Kosmologische Konstante. kosmischer Mikrowellen-Hintergrund. Strukturbildung im frühen Universum

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1 Kosmologische Konstante kosmischer Mikrowellen-Hintergrund und Strukturbildung im frühen Universum Philip Schneider, Ludwig-Maximilians-Universität

2 Gliederung Geschichte: Die letzten 100 Jahre Bedeutung der kosmologischen Konstante Supernova Cosmology Project Kosmischer Mikrowellen-Hintergrund (CMB) seit WMAP Herkunft der Anisotropien im CMB Erkenntnisse aus Messungen Zusammenfassung Was ist die kosmologische Konstante?

3 Geschichte: Die letzten 100 Jahre 1 8πG 1917 Einsteins Feldgleichung µν gµν = Tµν + Λg 4 µν c 199 Hubble weißt Expansion des aumes nach Einstein verwirft seine Idee mit Λ 1930er Quantenmechanik fordert Vakuumenergie Entdeckung von 3K Spektrallinie in CN-Gas 1940er Theoretiker sagen 5K Nachrauschen des Urknalls vorher 1964/65 erste direkte Messung der Kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB: Cosmic Microwave Background) λ = 7,15cm ab 1988 Supernova Cosmology Project Λ 0

4 Geschichte: Die letzten 100 Jahre 11/1989 Start des COBE Satelliten (Cosmic Background Explorer) Winkelauflösung: 7 0/003 erste Daten des WMAP Satelliten (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) T =.78 K Winkelauflösung: 1'

5 Bedeutung der kosmologischen Konstante Λ Einsteins Feldgleichung: µν µν µν µν π g T c G g Λ + = c k G M Λ + = ρ π &. Friedmann Gleichung: Λ Λ ρ 8πG mit und folgt = 0 k materiedominiertes Universum Λ >> ρ ρ M 3 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 3 8 ) ( 3 t t t t t G t M = ρ π & Die Expansion des Universums wird abgebremst ( ) Λ + = ρ ρ π ) ( 3 8 ) ( ) ( ) ( G t t t H M &

6 Bedeutung der kosmologischen Konstante Λ Λ-dominiertes Universum ρ Λ >> ρm & ( t) Λ 3 ( ) ( t t0 ) 3 = ( t) ( t) = 0e Λ 1 Λ>0 beschleunigt die Expansion des Universums, wirkt also wie eine abstoßende Gravitation. Weitere mögliche Weltlinien

7 Supernova Cosmology Project Beobachtungen an über 80 Supernovae Ia um Zeitabhängigkeit der Hubblekonstanten (Hubblezahl & ) zu prüfen. Bei SN Ia existiert eine wohl definierte Beziehung zwischen Zeitskala der Explosion und maximaler Leuchtkraft. Die Entfernung der SN kann sehr präzise bestimmt werden m M = 5 log 10 m: scheinbare Helligkeit M: absolute Helligkeit r: Entfernung in pc r pc Die kosmologische otverschiebung (Fluchtgeschwindigkeit) wird aus Analyse der Spektrallinien gewonnen.

8 Supernova Cosmology Project

9 Supernova Cosmology Project Messung widerspricht dem Modell mit Λ=0, Ω M =1 und k=0 Mögliche Erklärungen: k<0: Λ>0: Licht der Supernova verteilt sich auf größere Fläche sie erscheinen weniger hell als erwartet. Das Universum müsste nahezu leer sein. Expansion weniger stark gebremst oder sogar beschleunigt otverschiebung ist kleiner als es ihre Entfernung nahe legt. Λ>>0 und k>0: Expansion extrem beschleunigt otverschiebung ist zu klein Licht verteilt sich auf kleinere Fläche kompensiert gerade den Effekt der Expansion

10 Supernova Cosmology Project

11 CMB Messungen mit WMAP Dipol im CMB durch Bewegung der Erde relativ zum CMB. δt = 0.00 v r = 600kms T 1 Diese Dipol Anisotropie wird verwendet, um die Instrumente der WMAP zu kalibrieren.

