Physik 4: Skalen und Strukturen

Transkript

1 Physik 4: Skalen und Strukturen Kapitel : Kosmologie und Astrophysik.1 Kosmologie und ART.2 Wichtige Episoden.3 Galaxien & Sternentwicklung

2 Durchlässigkeit der Atmosphäre

3 Observatorien ESO Südsternwarte Alma Radioteleskope Hubble Teleskop Herschel Infrarot Teleskop

4 Hochenergetische Gamma-Strahlung H.E.S.S. Cherenkov-Teleskope Namibia

5 Radio Infrarot Sichtbares Licht Röntgen Gamma (ev) 1 Oktaven

6 Radio infrarot sichtbar Röntgen Gamma (10-6 ev)

7 Radio infrarot sichtbar Röntgen Gamma (10-2 ev)

8 Radio infrarot sichtbar Röntgen Gamma (10 3 ev)

9 Radio infrarot sichtbar Röntgen Gamma Fermi/LAT bright source list: arxiv:

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11 Adaptive Optik Keck-Observatorium: Blick ins Zentrum unserer Milchstraße

12 Das Hubble Ultra-Deep Field Hubble-Space- Teleskop 3-monatige Belichtungszeit Auf großen Skalen ist Universum homogen und isotrop. Die Milchstrasse ist nur eine von Milliarde

13 Galaxien in der Tiefe des Universums

14 Bestimmung der Rotverschiebung Auschnitte der Spektren

15 Dopplerverschiebung von Spektrallinien Absorptionslinien Emissionslinien Absolute Verschiebung: ~ 3 nm ~ 0 nm Relative Verschiebung z: ~ ~ Geschwindigkeit: v ~ c z ~ 3 x 10 8 x ~ 2.1 x 10 4 m/s Entfernung: d = v / H 0 ~ 2.1 x 10 4 /(2.3 x ) m ~ m ~ 10 8 LJ ~ 1/30 Gpc

16 Hubble-Gesetz

17 Vorsicht bei kleinen Distanzen!

18 Albert Einstein, 19 Jahre... Kapitel Übrigens: Einstein war weder schlecht in der Schule... ( 6 ist die BESTE Note in der Schweiz...)

19 ... Noch war er ungeschickt und spinnert... hielt mehrere Patente (z.b. Kreiselkompass)

20 Beschleunigung ersetzt Gravitation... Erde Weltall Schwerkraft und Beschleunigung ununterscheidbar

21 Freier Fall schaltet Gravitation aus... Erde Weltall Man kann Schwerkraft wegtransformieren...

22 Künstliche Schwerelosigkeit Flugzeug folgt Wurfparabel: kräfteloser Flug... Kosten: rund 300 Euro Sekunden

23 Gekrümmter Raum......nichts besonders... z.b. Transatlantikflug

24 x Kapitel... aber Krümmung verschieden... y...abhängig von Anfangsgeschwindigkeit v x, v y t > t V y t V x

25 Krümmung in Raum und Zeit Krümmung im Raum hängt ab von Geschwindigkeit und Winkel: y y g 2 0 ( x x 2 0 ) 2v x Krümmung ~2v x /g Krümmung in Zeit unabhängig! y y g 2 0 ( c t c t 2 0 ) 2c Krümmung ~2c 2 /g~10 16 m~ 1 Lichtjahr! Einstein: nicht Bahn gekrümmt sondern 4-dimensionaler Raum!!

26 Krümmung von Raum und Zeit 6000 km Vorhersage: Auch Licht wird gekrümmt!!!

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28 Postkarte Einstein an Weyl Wenn schon keine quasi-statische Welt dann fort mit dem kosmologischen Glied!

29 Lichtablenkung in Nähe der Sonne Sonne vorgetäuscht wahr Erde...braucht Sonnenfinsternis, sonst überstrahlt Sonne alles..

30 Das Experiment 1919 : Sonnenfinsternis Brasilien Ablenkung nur 1/2000 Grad!

31 Hubble: Gravitationslinsen

32 Echte Gravitationslinsen Scheinbare Position Wir wahre Position Galaxien Haufen Scheinbare Position..Licht konzentriert auf Ring - sonst wäre Galaxie kaum sichtbar

33 Optische Linse - Gravitationslinse... Gravitation wirkt anders: starke Ablenkung außen keine Ablenkung innen kaum Ablenkung außen starke Ablenkung innen

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35 Temperatur und Dichte gegen Zeit

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37 Falsch! Materie explodiert und füllt leeren Raum aus! Urknall Zeit...die schnellsten Teile fliegen am weitersten...

38 Richtig! Raum und Zeit dehnen sich aus... überall! Als wenn Zollstock sich ausdehnen würde... Zeit

39 Falsch!!! Expansion lässt alles wachsen auch Galaxien und Galaxiengruppen

40 Richtig! Zunächst werden Galaxien größer... aber dann gewinnt Gravitation: Gleichgewicht... Kraft durch Ausdehnung derzeit winzig, nur der Schwerkraft!...keine Angst, wir werden nicht auseinandergerissen Zeit

41 Galaxien Geschwindigkeit. Kapitel Falsch!!...nichts ist schneller als Lichtgeschwindigkeit c Nur Bewegung von Materie, Licht und Information immer langsamer als Lichtgeschwindigkeit... Spezielle Relativitätstheorie gilt nicht für Expansion!! t 1 Lichtgeschwindigkeit t 2 > t 1 Distanz

42 Galaxien Geschwindigkeit. Kapitel Richtig!! Expansion kann schneller als Lichtgeschwindigkeit sein... Lichtgeschwindigkeit nur bis hier sichtbar!! Distanz

