Kosmologie. Eine kurze Einführung. Sarah Aretz CERN

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1 Kosmologie Eine kurze Einführung Sarah Aretz CERN

2 Worum geht es in der Kosmologie? Κοσμολογία = Lehre von der Welt Beschreibung des Universums durch physikalische Gesetze 2

3 Kosmologische Fragestellungen Woraus besteht das Universum? Wie sieht seine Struktur aus? Was ist sein Ursprung? Können wir die Geschichte des Universums rekonstruieren? Wo geht die Reise hin? 3

4 Inhaltsübersicht Dimensionen unseres Universums Dynamik des Universums Eine Reise durch die Zeit Rätsel des Universums 4

5 Dimensionen des Universums 5

6 Das kosmologische Prinzip Auf genügend großen Skalen betrachtet ist das Universum homogen und isotrop Wir befinden uns nicht an einem speziellen Ort isotrop, aber nicht homogen homogen, aber nicht isotrop homogen und isotrop 6

7 Die Erde: km Durchmesser 7

8 Das Sonnensystem: 10 Milliarden km Durchmesser 8

9 Unsere Milchstrasse: 1, km = Lichtjahre Durchmesser 9

10 Andromedagalaxie: Entfernung 2.5 Millionen Lichtjahre 10

11 Lokale Gruppe: 8 Millionen Lichtjahre Durchmesser 11

12 Virgo Superhaufen: 130 Millionen Lichtjahre Durchmesser 12

13 13

14 Hubble Extreme Deep Field 14

15 15

16 Dynamik des Universums 16

17 Das Universum ist grösser als gedacht! 1924 Edwin Hubble Mt. Palomar Teleskop Beobachtung von Nebeln Nachweis der Existenz von Galaxien außerhalb der Milchstraße 17

18 Messung der Rotverschiebung Emissionslinien Spektroskopie im Labor Wellenlänge [Å] 18

19 Kosmologische Rotverschiebung vs. Doppler-Effekt Die Kosmologische Rotverschiebung ist vergleichbar mit einer Rotverschiebung durch relative Bewegung von Quelle und Beobachter 19

20 Kosmologische Rotverschiebung Der Raum selbst dehnt sich aus und streckt dabei die Wellenlänge der Photonen. 20

21 Kosmologische Rotverschiebung 21

22 Entfernungsleiter 22

23 Type Ia Supernova white dwarf Chandrasekhar limit: M 1.4 M sun 23

24 Standardkerzen und Helligkeiten 24

25 Beispiel einer Supernova von 2011 Supernovae können kurzzeitig soviel Energie wie eine ganze Galaxie freisetzen! 25

26 Das Universum expandiert! 1929 Rotverschiebung proportional zur Distanz der Galaxien (Galaxienflucht) Hubble-Gesetz: v = Ho d Ho = 530 km/s / Mpc!! 26

27 Der heutige Wert der Hubble- Konstanten Heute: H = 67,3±1,2 km s -1 Mpc -1 27

28 Konsequenzen der kosmischen Expansion Je weiter wir in die Vergangenheit schauen, desto kleiner war das Universum. Rückschluss auf den Urknall (Big Bang) 28

29 Eine Reise durch die Zeit 29

30 30

31 Vereinheitlichung der Kräfte Alter s: Starke und elektro-schwache Kraft trennen sich 31

32 Inflation 32

33 Vernichtungsschlacht 33

34 Nukleosynthese 34

35 Kernfusion Fusion bei Teilchenkollisionen Fusion benötigt hohe Temperaturen und große Teilchendichten 35

36 Primordiale Nukleosynthese Erklärt die Häufigkeit der leichten Elemente 74 % Wasserstoff 25 % Helium 1 % Rest Baryonische Dichte etwa 3, g/cm 3 oder 0,2 Wasserstoffatome/m 3 36

37 Rekombinatio n 37

38 Rekombination Unterhalb von T = 3000 K (t = a) können sich neutrale Atome bilden Die Photonen streuen danach nicht mehr an freien Elektronen Das Universum wird durchsichtig! 38