12 Hauptseminar: Dunkle Materie in Teilchen- und Teilchenastrophysik CMB Messungen mit WMAP Messung in 5 Frequenzbereichen um Mikrowellen Strahlung der Milchstrasse herauszufiltern. 33 GHz 3 GHz 94 GHz 41 GHz 61 GHz

13 Hauptseminar: Dunkle Materie in Teilchen- und Teilchenastrophysik Anisotropien im CMB

14 Hauptseminar: Dunkle Materie in Teilchen- und Teilchenastrophysik Anisotropien im CMB

15 Herkunft der Anisotropien Bis Jahre (z=1089) nach dem Urknall bilden H-, He-Kerne, Elektronen und Photonen ein kosmisches Plasma. Dieses kosmische Plasma schwingt Ausmaß der größten (akustischen) Schwingung c λs = 3cstCMB = 3 tcmb 00kpc 3 Photonendruck Es treten auch Schwingungen mit λ, λ s s,... 3 auf. Das Interferenzbild aller Schwingungen sehen wir als CMB. t Gravitation t CMB x λ s 0 λ s y

16 Herkunft der Anisotropien Mit der Expansion des aumes kühlen Photonen ab bis sie den Wasserstoff nicht mehr ionisieren können (~ 3000 K) Die Elektronen werden gebunden sie streuen nicht mehr mit Photonen Photonen verlassen Plasma wir können heute die Temperaturverteilung zur Zeit der Entkopplung von Strahlung und Materie sehen

17 Erkenntnisse aus den Messungen Strukturbildung in einem rein baryonischen Universum δt 5 Gemessene Fluktuation: 10 T Annahme von adiabatischen Fluktuation δρ ρ B B < maximales Wachstum der Fluktuationen ~1000 δρb < 0.1 ρ B heute In einem rein baryonischen Universum können wir die Entstehung von Galaxien und Clustern nicht verstehen.

18 Erkenntnisse aus den Messungen Im CMB nicht sichtbare, also nicht mit Photonen wechselwirkende, Dunkle Materie würde dieses Problem lösen.

19 Erkenntnisse aus den Messungen Auswertung der WMAP Daten mit Hilfe eines Powerspektrums, hier ( T) gegen die Größe der Fluktuationen aufgetragen

20 Hauptseminar: Dunkle Materie in Teilchen- und Teilchenastrophysik Erkenntnisse aus den Messungen Auswertung der WMAP Daten mit Hilfe eines Powerspektrums, hier ( T) gegen die Größe der Fluktuationen aufgetragen

21 Erkenntnisse aus den Messungen Die Maxima im Powerspektrums entsprechen gerade den akustischen Schwingungen. Die Lage des 1. Maximums (Größe der größten akustischen Schwingung) gibt Aufschluss über die Krümmung des aumes. Flaches Universum λ s ~1 Dieser Wert stimmt mit der Messung überein. Erinnerung: ΩB + ΩDM + ΩΛ + Ωk =1 Die Höhe des 1. Maximums (Strahlungsleistung der größten akustischen Schwingung) hängt mit der Materiedichte des Universums zusammen.

22 Erkenntnisse aus den Messungen Das Verhältnis aus 1. und. Maximum hängt mit dem Anteil der baryonischen Materie zusammen. Ω Λ und Ω k beeinflussen die Form des Powerspektrums nicht

23 Zusammenfassung

24 Zusammenfassung aktuelle Werte der kosmologischen Parameter t Ω Ω Ω t CMB H B M Λ 0 0 = = = = = = ± ± ± 0.04 (13.7 ± 0.) Jahre km / s / Mpc ( n B Jahre = (.5 ± 0.1) 10 7 cm 3 )

25 Was ist die kosmologische Konstante? Wir wissen es nicht! Aktuelle Theorien: Vakuumenergie Quintessenz Stringtheorie Supergravitation gebrochene Supersymmetrie Keine dieser Theorien konnte sich bis jetzt durchsetzen. Dunkle Energie!?

26 Ausblick 007 Start des ESA Satelliten Plank Integrierte Sachs Wolfe Effekt Silk Damping Weiterentwicklung der Theorien

27 Quellen Spektrum der Wissenschaft 03/1999, 03/001, 05/005 Physik Journal 0/005 Skript: Einführung in die Astronomie und Astrophysik II Bender/Burkert Klapdor-Kleingrothaus/Zuber: Teilchenastrophysik

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