Ort: Raum in der Mittelspange. Zeit: Mo 15-17h Mi 15-17h. Beginn Mo d

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1 Spezialvorlesung WS 11/12. Vorl.Verz Wolfgang Gebhardt: Vom Urknall zu den Sternen. Eine Einführung in die Kosmologie mit Übungen Ort: Raum in der Mittelspange Zeit: Mo 15-17h Mi 15-17h Beginn Mo d (Bei erfolgreicher Teilnahme an den Übungen werden 4 Kreditpunkte vergeben) Inhalt. Übersicht:

2 Kap. 00 Inhalt. Einleitung.Tabelle Seite 1-3 Kap. 01 Kap. 02 Kap. 03 Kap. 04 Kap. 05 Kap. 06 Kap. 07 Kap. 08 Kap. 09 Die Expansion des Kosmos. Hubbles Konstante H 0 Die Dynamik des Kosmos in Newtonscher Näherung Die Metrik des homogenen und isotropen Raumes Einsteins Gleichungen und das Standardmodell der Kosmologie Einsteins kosmologische Konstante. Unsinn oder eine neue Kraft? Reste des Feuerballs. Die kosmische Hintergrundstrahlung Die Nukleosynthese der leichten Elemente Die Schwierigkeiten des Standardmodells und das inflationäre Paradigma Fluktuation der Mikrowellenstrahlung Kap. 10 Was war am Anfang? Kap. 11 Bildung von Strukturen Kap. 12 Erste Sterne. Reionisation. Galaxien Kap. 13 Dunkle Materie Kap. 14 Dunkle Energie Kap. 15 Anhang

3 Ausführliche Inhaltsangabe: 1. Die Expansion des Kosmos. Hubbles Konstante H Die Entfernung von Galaxien und das Hubble-Gesetz Kosmische Expansion Wie alt ist der Kosmos Die Dynamik des Kosmos in Newtonscher Näherung 2.1 Sphärisches Modell Lösungen der 2. Friedmann-Gleichung für κ = Lösungen der 2. Friedmann-Gleichung für κ Die Metrik des homogenen und isotropen Raumes Hubble-Fluß und Gleichzeitigkeit Die Robertson-Walker-Metrik Rotverschiebung und Skalenfaktor Mitbewegter Abstand Zusammenfassung Einsteins Gleichungen und das Standardmodell der Kosmologie 4.1. Die Einsteinschen Gleichungen (EG) in Robertson-Walker-Metrik Die Berechnung des Ricci-Tensors Der Energie-Impuls-Tensor Erhaltungssätze und Friedmann-Gleichungen Historisches Zusammenfassung Einsteins kosmologische Konstante Λ, Unsinn oder eine neue Kraft 5.1. Kosmologische Modelle mit Λ Leuchtkraft-Abstand Hubble-Diagramm mit SN Ia und Bestimmung von (Ω,ΩΛ ) Kosmologische Konstante oder Quintessenz Andere Hinweise auf Λ > Deutungen Zusammenfassung Reste des Feuerballs. Die kosmische Mikrowellenstrahlung 6.1. Die Vorgeschichte Der COBE-Satellit Die Skalierung von Temperatur und Strahlungskurve Entkopplung von Strahlung und Materie Zusammenfassung Die Nukleosynthese der leichten Elemente 7.1. Der heiße Strahlungskosmos Die Kernprozesse Ergebnisse der Beobachtungen Zusammenfassung Schwierigkeiten des Standardmodells und das inflationäre Paradigma 8.1. Die Probleme des Standardmodells Das Horizontproblem Das Problem der Flachheit Entropie und Strahlung Eine inflationäre Expansion würde viele Rätsel lösen Skalares Feld und Symmetriebrechung 93 3

4 8.7. Quantenfluktuationen Zusammenfassung Fluktuationen der Mikrowellenstrahlung (CMB) 9.1. Das Fluktuationsspektrum, eine Fundgrube für Kosmologen Die Experimente und ihre Ergebnisse Die WMAP-Sonde Interpretation der Spektren Polarisation Zusammenfassung Was war am Anfang? Inflationsmodelle und Beobachtungen Die Planck-Aera Wege zur Quantengravitation: Stringtheorie Wege zur Quantengravitation. Loop Quantum Gravity Immerwährende Inflation ( Eternal Inflation ) Unser spezieller Kosmos und das anthropische Prinzip Wie geht es nach der Inflation weiter? Zusammenfassung Bildung von Strukturen Dichtekonstrast im linearen hydrodynamischen Modell Die weitere Entwicklung des Dichtekontrasts. Das sphärische Kollapsmodell Katalogisierungen von Galaxien und Galaxienhaufen Leistungsspektren der Massenverteilung N-Teilchen-Simulationen Weitere Meßmethoden zur Massenverteilung Zusammenfassung Erste Sterne. Reionisation. Galaxien Erste Sterne Galaxienentstehung Gaswolken und Gasausflüsse Galaxien bei großen Rotverschiebungen und die Kartierung der Dunklen Materie Morphologische Entwicklungen Zusammenfassung Die Dunkle Materie 13.1.Astronomische Massenbestimmungen Gravitationslinsen-Effekte. Weak Lensing Die Teilchen der Dunklen Materie Direkter Nachweis von WIMPs Indirekter Nachweis von WIMPs durch Annihilation Zusammenfassung Dunkle Energie Beschleunigte Expansion Der Leuchtkraftabstand Sind SN Ia wirklich ideale Standardkerzen? Wie plausibel ist eine kosmologische Konstante? Literatur 218 Anhang A.1. Helligkeiten, Größenklassen und Entfernungen 219 4

5 A.2. Hubble-Gesetz: aus Isotropie folgt Homogenität 220 A.3. Das Birkhoff-Theorem 221 A.4. Roberson-Walker-Metrik und hypersphärische Geometrie 221 A.5. Mehr über Abstände 223 A.6. Horizonte 227 A.7. Konforme Zeit, Friedmann-Gl für κ A.8. Einige Beziehungen aus der Riemannschen Geometrie 232 A.9. Der Dopplereffekt in der speziellen Relativitätstheorie 236 A.10. Der Energie-Impuls-Tensor 237 A. 11. Kosmologische Entfernungen (s. Gl. 3.32, 3.34 und 5.14). 240 A.12. Fluid-Gleichung und erste Friedmann-Gleichung 242 5