Beobachtungen. Urknall. Einführung in die Kosmologie. Teleskope: Galaxien. Mini-Urknall im Labor mit Teilchenbeschleuniger hergestellt

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1 Einführung in die Kosmologie Beobachtungen Teleskope: Galaxien 13.7 Milliarden Jahre 95% der Energie des Universums unbekannter Natur Mini-Urknall im Labor mit Teilchenbeschleuniger hergestellt Jahre 10 2 s WMAP Satellit: Fernsehschüssel, womit man das Licht des Urknalls gesehen hat s s Urknall Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,2011 1

2 Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,2011 2

3 Millenium Collaboration Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,2011 3

4 Sloan Sky Survey: ⅓ million galaxies Doppler Verschiebungen -> Geschwindigkeiten der Galaxien Universum: Galaxien 1 Galaxie: Sterne Unsere Galaxie ist hier Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,2011 4

5 Hubble mit dem 2.5m Teleskop in Palomar (ca. 1920) und der heutige Hubble Space Telescope (HTS) Palomar, Kalifornien, USA Hubble Space Telescope Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,2011 5

6 Hubblesches Gesetz: v=hd Analogie: Rosinen im Brot sind wie Galaxien im Universum. Auch hier relative Geschwindigk. der Rosinen Abstand bei der Expansion des Teiches, d.h. rel. Geschwindigkeit v = Hd. Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,2011 6

7 Das Universum EXPANDIERT (entdeckt von Hubble vor ca. 80 Jahren!) Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,2011 7

8 Einteilung der VL 1. Hubblesche Gesetz 2. Gravitation 3. Evolution des Universum Temperaturentwicklung/Kernsynthese Kosmische Hintergrundstrahlung 6. CMB kombiniert mit SN1a 7. Strukturbildung 8. Neutrinos 9. Grand Unified Theories Suche nach DM Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,2011 8

9 Die Säulen der Urknalltheorie Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,2011 9

10 Väter der Urknalltheorie Albert Einstein Alexander Friedmann Georges Lemaître George Gamow Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt Entwicklung von Raum und Zeit Auch Licht empfindet Schwerkraft löst 1922 die Feldgleichungen der ART und zeigt, dass sich das Universum ausdehnen oder zusammenziehen kann. entwickelt 1927 eine Theorie, der zufolge das Universum einst als einziges Teilchen begann. zeigt 1948, wie sich der Kosmos aus einem heißen Anfangszustand entwickelt haben könnte und sagt die kosmische Hintergrundstrahlung voraus. Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

11 Einführung in die Kosmologie Teleskope: Galaxien Mini-Urknall im Labor mit Teilchenbeschleuniger hergestellt WMAP Satellit: Fernsehschüssel, womit man das Licht des Urknalls gesehen hat. Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

12 Der größte Beschleuniger der Welt: LHC am CERN in GENF in einem 27 km langen Tunnel Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

13 LHC im unterirdischen Tunnel (teilweise unter JURA, sonst kein Platz) Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

14 Produktion von Teilchen im Beschleuniger E=mc 2 macht es möglich Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

15 Blick in den Tunnel Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

16 Bild eines Detektors (CMS) Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

17 AMS-02 Detektor auf der Internationalen Raumstation Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

18 Launch, at 8:56 am (European time) Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

19 Endeavour with AMS Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

20 Einführung in die Kosmologie Teleskope: Galaxien Mini-Urknall im Labor mit Teilchenbeschleuniger hergestellt WMAP Satellit: Fernsehschüssel, womit man das Licht des Urknalls gesehen hat. Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

21 NASA Science Team WMAP: ein Fernsehschüssel zur Beobachtung des frühen Universums WMAP: 1,5 Millionen km von der Erde entfernt (3 Monate Reisezeit, Beobachtung täglich seit 2001) Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

