W. de Boer, Karlsruhe 1

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1 Die Entdeckung des Urknalls W. de Boer, Karlsruhe 1

2 Urknall Unendlich heiße und dichte Anfangssingularität, in der physikalische Gesetze, Raum und Zeit zusammenbrechen Anfang von Raum und Zeit Urknalltheorie Beschreibung der Ereignisse unmittelbar nach dem Urknall Erste s noch nicht zugänglich g mit gegenwärtigen g g Theorien Zeitliche Entwicklung des Universum bis heute W. de Boer, Karlsruhe 2

3 Die 3 Säulen der Urknalltheorie Urknalltheorie Rotverschiebung/ Hubble Expansion beweist, es gab einen Urknall 3K Kosmische Hintergrund Strahung beweist, universum war früher heißes Plasma Nukleosynthese eweist, Materie entstand aus einem Plasma W. de Boer, Karlsruhe 3

4 Das Universum Kosmologie 13.7 billion years 95% of energy in universe of unknown nature Astroteilchenphysik Astronomie 10 2 s Teilchenphysik Elementarteilchen t s s Urknall W. de Boer, Karlsruhe 4

5 Literatur 1. Vorlesungs-Skript/Folien: 2. Matts Roos: An Introduction to Cosmology Wiley, 3th Edition, Lars Bergström and Ariel Goobar: An Introduction to Cosmology Springer, 2nd Edition, Bernstein: An Introduction to Cosmology Prentice Hall, 1995 W. de Boer, Karlsruhe 5

6 Literatur Populäre Bücher: Weinberg: Die ersten drei Minuten Silk: A short history of the universe Hawking: A brief History of Time Fang and Li: Creation of the Universe Parker: Creation Vindication of the Big Bang Ledermann und Schramm: Vom Quark zum Kosmos W. de Boer, Karlsruhe 6

7 Literatur Bibel der Kosmologie: Börner: The early Universe Kolb and Turner: The early Universe Gönner: Einführung in die Kosmologie W. de Boer, Karlsruhe 7

8 Temperaturentwicklung des Universums W. de Boer, Karlsruhe 8

9 Hubble mit dem 2.5m Teleskop in Palomar (CA) (ca. 1920) und der heutige Hubble Space Telescope (HTS) Palomar, Kalifornien, USA W. de Boer, Karlsruhe 9

10 Millenium Simulation W. de Boer, Karlsruhe 10

11 Sloan Sky Survey: ⅓ million galaxies Doppler Verschiebungen -> Geschwindigkeiten der Galaxien Universum: Galaxien 1 Galaxie: Sterne Unsere Galaxie ist hier W. de Boer, Karlsruhe 11

12 Rotverschiebung Rel. Doppler Verschiebung: Annäherung v<0: Blauverschiebung Entfernung v>0: Rotverschiebung Erwartung bei statischem Universum: Geschwindigkeiten der Galaxien sind zufällig verteilt. W. de Boer, Karlsruhe 12

13 Das Universum EXPANDIERT (entdeckt von Hubble vor ca. 80 Jahren!) UND v=hd v d W. de Boer, Karlsruhe 13

14 Hubblesche Gesetz: v=hd Modell: dllb backender Rosinenkuchen Jede Rosine (Galaxie) sieht andere Galaxien von sich wegfliegen mit v=hd (brauche also NICHT im Zentrum zu sitzen um Urknall zu beobachten) W. de Boer, Karlsruhe 14

15 Altersabschätzung des Universum S 1/T t 2/3 Berücksichtigung S t 2/3 0 =1/H 0, uni =2/3 0 Richtige Antwort: d=vt oder t=d/v 1/H Zeit der Ausdehnung Alter des Universums 13,7 Milliarden Jahre t uni 1/H 0 13, a, da durch Vakuumenergie nicht-lineare Terme im Hubbleschen Gesetz auftreten t (entsprechend abstoßende Gravitation). W. de Boer, Karlsruhe 15

