Kosmogonie. Das frühe Universum. Vom Urknall bis zur Rekombination

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1 Kosmogonie Das frühe Universum Vom Urknall bis zur Rekombination

2 Hubble-Konstante und Weltalter Hubbles Wert für die Expansion: H 500kmsec Mpc R(t) Weltalter bei gleichmäßiger Expansion: 1 9 Tu 2 10 Jahre H H 0 1/H 0 t 0 t Weltalter bei dem Einsteinde Sitter Modell: T u 2 1 3H 0 9 1,3 10 Jahre Erst der heute akzeptierte Wert der Hubble-Konstanten in Verbindung mit dem LCDM-Modell liefert ein vernünftiges Weltalter von ca. 13, Jahren. Dr. R. Göhring IV-2

3 Größe des Raumes in Abhängigkeit von der Zeit 1 logr(t) 0.1 tcmb Jahre 0.01 t t CMB heute R R CMB heute 10 3 t Dr. R. Göhring IV-3

4 Temperatur- und Dichteverlauf Dichte [g/cm 3 ] Temperatur [K] Rekombination heute sec Dr. R. Göhring IV-4

5 Planck-Länge Dx m Pl c G 8 2, kg D x Q m c G c 35 lpl 1, m 3 l G c Pl 44 tpl 5, sec 5 c Dx G m c A 2 l Pl m Pl m Dr. R. Göhring IV-5

6 Aufspaltung der Grundkräfte der Physik Planck- Ära GUT-Ära Quark-Ära Gravitation ToE GUT Energie [GeV] Temperatur [K] Starke Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung 1 Elektroschwache Wechselwirkung Elektromagnetische Wechselwirkung Inflation Dr. R. Göhring IV-6

7 4 Grundkräfte der Physik Starke Wechselwirkung: hält Atomkerne zusammen. Elektromagnetische Wechselwirkung: hält Atome und Moleküle zusammen. Schwache Wechselwirkung: verantwortlich für radioaktive Zerfallsprozesse. Gravitation: dominiert die großräumigen Strukturen des Universums. Starke Wechselwirkung Elektromagnetische Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Gravitation 1 Expansion des Universums Dr. R. Göhring IV-7

8 Alan Guth Seine theoretischen Arbeiten zu magnetischen Monopolen im Rahmen der großen vereinheitlichten Theorien führten ihn zur Erkenntnis, daß das Universum eine Phase exponentiellen Wachstums gehabt haben mußte; die Inflation. Mit dieser Theorie konnte er bisher ungelöste Probleme der Kosmologie erklären: neben der Frage heute fehlender magnetischer Monopole das Flachheitsproblem und Horizontproblem. Sein Buch Die Geburt des Kosmos aus dem Nichts wurde zum Bestseller. Quelle: Dr. R. Göhring IV-8

9 Inflation beschleunigte Expansion des Universums Nach der Planck-Ära, ab sec bei einer Temperatur von Kelvin und einer Dichte von g/cm 3 expandiert das Universum gebremst wie ein Friedmann- Universum. Nach der GUT-Ära bei sec, einer Temperatur von Kelvin und einer Dichte von g/cm 3 setzt ein Phasenübergang ein: starke und elektroschwache Wechselwirkung trennen sich. Zwischen und sec bewirkt ein negativer Druck des falschen Vakuums eine beschleunigte Expansion. R R e a e Inflations Faktor Dr. R. Göhring IV-9

10 Der Inflations-Faktor Der Inflations-Faktor kann mit den GUT nicht vorhergesagt werden. Man schätzt für η einen Wert zwischen 50 und Inflations Faktor Inflations Faktor 3 10 Würde man z.b. ein Proton mit einem η = 92 aufblähen, würde es das gesamte heute sichtbare Universum umfassen. Während der Inflation bleibt die Dichte annähernd konstant bei g/cm 3 ; die Temperatur fällt allerdings stark ab. Gegen Ende der Inflationsphase wird die latente Energie wieder frei und die Temperatur steigt auf den Wert zu Beginn der Inflation. Nach der Inflationsphase expandiert das Universum entsprechend einem Friedmann-Modell. Dr. R. Göhring IV-10

11 Inflation Quelle: A. Linde, Spektrum der Wissenschaft, 1995 Dr. R. Göhring IV-11

12 Größe des Universums d a(t) H m 2 0 m 1 a (t) dt a(t) 1/2 Hat das Universum zur Planck-Zeit eine Hubble-Sphäre mit einem Radius der Planck-Länge, so dehnt es sich entsprechend obiger Formel bis heute zu einer Größe mit einem Radius L H von LH Mpc aus. Es dehnt sich um einen Faktor F LH aus. Der Skalenfaktor a(t) dagegen vergrößert sich vom Zeitpunkt der Planck-Zeit bis heute nur um Fa d.h. ein Universum zur Planck-Zeit von der Größe der Planck-Länge wäre heute nur ca. 0,3 mm groß. Dr. R. Göhring IV-12

13 Large Hadron Collider Planck- Ära GUT-Ära Quark-Ära Temperatur [K] Gravitation ToE LHC Starke Wechselwirkung GUT LHC Schwache Wechselwirkung 1 Elektroschwache Wechselwirkung Elektromagnetische Wechselwirkung Inflation Dr. R. Göhring IV-13