22 NASA Science Team Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

23 Einführung in die Kosmologie Teleskope: Galaxien Mini-Urknall im Labor mit Teilchenbeschleuniger hergestellt WMAP Satellit: Fernsehschüssel, womit man das Licht des Urknalls gesehen hat. Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

24 Hubblesches Gesetz in comoving coordinates d D = S(t) d S(t) = zeitabhängige Skalenfaktor, die die Expansion berücksichtigt. Durch am Ende alle Koordinaten mit Skalenfaktor zu multiplizieren, kann ich mit einem festen (comoving) Koordinatensystem rechnen. D Beispiel: D = S(t) d (1) Diff, nach Zeit D = S(t) d (2) oder D = v = S(t)/S(t) D Oder v = HD mit H = S(t)/S(t) Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

25 Die kritische Energie nach Newton M m v Dimensionslose Dichteparameter: Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

26 Einfluss des Dichteparameters auf die Expansion Offenes Univ. (T>U) Flaches Univ. (U=T, E=0) Geschlossenes Univ. (T<U) Vergleich mit einer Rakete mit U<T, U=T und U>T Radius des sichtbaren Universum S, d.h. S(t) bestimmt Zukunft des Universums! Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

27 Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

28 Universum ist homogen und isotrop auf großen Skalen Dichte bei großen z nimmt ab, weil viele Galaxien nicht mehr sichtbar. homogen, nicht isotrop nicht homogen, isotrop Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

29 Bahnbrecher der Kosmologie Griechen: Bewegung der Himmelskörper Kopernikus: Sonne im Mittelpunkt Galilei: Gravitation unabh. von Masse Brahe: Messungen der Bewegungen von Sternen Kepler: Keplersche Gesetze (Bahnen elliptisch!) Newton: Gravitationsgesetz Halley: Vorhersage des Halley Kometen Einstein: Relativitätstheorie Hubble: Expansion des Universums Urknall Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

30 Aristoteles Erkannte: Mondphasen enstehen durch Umlauf des Mondes um die Erde! (*384 v. Chr.) Erkannte: Sonnenfinsternis bedeutet, daß Mond näher an der Erde ist als die Sonne. Erkannte: Mondfinsternis bedeutet daß die Erde rund ist. Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

31 Erde dreht sich um ihre Achse Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

32 Kopernikus (geb. 1474) Sonne statt Erde im Mittelpunkt (wurde von Aristoteles verworfen, weil es keine Parallaxe gab (damals nicht messbar)) Kopernikus konnte hiermit retrograde Bewegungen erklären. Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

33 Ptolemäisches Modell Ptolemäis nahm an dass Planeten und Sonne um die Erde drehten auf zwei Kugelschalen: große Kugel (Deferent) und kleine Kugel (Epizikel). Damit konnte er erklären warum Jupiter sich von Zeit zu Zeit rückwerts bewegte (retrograde Bewegung) Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

34 Brahe (geb. 1548) d/2 r Brahe mißt 30 Jahre Position von Sternen und Planeten Verwirft wie Aristoteles heliozentrisches Modell, weil er keine Parallaxe beobachten konnte und sich nicht vorstellen konnte dass, wenn die Sterne so weit entfernt wären,sie noch sichtbar wären. Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

35 Kepler (geb. 1571) Kepler konnte Brahes Daten nur erklären, wenn Bahnen nicht die von jedem erwartete Kreissymmetrie aufwiesen UND auch noch die Sonne statt die Erde umkreisten!!!!!!!!!!!!!!! Elliptische Bahnen -> Keplersche Gesetze. Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

36 Galilei (geb. 1564) Erdbeschleunigung universell und unabhängig von Masse Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

37 Übungen Kosmologie Vorlesung Einführung in die Kosmologie de Boer 2 SWS Mo 14:00 15:30 Geb Raum Übungen de Boer, Iris Gebauer 1 SWS Do.14:00-15:30 Sem PHH (ab ) Folien auf: Übungen auf: Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