16 Wie groß ist das (sichtbare) Universum? Licht ist die schnellste Kommunikation (Lichtgeschwindigkeit c), so ein Lichtstrahl kann maximal 13,7 Milliarden Lichtjahre zurückgelegt g haben. Dies entspricht einem Abstand D=ct= m/s x Jahre x 3,15 x10 7 s/jahr= ca m (Unter Berücksichtigung der Expansion: D=3ct) Dieses sichtbare Teil ist vermutlich ein sehr kleiner Teil unseres Universums Zum Vergleich: unsere Galaxie ist ca m groß, Das sind ca Lichtjahre. h Raumschiff mit Lichtgeschwindigkeit braucht also Jahre um durch unsere Galaxie zu fliegen! Es ist gut möglich, dass es schon sehr viel ältere Universen gibt, denn vermutlich gab es viele Big Bangs W. de Boer, Karlsruhe 16

17 Nucleosynthese Kosmologie 13.7 billion years 95% of energy in universe of unknown nature Astroteilchenphysik Astronomie 10 2 s Teilchenphysik Elementarteilchen t s s Urknall W. de Boer, Karlsruhe 17

18 Nukleosynthese W. de Boer, Karlsruhe 18

19 Nukleosynthese Nach t=1.5 s nur noch Neutronenzerfall und Kernsynthese durch starke Wechselwirkung, aber keine schwache Wechselwirkungen mehr W. de Boer, Karlsruhe 19

20 Nukleosynthese W. de Boer, Karlsruhe 20

21 Nukleosynthese W. de Boer, Karlsruhe 21

22 Kosmische Hintergrundstrahlung Kosmologie 13.7 billion years 95% of energy in universe of unknown nature Astroteilchenphysik Astronomie 10 2 s Teilchenphysik Elementarteilchen t s s Urknall W. de Boer, Karlsruhe 22

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24 Schwarzkörperstrahlung: ein Thermometer des Universums Rotverschiebung: z=( - 0 0) )/ 0 1+z= / 0 Erwarte Plancksche Verteilung der CMB mit einer Temperatur T= 2.7 K, denn T 1/S 1/1+z. Entkoppelung bei T=3000 K, z=1100. T jetzt also 3000/1100 =2.7 K Dies entspricht λmax 2 mm (Mikrowellen) W. de Boer, Karlsruhe 24

25 Bell Labs (1963) Penzias and Wilson Nobel prize 1967 Observing the Cosmic Microwave Background (CMB) COBE satellite (1992) Mather and Smooth (2003) Nobel prize 2006 WMAP satellite 2003:WMAP: universe is flat, which implies an energy density ρ critical = g/cm 3 W. de Boer, Karlsruhe 25

26 The oval shapes show a spherical surface, as in a global map. The whole sky can be thought of as the inside of asphere. Patches in the brightness are about 1 part in 100,000 = a bacterium on a bowling ball = 60 meter waves on the surface of the Earth. W. de Boer, Karlsruhe 26

27 Licht des frühen Universums sichtbar als kosmischer Hintergrundstrahlung (CMB) W. de Boer, Karlsruhe 27

28 Dichtefluktuationen zeigen Wellencharakter, sowohl im Ozean als in der CMB Blick vom Satelliten auf die Erde Blick vom Satelliten ins Universum WMAP Temperatur des Universum: ,001K mit kleinen Schwankungen von einigen K durch akustische Wellen im Plasma des Urknalls W. de Boer, Karlsruhe 28

29 Entwicklung des Universums Early Universe The Cosmic screen Present Universe W. de Boer, Karlsruhe 29

30 Warum akustische Wellen im frühen Universum? Definiere: δ=δρ/ρ ρ F=ma P Newton: F=ma δ``+(druckgravitation) + (Druck-Gravitation) δ=0 F G Lösung: Druck gering: δ=ae bt, d.h. exponentielle Zunahme von δ (->Gravitationskollaps) Druck groß: δ=ae ibt, d.h. Oszillation von δ (akustische Welle) Rücktreibende Kraft: Gravitation Antreibende Kraft: Photonendruck W. de Boer, Karlsruhe 30