39 Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) Bei der Rekombination sind die Photonen im thermischen Gleichgewicht mit Elektronen und Atomkernen Ihr Energiespektrum ist das eines schwarzen Körpers ( Planckspektrum ) 39

40 Entdeckung des CMB 1964 fanden Penzias und Wilson ein Rauschen, das sie nicht erklären konnten (1978) 40

41 Satelliten zur Untersuchung der CMB COBE Cosmic Background Explorer Nobelpreis 2006 (Smoot & Mather) WMAP Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Planck

42 Nächstes Problem für die Urknalltheorie... Die zweite Analyse zeigte keine Variationen auf einem Level von 1 zu ! Woher kommen die Galaxien, wenn nicht von Dichtefluktuationen? 42

43 Das Echo des Urknalls 43

44 Das Echo des Urknalls Der CMB ist extrem isotrop mit einer Temperatur von T CMB = 2,725 K. Die Temperaturunterschiede befinden sich im Bereich von Mikrokelvin! Planck 44

45 Das Spektrum des CMB 45

46 Strukturbildung 46

47 Galaxienverteilung In der Vergangenheit war das Universum homogener als heute: Jeder Punkt ist eine Galaxie! 47

48 Von der Karte zum Spektrum Die Theorie ist nicht in der Lage, die genaue Position einzelner heißer oder kalter Flecken vorherzusagen Stattdessen: Vorhersage von statistischen Eigenschaften der Temperaturkarte (zum Beispiel Mittelwert, Varianz, Korrelationen, ) 48

49 Das CMB-Winkelleistungsspektrum ungefährer Winkelabstand Typische Größe der heißen und kalten Flecken Multipolmoment 49

50 Theoretische Vorhersage des CMB-Spektrums Räumliche Krümmung Vakuumenergiedichte Baryonenergiedichte Materieenergiedichte Das theoretische CMB- Spektrum hängt vom Modell und den Werten gewisser kosmologischer Parameter ab Vergleich mit gemessenem Spektrum erlaubt es, zwischen verschiedenen Modellen zu unterscheiden und die Werte der unbekannten Parameter zu bestimmen 50

51 Das kosmologische Standardmodell Das einfachste Modell, mit dem sich CMB-Daten erklären lassen (Ockham s Rasiermesser!) Dunkle Energie?!?! (Vakuumenergie) Etwa 95% des Universums sind unbekannt Dunkle Materie?! Normale Materie 51

52 Rätsel des Universums Was ist Dunkle Materie? 52

53 Rotationskurven von Galaxien Rotationsgeschwindigkeit gemessen erwartet (von sichtbarer Materie) Radialer Abstand [Lichtjahre] 53

54 Galaxien Cluster CL

55 Gravitationslinsen Massive Objekte krümmen die Raumzeit und verzerren dadurch das Licht dahinterliegender Objekte. 55

56 Gravitationslinsen Galaxienhaufen Abell 2218 Dadurch sind Lichtbögen der dahinterliegenden Objekte zu sehen. 56

57 Strukturbildung im frühen Universum 57

58 Zeitalter der dunklen Energie 58

59 59

60 Kosmologie des 21. Jahrhunderts Dunkle Materie Woraus besteht sie, was sind ihre Eigenschaften? Oder doch ein anderes Modell (z.b. MOND)? Dunkle Energie Was ist dies für eine Art von Energie? Wie beeinflusst sie die Expansion des Universums? Inflation Können wir experimentelle Bestätigungen finden? Wenn ja, was hat sie verursacht? Materie-Antimaterie-Asymmetrie Woher kommt der winzig kleine Überschuss an Materie, aus dem alles um uns herum aufgebaut ist? Der Zeitpunkt des Urknalls Finden wir eine vereinheitlichte Theorie, die den Anfang des Universums beschreibt? Schicksal des Universums... 60

61 cosmology.web.cern.ch 61

62 Schülervorstellungen zur Urknalltheorie Der Fragebogen 62

63 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 63

64 Gibt es noch Fragen? 64

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