Komplette automatisierte Durchmusterung von etwa einem Viertel des Himmels 100 Millionen kosmische Objekte (mit Spektren) darunter etwa 1 Million Galaxien und Quasare The Sloan Digital Sky Survey is the most ambitious astronomical survey project ever undertaken.

77 Demnächst SDSS Planck Theorie Sloane Digital Sky Survey: Komplette automatisierte Durchmusterung von etwa einem Viertel des Himmels 100 Millionen kosmische Objekte (mit Spektren) darunter etwa 1 Million Galaxien und Quasare The Sloan Digital Sky Survey is the most ambitious astronomical survey project ever undertaken. Ergebnisse per Internet für jedermann verfügbar

78 SDSS SDSS Planck Theorie

79 Planck SDSS Planck Theorie Nachfolger von WMAP, 1800 kg

80 Planck SDSS Planck Theorie Nachfolger von WMAP, 1800 kg European Space Agency ESA

81 Planck SDSS Planck Theorie Nachfolger von WMAP, 1800 kg European Space Agency ESA Ariane-Rakete, Start 2008, zusammen mit Herrschel-Satellit

82 Planck SDSS Planck Theorie Nachfolger von WMAP, 1800 kg European Space Agency ESA Ariane-Rakete, Start 2008, zusammen mit Herrschel-Satellit sehr viel höhere Winkelauflösung

83 Planck SDSS Planck Theorie Nachfolger von WMAP, 1800 kg European Space Agency ESA Ariane-Rakete, Start 2008, zusammen mit Herrschel-Satellit sehr viel höhere Winkelauflösung jedoch: enorme Menge von Messdaten

84 WMAP-Detail SDSS Planck Theorie Temperaturschwankungen - Ausschnitt aus der WMAP-Karte

85 Planck-Detail SDSS Planck Theorie Temperaturschwankungen- Wie Planck es sehen wird

86 Dunkle Energie? SDSS Planck Theorie Dunkle Energie: Schlagwort für den Λ-Term

87 Dunkle Energie? SDSS Planck Theorie Dunkle Energie: Schlagwort für den Λ-Term R ik 1 2 g ikr = 8πG c 4 T ik + Λg ik

88 Dunkle Energie? SDSS Planck Theorie Dunkle Energie: Schlagwort für den Λ-Term R ik 1 2 g ikr = 8πG c 4 T ik + Λg ik trägt mit 73% zur Expansion des Kosmos bei!

89 Dunkle Energie? SDSS Planck Theorie Dunkle Energie: Schlagwort für den Λ-Term R ik 1 2 g ikr = 8πG c 4 T ik + Λg ik trägt mit 73% zur Expansion des Kosmos bei! Virtuelle Teilchen/Antiteilchen-Paare? Nullpunktsenergie?

90 Dunkle Energie? SDSS Planck Theorie Dunkle Energie: Schlagwort für den Λ-Term R ik 1 2 g ikr = 8πG c 4 T ik + Λg ik trägt mit 73% zur Expansion des Kosmos bei! Virtuelle Teilchen/Antiteilchen-Paare? Nullpunktsenergie?...oder noch exotischere Quanteneffekte?

91 SDSS Planck Theorie Quantenfeldtheorie mit Gravitation! NATURWISSENSCHAFTLICH-MATHEMATISCHE FAKULTÄT DER RUPRECHT-KARL-UNIVERSITÄT HEIDELBERG EINLADUNG zu der öffentlichen Antrittsvorlesung des Privatdozenten für Physik DR. PHIL. PETER HERTEL am Freitag, dem 19. Dezember 1969, 10 Uhr c. t., im Kleinen Hörsaal des Physikalischen Instituts, Philosophenweg 12 über das Thema Quantentheorie der Schwerkraft DER DEKAN: Soergel

92 SDSS Planck Theorie Das Unverständlichste am Universum ist, dass wir es verstehen können.

93 Danke fürs Zuhören! SDSS Planck Theorie

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