Astroteilchenphysik I

Transkript

1 Asoeilchenphysik I Winesemese 2012/1 Volesung # 2, Guido Dexlin, Insiu fü Expeimenelle Kenphysik Fühes Univesum - Hubble-Expansion - Uknall: Gundlagen - Expansionsdynamik: a & Zusandsgleichungen - Fiedmann-Lemaîe Gleichung - I KIT Univesiy of he Sae of Baden-Wüembeg and Naional Lage-scale Reseach Cene of he Helmholz Associaion

2 ATP Übungen Übungen ATP-I: 2 Übungsguppen jeweils 2-wöchige Tunus - bishe 5 Anmeldungen, wi seben an Sudieende - Guppe II fü Sudieende, die am Mi. Pakikumsemin haben - Guppe I: Mi. 14:00-15:0 O: kleine HS B - Guppe II: Mi. 08:00-09:0 O: SR Thomas Thümmle homas.huemmle@ki.edu Sefan Göhad Sefan Goh sefan.goehad@ki.edu sefan.goh@ki.edu G. Dexlin VL02

3 Asoeilchenphysik: kosmische Evoluion 4 Epochen des Univesums: quanendominiees sahlungsdominiees maeiedominiees L-dominiees Univesum dunkle Maeie CMB Quanengaviaion G. Dexlin VL02 Supenovae Ia

4 2. Fühes Univesum 2.1 Pimodiale Nukleosynhese 2.2 Kosmische Hinegundsahlung CMBR G. Dexlin VL02

5 Die Säulen des Uknall Modells G. Dexlin absolue n mass

6 Die Säulen des Uknall Modells Hubble-Expansion Nukleosynhese K Hinegundsahlung G. Dexlin VL02

7 Hubble Expansion des Univesums 1929: E. Hubble unesuch Spekallinien enfene Galaxien am 100-inch Moun-Wilson Teleskop: Roveschiebung z Fluchgeschwindigkei v linea abhängig von Enfenung v = H 0 H 0 = 464 km/s po Mpc heue: M1 Spekallinien d = 0.8 Mpc sind blauveschoben! Edwin Hubble Oiginalpublikaion E. Hubble G. Dexlin VL02

8 Hubble Expansion: Roveschiebung z l 0 l klassische inkoeke! Inepeaion: Roveschiebung z enseh duch elaivisische Doppleveschiebung enlang Beobache-Sichlinie Roveschiebung z l l0 l 0 1 z l l 0 1 v z 1 1 c v c Robeson-Walke Meik l 0 l Kinemaik l 0 Galaxis l allgem. Relaiviäsheoie bei Emission uhende Quelle bei Nachweis bewege Quelle v Expansion de Raumzei Roveschiebung Sonne BAS11 Fluchgeschwindigkei v G. Dexlin VL02

9 e. Enfenung Enfenung [Mpc] Messung de Hubblekonsanen H 0 heuige expeimenelle Mielwe fü die Hubble-Konsane H 0 HST, Chanda-Mission, SNae, H 0 = 72 ± sa ± 7 sys km/s Mpc -1 mi H 0 = h 100 km/s Mpc km/s po Mpc Hubble-Paamee Roveschiebung z Roveschiebung z & Enfenung in Mpc G. Dexlin VL02

10 el. Veeilung Wahscheinlichkeisdiche Messung de Hubblekonsanen H 0 heuige expeimenelle Mielwe fü die Hubble-Konsane H 0 HST, Chanda-Mission, SNae, H 0 = 72 ± sa ± 7 sys km/s Mpc -1 mi H 0 = h 100 km/s Mpc G. Dexlin VL02 Hubblekonsane H 0 [km/s Mpc -1 ] expeimenelle Wee fü H 0 & sys. Fehle

