Das neue kosmologische Weltbild zum Angreifen!

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1 Das neue kosmologische Weltbild zum Angreifen! Franz Embacher Fakultät für Physik Universität Wien Vortrag im Rahmen von 2012

2 Das Universum Wie alt ist das Universum eigentlich? Nach unserem heutigen Wissen 13.7 Milliarden Jahre. Also ist es 13.7 Milliarden Lichtjahre groß? Nein! Wieso? Wir wissen nicht, wie groß es ist. Vielleicht ist es unendlich groß. Oder einfach nur sehr groß. Aber es gibt einen Ausschnitt, den wir grundsätzlich beobachten können, das beobachtbare Universum. Also ist das beobachtbare Universum 13.7 Milliarden Lichtjahre groß? Auch nicht! Wie groß ist es denn dann? Das kommt drauf an, was du mit der Größe des Universums genau meinst! Oohh

3 Das Universum Aber das Universum expandiert? Ja. Mit welcher Geschwindigkeit? Das kann man nicht durch eine Geschwindigkeit ausdrücken! Wodurch denn dann? Durch eine Expansionsrate. Versteh ich nicht. Aber es ist von einem Urknall ausgegangen? Ja, ich denke schon! Alles deutet darauf hin. Also von einem Punkt? So einfach kann man das nicht sagen! Wo hat denn der Urknall stattgefunden? Überall! Oohh

4 Das Universum Aber immerhin stimmt es, dass das Universum expandiert! Ja. Wohin? Nirgends hin. Er wird einfach immer größer! Aber an seinem Rand Es hat keinen Rand! Wie auch immer stimmt es auch, dass sich das Universum beschleunigt, also immer schneller expandiert? Ja. Aber etwas, das immer schneller wird, muss doch eine Geschwindigkeit haben!? Genau genommen hat es viele Geschwindigkeiten, wenn du so an diesem Begriff hängst! Oohh

5 Das Universum Und stimmt es, dass wir die Hauptbestandteile, aus denen das Universum besteht, kaum kennen. Ja. Wir können sie nicht sehen, daher nennen wir sie dunkel. Das Universum besteht vorwiegend aus dunkler Materie und dunkler Energie. Es könnte also Sterne, Planeten und Lebewesen aus dunkler Materie geben. Nein, weil dunkle Materie nicht strahlen kann. Ich dachte, wir wissen nichts über sie! Und was hat das mit Strahlung zu tun? Ein bisschen wissen wir doch. Und Materie, die nicht strahlen kann, kann sich nicht zusammenballen, aus thermodynamischen Gründen. Oje, Thermodynamik

6 Hubble Deep Field

7 Das heutige Universum maßstäblich verkleinert Sehen wir uns zuerst das heutige Universum an (so, als wäre es in seiner Bewegung eingefroren ), und verkleinern wir es maßstäblich, damit es leichter vorzustellen ist: Kosmologische Längeneinheit Megaparsec : 1 Mpc = 3.26 Millionen Lichtjahre = 3.09*10 m Maßstab: 1 1 pc 22 1AE = 150 Mio km 1 Mpc = 1 mm

8 Das heutige Universum Objekt(e) Größenordnung maßstäblich wahre Größenordnung Durchmesser der Milchstraße 0.03 mm 0.03 Mpc Dicke der Milchstraße mm Mpc Entfernung zum Zentrum mm Mpc Halo der Milchstraße 0.1 mm 0.1 Mpc Galaxiengröße inklusive Halo mm Mpc Abstand größerer Galaxien 1 mm 1 Mpc Galaxienhaufen (Cluster) 5 mm 5 Mpc Entfernung zum Virgo-Haufen 1.5 cm 15 Mpc Abstand von Galaxienhaufen 5 cm 50 Mpc Superhaufen (Supercluster) 10 cm 100 Mpc Void (Leerraum) 20 cm 200 Mpc

9 Das heutige Universum Struktur auf Skalen bis entspricht 1 mm (Abstand von Galaxien) Sand, mit kleinen Zwischenräumen 10 cm (Haufen und Superhaufen) Mauerwerk mit kleinen Verdichtungen und Rissen > 20 cm Mauerwerk mit größeren Löchern Schematisch: Void Galaxienhaufen Galaxien- Superhaufen