14 Quark-Ära Planck- Quark- Hadron Lepton- Strahlungs- Materie Nukleosynthese Rekombination heute Dr. R. Göhring IV-14

15 Lepton- und Hadron-Ära Planck- Temperatur ist so hoch, daß Leptonenund Hadronenpaare (Teilchen und Antiteilchen) spontan entstehen und wieder vernichtet werden Annihilation; entsprechende Neutrinos werden dabei erzeugt. Dichte [g/cm 3 ] Mit sinkender Temperatur hört die Paarentstehung auf. Hadron Lepton- Strahlungs- Nukleosynthese Materie Warum ist am Ende der Hadron-Ära nicht alle Materie vernichtet? Temperatur [K] Warum existiert nur normale Materie? Rekombination heute Dr. R. Göhring IV-15

16 Ruheenergie und Schwellentemperatur Joule k 7, K, k 1, [JK ] Dr. R. Göhring IV-16

17 Temperatur- und Dichteverlauf Planck- Strahlungs- Materie Beginn bei einem Weltalter von 1 Sekunde Temperatur Kelvin Dichte [g/cm 3 ] Strahlungsdichte r r 10 6 g/cm 3 (1 Tonne pro cm 3 ) Massendichte r m 10-1 g/cm 3 Temperatur [K] Ende bei Jahren ( sec) Rekombination heute Dr. R. Göhring IV-17

18 Nukleosynthese Planck- Bei einem Alter von 100 sec Beginn der Nukleosynthese Temperatur bei 10 9 Kelvin Dichte [g/cm 3 ] Dauer ca. 200 Sekunden 25 % der Materie wird in Helium verwandelt (fusioniert), Rest ist Wasserstoff und geringe Anteile Deuterium, Helium-3 und Lithium. Temperatur [K] Strahlungs- Nukleosynthese Materie- Rekombination heute Dr. R. Göhring IV-18

19 Nukleosynthese Planck- Strahlungs- Materie Energiegewinn durch Fusion gering: herrschende Dichte [g/cm 3 ] Temperatur wird um ca. 10 Grad steigen, der Zuwachs an Strahlungsenergie liegt bei ca. 1:10 8. Nukleosynthese 1 Temperatur [K] Rekombination heute Dr. R. Göhring IV-19

20 Zeitlicher Verlauf der Nukleosynthese Quelle: Dr. R. Göhring IV-20

21 Bestimmung der baryonischen und Dunklen Masse Die Kurven zeigen die primordialen Häufigkeiten der Elemente in Abhängigkeit von der Baryonendichte r b. Die obere Skala zeigt das Verhältnis b der Baryonendichte r b zur kritischen Dichte r c : b = r b / r c Die Höhe der Rechtecke gibt die an Quasaren beobachteten Häufigkeiten der Elemente an; die Länge überlappt mit den berechneten Werten. Deuterium gibt die stärkste Einschränkung. Damit ergibt sich b 0,04 Aus dem Standardmodell der Kosmologie ergibt sich für den Massenanteil m = b + DM 0,3 Die bayonische Masse macht nur eine Bruchteil der Gesamtmasse aus! Quelle: P. Schneider, Extragalaktische Astronomie und Kosmologie Dr. R. Göhring IV-21

22 Dunkle Materie Planck- GUT- Quark- Hadron - Lepton- Strahlungs- Materie WIMPS entstehen WIMPS entkoppeln Dichte [g/cm 3 ] Nukleosynthese Temperatur [K] 1 Rekombination Inflation heute Dr. R. Göhring IV-22

23 Entstehung der Dunklen Materie Die hypothetischen Teilchen der dunklen Materie sollen aufgrund ihrer hohen Masse in der Quark-Ära entstehen. Wenn man auch (noch) nicht weiß, welcher Art diese Teilchen sein sollen, so existiert schon ein Name für sie: WIMP = Weakly Interacting Massive Particles zeigen keine Wechselwirkung mit Materie oder Licht; wirken ausschließlich gravitativ; haben eine sehr hohe Masse (deswegen auch noch nicht in Beschleuniger-Experimenten entdeckt); Kandidaten sind ev. Teilchen der Supersymmetrie. Entkopplung von der Strahlung in der Leptonen-Ära bei einem Weltalter bis ca. 1 Sekunde Dr. R. Göhring IV-23

24 Kurze Geschichte Jahre Dr. R. Göhring IV-24

25 WMAP Satellit

26 Lagrange-Punkte Dr. R. Göhring IV-26

27 K-Band Map (23 GHz) Ka-Band Map (33 GHz) Q-Band Map (41 GHz) V-Band Map (61 GHz) W-Band Map (94 GHz) Winkelauflösung des Instrumentes 0,3 o und Empfindlichkeit von 20 mk pro 0,3 o Pixel. Messung des Spektrums der Mikrowellenstrahlung in fünf verschiedenen Frequenzbändern. Damit läßt sich der Einfluß der Strahlung der Milchstraße eliminieren. Das Spektrum der resultierenden Hintergrundstrahlung entspricht sehr exakt dem eines schwarzen Körpers von 2,73 o K. Es zeigen sich minimale Schwankungen im Temperatur-bereich von ± 200 Mikrokelvin. Dr. R. Göhring IV-27

28 Störquellen Dr. R. Göhring IV-28

29 Hintergrundstrahlung (CMB) Quelle: Wikipedia Dr. R. Göhring IV-29

30 Satellit Planck Start: 14. Mai Cobe WMAP Planck Quelle: Dr. R. Göhring V-30

31 Hintergrundstrahlung WMAP/PLANCK Dr. R. Göhring IV-31

32 Analyse der Hintergrundstrahlung (CMB) T T, T mittlere Temperatur 1,2 0 1,2 0 T0 Korrelationsfunktion: ( ) 1 2 Dr. R. Göhring IV-32

33 Powerspektrum Oktupol Quadrupol Dr. R. Göhring IV-33

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