11 Uknall: Explosionsmechanismus? G. Dexlin VL02

12 Uknall: Gundlage de Roveschiebung? G. Dexlin VL02

13 Uknall: Fluchgeschwindigkeien v > c? G. Dexlin VL02

14 Uknall: Lich von Galaxien mi v > c? G. Dexlin VL02

15 Uknall: welche Gebiee expandieen? Galaxiencluse G. Dexlin VL02

16 Uknall: Göße des beobachbaen Univesums? G. Dexlin VL02

17 SNIae & beschleunige Expansion Expansion de Raumzei fü Absände > 2 Gpc: zunehmend nich-lineaes Vehalen dunkle Enegie zeiliches Vehalen de kosmischen Expansionsae H? HST: Supenova 1994d HST wei enfene SNIa ACS G. Dexlin VL02

18 Hubble-Konsane H 0 & Hubble-Paamee H Bescheibung de adialen Expansion im homogenen Univesum: äumlichekoodinae mi a x a = kosmische Skalenfako Feslegung: heuiges Univesum [ = 0 ] : a 0 = 1 dimensionslose Fako x = mibewege Koodinae comoving obseve, zeiunabhängig Definiion de Expansionsae H: a H Hubble-Paamee: H a Vehälnis de Ändeung des Skalenpaamees zu seine Göße a x v H Hubble s Gesez wie ände sich H auf kosmischen Zeiskalen? G. Dexlin VL02

19 Dynamik de Expansion Beschleunigung ä des Skalenfakos a: in Newon sche Beachung füh de Einfluss de Eigengaviaion nichelaivisische Maeie auf die Expansion des Univesums a zu Abbemsung de Bewegung: ä < km/s po Mpc 40 Hubble-Paamee Si Isaac, wie sak ände sich mein Paamee? G. Dexlin VL02

20 Dynamik de Expansion Modell: beache Kugelschale mi fesem Radius x, die eine fese Masse Mx mi eine Massendiche = 0 / a einschliess Mx = 4/ p 0 x = 4/ p a x Mx Modell ha den Voeil, dass kein gaviaive Beiag von aussehalb, da Kugelsymmeie vgl. Physik I, weiehin gil Massenehalung! a / x x / a G. Dexlin VL02

21 Dynamik de Expansion Newon sche Gaviaionsbeschleunigung.. GM x 2 4 p G a a 2 x x 2 Mx Edwin, dami egib sich fü ä als Beschleunigung des Skalenpaamees: 4 a p G a x a x / x / a Mx = 4/ p a x G. Dexlin VL02

22 Dynamik de Expansion Ändeungen in de ART - alle Enegiefomen wiken gaviaiv! a ducklose Maeie m b Sahlungsfelde c Enegiediche L des Vakuums V d Duck P - de Raum selbs expandie & is gekümm T µ n p p p Enegie-Impulsenso a a 4 pg G. Dexlin VL02 > 0 : Abbemsung Albe Einsein 1915

23 Dynamik de Expansion I. Bewegungsgleichung: a a 4 pg m Maeie: Sahlung: Vakuumenegie: v m V» m» V m» V» V» m» G. Dexlin VL02

24 Dynamik de Expansion - Zusandsgleichung I. Bewegungsgleichung: a a 4 pg m v Zusandsgleichungen: Maeie bayonische & dunkle Maeie: duckfei, da Duck P «c 2 Saub nu hemische Geschwindigkei v m «c P m = 0 Sahlung K Hinegundsahlung: posiive Duck, da k B T» m c 2 Phoonen elaivisische Geschwindigkei c P = ⅓ c 2 Vakuumenegie kosmologische Konsane: negaive Duck, da U ~ V und du = P dv P V = - V c 2 U, du = innee Enegie posiiv!, dv = Volumenzunahme posiiv! G. Dexlin VL02

25 G. Dexlin VL02 Dynamik de Expansion I. Gleichung I. Expansionsgleichung: 2 4 c P G a a p ohne Duck P mi Duck P aus ART G p V V p 8 L v m 4 2 L c P G a a p 2 c p v V explizi mi kosmologische Konsane L I. Expansionsgleichung: 2 1 c p 4 G a a p