10 Hubble Deep Fiels

11 Galaxienzählund

12 Galaxienzählung

13 Das heutige Universum Gibt es noch größere Strukturen? Auf Skalen größer als etwa 30 cm (in unserem verkleinerten Modell) scheint es keine weiteren Zusammenballungen mehr zu geben. Wie weit reicht diese Struktur? Wir wissen es nicht. Auf jeden Fall einige Meter weit, vielleicht aber sehr viel weiter! Hunderte Meter? Viele Kilometer? Unendlich weit??? Wie geht die Kosmologie mit dieser Situation um? Mit einer Arbeitshypothese, dem kosmologischen Prinzip : Das Universum ist auf großen Skalen homogen und isotrop.

14 Das dynamische Universum Das Universum expandiert. Was bedeutet das? Auf großen Skalen werden alle Abstände zwischen Galaxien größer: Faktor 3 früher später

15 Das dynamische Universum Das Universum expandiert. Was bedeutet das? Auf großen Skalen werden alle Abstände zwischen Galaxien größer: Faktor 3 Milchstraße Milchstraße früher später

16 Das dynamische Universum Das Universum expandiert. Was bedeutet das? Auf großen Skalen werden alle Abstände zwischen Galaxien größer: Faktor 3 andere Galaxie andere Galaxie früher später

17 Die Expansion des Universums Zeit Entfernungen im Vergleich zu heute ( Skalenfaktor ) heute a= 1 früher a= 0.8 noch früher a= 0.7 a= 0.5 a = 0.4 Raum

18 Die Expansion des Universums Wie schnell expandiert es? Zeit Die Geschwindigkeit, mit der sich eine Galaxie von der Milchstraße entfernt heute früher s s t t t s v= s t hängt ab von deren Entfernung und von der (kosmologischen) Zeit. noch früher t s Raum

19 Die Expansion des Universums Wie schnell expandiert es? Zeit D s Die Geschwindigkeit, mit der sich eine Galaxie von der Milchstraße entfernt v= s t K t hängt ab von deren Entfernung und von der (kosmologischen) Zeit: v= s t = D K

20 Die Expansion des Universums Wie schnell expandiert es? Zeit D s Die Geschwindigkeit, mit der sich eine Galaxie von der Milchstraße entfernt v= s t K t hängt ab von deren Entfernung und von der (kosmologischen) Zeit: v= s t Bezeichnung: K = 1 = H 0 D K

21 Die Expansion des Universums Wie schnell expandiert es? Zeit D s Die Geschwindigkeit, mit der sich eine Galaxie von der Milchstraße entfernt v= s t K t v= H 0 D Hubble-Gesetz H = 71 0 km/s Mpc Hubble-Konstante hängt ab von deren Entfernung und von der (kosmologischen) Zeit: v= s t Bezeichnung: daher K = 1 = H 0 D K

22 Die Expansion des Universums Hubble-Konstante: H = 71 0 km/s Mpc Eine Galaxie, die sich (heute) in der Entfernung D = 10 Mpc befindet, bewegt sich (heute) mit einer Geschwindigkeit v = 71*10 km/s = 710 km/s von uns weg. Eine Galaxie, die sich (heute) in der Entfernung D = 100 Mpc befindet, bewegt sich (heute) mit einer Geschwindigkeit v = 71*100 km/s = 7100 km/s von uns weg. also: viele Geschwindigkeiten!

23 Die Expansion des Universums Wohin expandiert das Universum? Modell eines unendlich großen, offenen Universums:

24 Die Expansion des Universums Was bedeutet das für unser verkleinertes Modell des Universums? Verkleinern wir auch den Zeitmaßstab: 1 Milliarde Jahre = 1 Minute Dann wird die Hubble-Konstante zu km/s H 0 = 71 = 1.2 Mpc mm/s m

25 Die Expansion des Universums Was bedeutet das für unser verkleinertes Modell des Universums? Verkleinern wir auch den Zeitmaßstab: 1 Milliarde Jahre = 1 Minute Dann wird die Hubble-Konstante zu km/s H 0 = 71 = 1.2 Mpc mm/s m und die Lichtgeschwindigkeit zu km c = = 5.1 s mm s (Ameise)

26 Das Alter des Universums Grobe Abschätzung unter Annahme gleichbleibender Geschwindigkeiten der Galaxien: v= H D 0 (Hubble-Gesetz) D t 0 Alter des Universums: t 0 = 1 H 0 = 14 Mrd Jahre = 14 min Vor ca. 14 Milliarden Jahre (14 min) waren alle Abstände im Universum gleich 0 Urknall!