31 Die ersten akustischen Wellen des Urknalls a) Gas wird durch Gebiete mit Überdichte angezogen dunkel Verdünnung Verdichtung hell dunkel Verdünnung b) Es expandiert nach Kompression durch Überhitzung hell Verdichtung dunkel Verdünnung hell Verdichtung c) Es komprimiert wieder nach Abkühlung Diese oszillierende Dichteschwankungen SIND akustische Wellen W. de Boer, Karlsruhe 31

32 Akustische Peaks 1. akust. Peak t=t rec (= a) t=1/2t rec 2. akust. Peak t=1/2t rec t=1/3t rec 3. akust. Peak W. de Boer, Karlsruhe 32

33 Akustische Wellen im frühen Universum Überdichten am Anfang: Inflation W. de Boer, Karlsruhe 33

34 Klang des Urknalls nach Jahren (transponiert um 50 Oktaven nach oben) Click for sound non-acoustic acoustic Mark Whittle Beachte: am Anfang n gab es keinen Knall, sondern absolute Ruhe! A 220 Hz Linewea aver Frequency (in Hz) W. de Boer, Karlsruhe 34

35 A broad note sounds quite different from a pure tone The difference seems greatest for the lowest note. Single tone Pure sine wave Spread of tones ~200 Hz range W. de Boer, Karlsruhe 35

36 Warum sind Töne des Urknalls so tief? WEIL DAS UNIVERSUM SO GROß IST! Mark Whittle W. de Boer, Karlsruhe 36

37 Licht wird gekrümmt wenn Energiedichte 0 Nach Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie: Licht wird in einem Gravitationsfeld abgebogen. This picture made Einstein famous Stars Sun Mond Moon Earth Nur wenn die gesamte Gravitationsenergie gleich Null, bewegt sich Licht auf gerade Linien ( flat universe ) Beachte: wenn Masse des Sterns so groß ist, dass Licht gefangen wird, dann hat man ein schwarzes Loch. Entsteht nur wenn Stern ausgebrannt ist und Masse auf ein kleines Volumen zusammenstürzt (nach Supernovae Explosion) W. de Boer, Karlsruhe 37

38 Position des ersten akustischen Peaks bestimmt Krümmung des Universums W. de Boer, Karlsruhe 38

39 Position des ersten Peaks Raum-Zeit t x Inflation Entkopplung Berechnung der Winkel, worunter man die maximale Temperaturschwankungen der Grundwelle beobachtet: Maximale Ausdehnung einer akust. Welle zum Zeitpunkt trec: c s * trec (1+z) Beobachtung nach t 0 = yr. max. T / T unter 1 0 Öffnungswinkel θ = c s * t rec * (1+z) / c*t 0 Mit (1+z)= 3000/2.7 =1100 und trec = 3, yr und Schallgeschwindigkeit c s =c/ 3 für ein relativ. Plasma folgt: θ = = (plus (kleine) ART Korrekt.) Beachte: c s2 dp/d = c 2 /3, da p= 1/3 Schlussfolgerung aus Position des ersten akustischen Peaks: Universum ist flach, d.h. Gesamtenergie U+T=0! Oder Universum hat kritische Dichte. W. de Boer, Karlsruhe 39

40 Berechnung der kritische Dichte nach Newton M m v Dimensionslose Dichteparameter: W. de Boer, Karlsruhe 40

41 WMAP analyzer tool W. de Boer, Karlsruhe l 41

42 Schlussfolgerungen aus Beobachtungen der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB=Cosmic Microwave background) Das Universum war am Anfang unglaublich heiss (wegen der hohen Intensität der heutigen CMB: 400 Photonen/cm 3 ) Position des ersten akustischen Peaks zeigt: Licht geht gerade aus, d.h. keine gekrümmte Bahnen, d.h. Gesamtenergiedichte entspricht kritische Dichte von ca g/cm 3 Dies ist MEHR als die bekannte Materie, die nur 4% der kritischen Dichte ausmacht! Daher 96% der Energie ist unbekannter Natur!!!! W. de Boer, Karlsruhe 42