38 Kosmologie und Studienplan Schwerpunktfach 20 ECTS =v4u2+v2u1+v2u1 Ergänzungsfach 14 ECTS= v2u2 +v2u1 Nebenfach 8 ECTS= v2u2 Einschränkungen: eins der Fächer muss theoretisch und eins muss experimentell sein. Ergänzungsfach darf nicht aus dem Bereich der Nebenfächer (Elektronik, Datenanalyse) sein, es sei denn dieses Fach ist auch in einer der 7 Themenbereiche (TFK,TTP,ETP,ESTP,Nano, FK, Optik) vermerkt. Ergänzungsfach darf nicht im gleichen Bereich wie Schwerpunktfach sein. (wenn wir Astroteilchenphysik nicht als Schwerpunktfach durchbringen, muss Ergänzungsfach evtl. Festkörperphysik sein) Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

39 Kosmologie für Teilchenphysiker Schwerpunktfach (benotet im Abschluss) exp. Teilchenphysik I (v2u2=8p), eine der exp. Teilchenphysik II VL (v2u1=6p) Datenanalyse (v2u1=6p) Total=20ECTS Ergänzungsfach: (benotet im Abschluss) (darf keine Module aus dem Schwerpunktfach enthalten) Astroteilchenphysik I (v4u2=8p) Detektoren oder Elektronik oder eine der weiteren Astroteilchenphysik VL (v2u1=6p) Total=14 ECTS Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

40 Kosmologie für Teilchenphysiker Nebenfach: (NICHT benotet im Abschluss) Theoretische Teilchenphysik (v4,u2) (=12 ECTS) Obwohl nur 8 gebraucht werden, bekommt man 50% mehr ECTS bei TTP, aber es gibt kein Theorie-light in der Teilchenphysik. Man kann natürlich ein nicht theoretisches Nebenfach nehmen (Elektronik, Datenanalyse) und TTP1 als Ergänzungsfach nehmen, aber dann wird es benotet. Aber man sollte als Detektorbauer eine sehr gute Note bei TTP1 als Ergänzungsfach bekommen, wenn man nachher promovieren möchte. Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

41 Schwerpunktfach (benotet im Abschluss) Astroteilchenphysik I (v2u2=8p), Astroteilchenphysik II (v2u1=6p), Kosmologie (v2u1=6p) Total=20ECTS Kosmologie für Astroteilchenphysiker Ergänzungsfach: (benotet im Abschluss) (darf keine Module aus dem Schwerpunktfach enthalten) Datenanalyse(v4u2=8P) (v4u2=8p) Detektoren oder Beschleunigerphysik (v2u1=6p) Total=14 ECTS Nebenfach: (NICHT benotet im Abschluss) Theoretische Teilchenphysik (v4,u2) (=12 ECTS) Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

42 Literatur 1. Vorlesungs-Skript: 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, Dodelson: Modern Cosmology Academic Press Ryden: Introduction to cosmology Addison 2003 Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

43 Literatur Weitere Bücher: Weigert + Wendker, Astronomie und Astrophysik Populäre Bücher: Silk: A short history of the universe Weinberg: Die ersten drei Minuten 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 Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

44 Literatur Bibel der Kosmologie: Börner: The early Universe Kolb and Turner: The early Universe Gönner: Einführung in die Kosmologie Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,

45 Zum Mitnehmen: 1. Gravitation bestimmt Geschehen im Weltall 2. Comoving coordinates erlauben Rechnungen OHNE die Expansion zu berücksichtigen. Nachher werden alle Abstände und auch die Zeit mit dem Skalenfaktor S(t) () multipliziert. 3. Hubblesches Gesetz: v=hd v aus Rotverschiebung D aus Entfernungsleiter (VL 2.) H = Expansionsrate = v/d = h 100 km/s/mpc h = = Hubblekonstante in Einheiten von 100 km/s/mpc Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 17.10,