27 Das Alter des Universums Grobe Abschätzung unter Annahme einer gleichförmigen Geschwindigkeit der Galaxien: v= H D 0 (Hubble-Gesetz) D t 0 Alter des Universums: t 0 = 1 H 0 = 14 Mrd Jahre = 14 min Vor ca. 14 Milliarden Jahre (14 min) waren alle Abstände im Universum gleich 0 Urknall! In diesem Sinn hat der Urknall überall stattgefunden!

28 Der Urknall Modell der Raumzeit des Universums (in einer Raumrichtung) Zeit t 0 (schematisch, gleichbleibende Geschwindigkeiten der Galaxien) 0 Urknall = Grenze der Raumzeit (Singularität) Raum

29 Das Universum beobachten heißt in die Vergangenheit zu schauen: Zeit t 0 (schematisch, gleichbleibende Geschwindigkeiten der Galaxien) 0 Raum

30 Raumzeitmodell des Universums nach heutigem Wissen Galaxien Licht

31 Raumzeitmodell des Universums nach heutigem Wissen (bis heute) unbeobachtbares Universum Galaxien (bis heute) beobachtbares Universum Licht

32 Raumzeitmodell des Universums nach heutigem Wissen beschleunigte Expansion gebremste Expansion

33 Die beschleunigte Expansion Woher wissen wir davon? Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten Galaxien.

34 Die beschleunigte Expansion Woher wissen wir davon? Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten Galaxien. Doppelsternsystem weißer Zwerg Materiefluss

35 Supernova Ia Vorläufer

36 Die beschleunigte Expansion Woher wissen wir davon? Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten Galaxien. Doppelsternsystem weißer Zwerg Materiefluss

37 Die beschleunigte Expansion Woher wissen wir davon? Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten Galaxien. Doppelsternsystem weißer Zwerg Materiefluss Zündung einer thermonuklearen Explosion des Weißen Zwerges bei Erreichen einer kritischen Masse (von ca. 1.4 Sonnenmassen)

38 Supernova RCW-86-SN-185

39 Die beschleunigte Expansion Woher wissen wir davon? Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten Galaxien. Doppelsternsystem weißer Zwerg Materiefluss Zündung einer thermonuklearen Explosion des Weißen Zwerges bei Erreichen einer kritischen Masse (von ca. 1.4 Sonnenmassen)

40 Die beschleunigte Expansion Woher wissen wir davon? Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten Galaxien. Doppelsternsystem weißer Zwerg Materiefluss Zündung einer thermonuklearen Explosion des Weißen Zwerges bei Erreichen einer kritischen Masse (von ca. 1.4 Sonnenmassen) Standardkerzen

41 Die beschleunigte Expansion Woher wissen wir davon? Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten Galaxien. Doppelsternsystem weißer Zwerg Materiefluss Zündung einer thermonuklearen Explosion des Weißen Zwerges bei Erreichen einer kritischen Masse (von ca. 1.4 Sonnenmassen) Standardkerzen

42 Die beschleunigte Expansion Woher wissen wir davon? Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten Galaxien. Faktor 3 Rotverschiebung: Die Wellenlängen von Licht dehnen sich mit der Expansion des Universums aus Licht wird röter.

43 Die beschleunigte Expansion Woher wissen wir davon? Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten Galaxien. Faktor 3 Rotverschiebung: Die Wellenlängen von Licht dehnen sich mit der Expansion des Universums aus Licht wird röter. Rotverschobene Silizium-Spektrallinien im Licht von einer Supernova

44 Die beschleunigte Expansion Woher wissen wir davon? Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten Galaxien. Faktor 3 Rotverschiebung: Die Wellenlängen von Licht dehnen sich mit der Expansion des Universums aus Licht wird röter. Rotverschobene Silizium-Spektrallinien im Licht von einer Supernova

45 Die beschleunigte Expansion Beobachtung + Interpretation (kosmologisches Prinzip): Die Expansion des Universums verläuft seit ungefähr 7 Milliarden Jahren beschleunigt!