43 Rosinenbrotmodell

44 Raumzeitkrümmung hyperbolisch k < 0 sphärisch k > 0 flach k = 0

45 Was entscheidet Entwicklung? Dichte milliardstel sec nach Urknall : Ewige Ausweitung: g/cm 3 Flach : g/cm 3 Zusammensturz: g/cm 3 Anti- Gravitation Unterschiedliche Energie- und Massendichten Dichte i : entscheiden über Schicksal des Universums: kritische Dichte

46 Inhalt des Universums

47 Bildung der Kerne Baryogenese hat sich in einem Zeitfenster von 1 min abgespielt!! Zu heiß um Kerne zu bilden Elementverhältnisse eingefroren Neutronen zerfallen und stehen nicht mehr für Reaktionen zur Verfügung

48 Reaktionsschema

49 Verhältnis zu Wasserstoff Kapitel Baryondichte und leichte Elemente Empfindlich auf Neutronenlebensdauer! Kästen: Messungen Heutiger Wert der Baryonendichte

50 Mikrowellenstrahlung aus dem Kosmos! 196: Penzias und Wilson (Zufallsentdeckung) Bell-Telefongesellschaft Aus allen Richtungen gleichartige Mikrowellenstrahlung aus Universum!

51 Wie wird die Strahlung frei?... (Beispiel Wasserstoff) p e - p e - Freie Elektronen (Energie >13.6 ev) Elektronengas, Plasma Thomson-Streuung Elektronfläche Photonen werden laufend gestreut Gebundene Elektronen (Energie <<13.6 ev) Wechselwirkung Atom wird sehr klein Photonen können sich frei bewegen!

52 Kosmische Hintergrundstrahlung Wellenlänge (cm) Körper mit Temperatur T [K] strahlen mit Wellenlängen Photonfluss L Plancksches Gesetz: 2hc 2 / L = e hc/ kt -1 Frequenz (10 9 Hz) Eiskalter schwarzer Strahler mit T=2.73 K über absolut Null!.. gilt für schwarze Strahler

53 ...was hat das mit Krümmung zu tun?...nehmen wir an wir könnten festen Maßstab in 1 Milliarden Lichtjahren aufstellen... Universum kritischer Dichte Universum hoher Dichte Fester Maßstab : Entfernung die Schall In J zurücklegt Gravitation= Linse die Beobachtung verzerrt. wir lesen Maßstab falsch ab Universum niedriger Dichte

54 Anisotropie der Hintergrundstrahlung WMAP Satellit:

55 Erwartung Planck

56 Typische Winkel zwischen Strukturen

57 Linseneffekt des gesamten Universums? offen flach geschlossen... vergleiche mit Daten

58 Mikrowellenhintergrundstrahlung

59 Sichtweite von Teleskopen

60 Entstehung einer Type 1a Supernova Thermonukleare Explosion, falls weißer Zwerg 1.4 Sonnenmassen erreicht hat Standardkerze

61 Lichtkurven von Typ 1a Supernovae Messungen der absoluten Helligkeit (abhängig von Entfernung!) Auf gleiche Entfernung skaliert

62 Supernovae als Standardkerzen

63 Größe des Universums

64 Rotverschiebung - Abstand

65 40 Milliarden Lichtjahre Kapitel Vergangenheit und Zukunft Kosmische Ausdehnung Heute Zeit (Milliarden Jahre)

66 40 Milliarden Lichtjahre Kapitel Vergangenheit und Zukunft Kosmische Ausdehnung Abstoßung M = 0.3 L = 0.7 Masselos M = 0 Standardmasse M = 1 Viel Masse M > Heute Zeit (Milliarden Jahre)

67 Grosßräumige Strukturen (in 3D)

68 Simulation Strukturenbildung

69 Andromeda Entfernung: Lichtjahre Durchmesser: Lichtjahre

70 Galaxienformen Spiralgalaxie M81 Elliptische Galaxie M87 Kollidierende Galaxien Drehimpulse durcheinander gewirbelt Spiralstruktur geht verloren

71 Rotationskurven Planeten (Kepler)

72 Rotationskurven von Galaxien

73 Rotationskurven

74 Evidenz für dunkle Materie

75 Direkte Suche nach dunkler Materie

76 Kosmologisches Verhalten

77 Kosmische Konkordanz Kosmische Hintergrundstrahlung Type 1a Supernovae Verteilung großräumiger Struktur Alle Messungen verträglich mit 70% dunkler Energie 2% dunkler Materie

78 Sternentstehungsgebiete Pferdekopfnebel Starburst-Galaxie (kollidierende Galaxien)

79 Jean-Kriterium Falls Masse der Gaswolke größer M J : Kollaps M J in Einheiten der Sonnenmasse Dichte ρ

80 Proton-Proton Zyklus dominiert in Sonne: 4 p α + 2 e e MeV

81 CNO-Zyklus dominiert für schwere, heiße Sterne

82 Neutrinospekten aus Sonne Nachweis durch Kernreaktionen oder elastische Streuung

83 Superkamiokande

84 Hertzsprung-Russel-Diagrammm

85 Hertzsprung-Russel-Diagramm Luminosität L m 3. T 4 R 2 Radius R m 0.78 Lebensdauer T m L

86 Das Ende leichter Sterne

87 Das Ende schwerer Sterne

88 Zusammenfassung der Endstadien

89 Gravitationswellen Indirekte Evidenz (Neutronensterne) LIGO Interferometer

90 keine direkte Evidenz schwarzer Löcher so würde der IceCube-Detektor eine Supernova-Explosion, die in einem schwarzen Loch endet, sehen

91 Schwarzes Loch in Milchstrasse 0 Milliarden km Sonnenmasse schwer, frisst einen Stern/10000 Jahre Aktivität vor 30 Jahren 10000x größer