43 Energieinhalt des Universums Nur Atome gut verstanden, d.h. 96% der Energie des Universums völlig unbekannt! Dark Energy sind Quantenfluktuationen? WIMP=Weakly Interacting Massive Particle Unterschied zwischen DE und DM: Vorzeichen der Gravitation: DE hat abstoßenden Gravitation Cold Dark Matter sind supersymmetrische Partner der Photonen? LHC wird diese produzieren? W. de Boer, Karlsruhe 43

44 Vakuumenergie abstoßende Gravitation Vakuumenergie and cosmological constant both produce repulsive gravity equivalent! W. de Boer, Karlsruhe 44

45 Erste Evidenz für Vakuumenergie W. de Boer, Karlsruhe 45

46 SNIa compared with Porsche rolling up a hill SNIa data very similar to a dark Porsche rolling up a hill and reading speedometer regularly, i.e. determining v(t), which can be used to reconstruct x(t) = v(t)dt. (speed distance, for universe Hubble law) This distance can be compared later with distance as determined from the luminosity of lamp posts (assuming same brightness for all lamp pposts) (luminosity distance, if SN1a treated as standard candles with known luminosity) If the very first lamp posts are further away than expected, the conclusion must be that the Porsche instead of rolling up the hill used its engine, i.e. additional acceleration instead of decelaration only. (universe has additional acceleration (by dark energy) instead of decelaration only) W. de Boer, Karlsruhe 46

47 Abstand Perlmutter 2003 Zeit W. de Boer, Karlsruhe 47

48 Vergleich mit den SN 1a Daten SN1a empfindlich für Beschleunigung, g, d.h.. - m CMB empfindlich für totale Dichte d.h. + m = ( SM + DM ) W. de Boer, Karlsruhe 48

49 Indirect DM detection Kosmologie 13.7 billion years 95% of energy in universe of unknown nature Astroteilchenphysik Astronomie 10 2 s Teilchenphysik Elementarteilchen t s s Urknall W. de Boer, Karlsruhe 49

50 Expansion rate of universe determines WIMP annihilation cross section Thermal equilibrium abundance Actual abundance er densi ity Comovin ng numb T=M/22 T>>M: f+f->m+m; M+M->f+f T<M: M+M->f+f T=M/22: M decoupled, stable density (when annihilation rate expansionrate, i.e. =< v>n (x fr ) H(x fr )!) WMAP -> h 2 = > < v>= cm 3 /s DM increases in Galaxies: 1 WIMP/coffee cup 10 5 <ρ>. DMA ( ρ 2 ) restarts t again.. Annihilation into lighter particles, like quarks and leptons -> 0 s -> Gammas! x=m/t Jungmann,Kamionkowski, Griest, PR 1995 WS08/09 Only assumption in this analysis: WIMP = THERMAL RELIC! W. de Boer, Karlsruhe 50 50

51 Indirekte Suche nach Dunkler Materie Annihilationsprodukte Dunkler Materie: Gamma rays (EGRET, FERMI) Positronen (PAMELA) Antiprotonen (PAMELA) e+ + e- (ATIC, FERMI, HESS, PAMELA) Neutrinos (Icecube, no results yet) e-, p ertrinken in kosmischer Strahlung W. de Boer, Karlsruhe 51

52 G.F cm 2 sr Exposure > 3 yrs dp/p 2 ~ TV, p rejection = 10-5 (ECAL +TRD); Δx=10µm; Δt=100ps W. de Boer, Karlsruhe 52

53 AMS to be launched in 2011 AMS W. de Boer, Karlsruhe 53

54 Model of AMS-02 on ISS W. de Boer, Karlsruhe 54

55 Zum Mitnehmen a) Der Urknall experimentell bewiesen u.a. durch die Hubble Expansion der Galaxien mit v=hd die Kernsynthese die kosmische Hintergrundstrahlung aus dem frühen Universum mit akustischen Peaks des Urknalls, d.h. man hat den Urknall gehört. b) Große Fragen der Kosmologie und Teilchenphysik: ik: Woraus besteht 95% der unbekannte Energie des Universums? (dunkle Materie, dunkle Energie,.) Antworten erhofft vom LHC und Raumfahrtexperiment AMS W. de Boer, Karlsruhe 55