46 Die beschleunigte Expansion Wie kommt es dazu? Die beherrschende Kraft im Universum ist doch die Gravitation, und die ist anziehend. Also sollte die Expansion gebremst sein! Eine Theorie: Das Vakuum hat eine Energiedichte (die dunkle Energie oder kosmologische Konstante ), und diese wirkt auf Materie (auf großen Skalen) abstoßend!

47 Vakuumenergie Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so hat es einen negativen Druck! Materie normales Verhalten Energieinhalt wird vergrößert. Energieinhalt wird verkleinert. positiver Druck Vakuum E ~ V Energieinhalt wird verkleinert. Energieinhalt wird vergrößert. negativer Druck

48 Wie groß ist das beobachtbare Universum? Das hängt davon ab, was wir darunter verstehen: Definition Größte je gesehene (damalige) Entfernung (Galaxie X) Heutige Entfernung der Galaxie X Heutige Entfernung der frühesten Galaxie, die wir prinzipiell sehen können Entfernung jener Galaxien, die sich mit Lichtgeschwindigkeit von uns wegbewegen Radius maßstäblich 1.8 m 4.7 m 14 m 4.3 m wahrer Radius 1800 Mpc = 6 Mrd Lj 4700 Mpc = 15 Mrd Lj Mpc = 45 Mrd Lj 4300 Mpc = 14 Mrd Lj

49 Dunkle Materie Und die dunkle Materie?

50 Dunkle Materie Rotationsgeschwindigkeit von Sternen, die weit draußen um eine Galaxie kreisen: M v v

51 Dunkle Materie Rotationskurve der Galaxie NGC 3198: v (km/s) r (kpc)

52 Dunkle Materie Es muss eine (unsichtbare) Masse auch außerhalb der (sichtbaren) Galaxie geben ein Halo aus dunkler Materie, der eine größere Masse besitzt als alle Sterne, Gas- und Staubwolken zusammen!

53 Dunkle Materie Es muss eine (unsichtbare) Masse auch außerhalb der (sichtbaren) Galaxie geben ein Halo aus dunkler Materie, der eine größere Masse besitzt als alle Sterne, Gas- und Staubwolken zusammen! Dunkle Materie leuchtet nicht. Daher kann sie keine Sterne bilden: Sterne entstehen durch die Kontraktion von Gas- und Staubwolken. Könnte eine solche Wolke nicht leuchten, so würde die Kontraktion zum Stillstand kommen! IR-Strahlung thermischer Druck (nach außen) Gravitationsdruck (nach innen)

54 Adlernebel

55 Dunkle Materie Dunkle Materie wechselwirkt mit dem Rest der Welt (fast) nur über die Schwerkraft. Wir wissen von der dunklen Materie auch aus der Analyse der kosmischen Hintergrundstrahlung. Die kosmische Hintergrundstrahlung ist eine Mikrowellenstrahlung, die das gesamte Universum ausfüllt. Sie ist Jahre (im verkleinerten Modell: 0.02 s) nach dem Urknall entstanden, als sich die Atome bildeten und das Universum durchsichtig wurde. Seither wurde sie um den Faktor 1000 rotverschoben (vom sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums bis in den Mikrowellenbereich: T = 3000 K T = 2.7 K).

56 Kosmische Hintergrundstrahlung

57 Dunkle Materie Dunkle Materie besteht nicht aus normalen Elementarteilchen (sie ist nicht-baryonisch ). Woher wissen wir das? Etwa 3 Minuten nach dem Urknall bildeten sich die Atomkerne. Kernphysik Vorhersage der heutigen Häufigkeiten der Elemente (75% Wasserstoff, 25% Helium, 0.01% Deuterium, ). Die kosmische Hintergrundstrahlung stammt aus der Zeit, als sich die ersten Verklumpungen der Materie bildeten, die schließlich zur Bildung von Galaxien und Galaxienhaufen führten. Beides funktioniert nur dann, wenn die normale Materie

58 Woraus besteht das Universum? 4 % normale Materie 23 % dunkle Materie 3 % trinos 73 % dunkle Energie

59 Woraus besteht das Universum? 4 % normale Materie 23 % dunkle Materie 3 % trinos Normale Materie ist nach unserem Wissen die einzige, die interessante 73 % dunkle Energie

60 Danke für eure Aufmerksamkeit! Diese Präsentation findet ihr im Web unter

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