Das Moderne Universum II

Transkript

1 Das Moderne Universum II Max Camenzind Senioren Würzburg 2017 Das Universum ist eine 4D RaumZeit

2 Vertiefung des Themas: Was ist LambdaCDM?

3 Das Moderne Universum Umfang = 2pR R(t) = a(t) R 0 R 0 : heutiger Radius Das Universum ist eine 4D RaumZeit

4 Das LCDM Universum W k = 0, W M + W L = 1 Friedmann-Gleichung hat einfache Lösung heutiges Standardmodell 0

5 Parameter LambdaCDM Universum aus Analyse der CMB-Strahlung 2016

6 H 0 : wichtigster Parameter Kosmologie de Vaucouleurs Riess et al ,2 +/- 1,7 Sandage & Zeitalter des Weltraumteleskops Tammann Hubble (2. Große Debatte) Jahr arxiv: H 0 aus Cepheiden & Supernovae

7 Moderne Debatte um Hubble-Parameter Diskrepanz zwischen CMB & lokalen Messungen Ist H 0 = 67 km/s/mpc (WMAP, Planck) oder H 0 = 73 km/s/mpc???????

8 Materie des heutigen Universums nach Auswertungen der CMB-Daten W B 25 % W DM W DE 70 %

9 Die Zukunft des Universums Heute: 100 Mpc 2000 Mpc gestreckt Nach 2 Hubble-Zeiten setzt exponentielle Expansion ein! W M = 0,3 W DE = 0,7 De Sitter Allein durch Dunkle Energie getrieben! In 56 Mrd. Jahren? Camenzind

10 Die Vergangenheit des Universums Radius in Metern Urknall Kosmische Zeit in Sekunden

11 Die Planck-Einheiten (1900) sind die natürlichen Einheiten Max Planck 1900

12 Materie-Dominanz DE-Dominanz Die 5 Epochen des Universums Planck-Zeit: t_p = s; Planck-Länge: L_P = m Inflation Thermisches Universum III IV V II Quark-Gluon-Lepton Plasma? I Grafik: Camenzind Planck-Epoche

13 Konsequenzen aus Urknall-Modell Das Universum expandierte seit Ende der Inflation um maximal 32 Dekaden. Sonst würde die Temperatur der Photonen die Planck-Temperatur von T P = K am Ende der Inflation übersteigen, da T ~ 1/R und T 0 = 3 K. physikalischer Unsinn! Unsere heutige Materie (Quarks, Gluonen, Leptonen und Photonen) ist am Ende der Inflation erzeugt worden mit einer Temperatur in der Nähe der Planck-Temp. Energiedichte in Inflation ist Planck!

14 Ep I: Planck-Epoche t < s Alle Kräfte sind in der Urgravitation vereint (= Urgeometrie). Gravitation, elektromagnetische, schwache und starke Wechselwirkung waren ununterscheidbar. Das Universum war so alt wie die Planck- Zeit und hatte eine Temperatur von Grad Kelvin. klassisch nicht erklärbar! Diese Epoche muss durch eine Quantentheorie der Gravitation beschrieben werden Quantenkosmologie.

15 Ep II: Inflation t = s Alle Energie steckt im Inflaton-Feld, ~ Planck-Energiedichte = 4,6x J/m³. Dies treibt eine exponentielle Expansion. Das Universum expandiert in kurzer Zeit um 32 Größenordnungen und erreicht am Ende etwa Stecknadelkopfgröße. Die Inflation wird dadurch beendet, dass Vakuum-Energie in die Materie unserer Welt materialisiert Quarks, Leptonen, Gluonen, Photonen, W und Z, sowie das Higgs-Feld entstehen. Wie ist unklar?

16 Ep III: Das heiße Universum Materie bewegt sich relativistisch Die Urmaterie (Ursuppe) - Quarks, Leptonen, Gluonen, Photonen etc kühlt durch die Expansion immer weiter ab, so dass sich nach 10 µs aus Quarks p, n bilden. Expansion: R(t) ~ t 1/2, T ~ 1/R. Nach 3 min bilden sich He & Li Atomkerne. Am Ende dieser Phase ( a) besteht das Universum aus Wasserstoff, Helium, Dunkle Materie, Photonen und Neutrinos.

17 Ep IV: Dunkle Materie dominiert nach Jahren Baryonische (H, He) und Dunkle Materie dominieren die Expansion des Universums. Expansion: R(t) ~ t 1/3. Damit können Dichtefluktuationen aus der Inflationsphase zu wachsen beginnen. Es bilden sich Halos aus Dunkler Materie, die später als Kondensationskeime für Galaxien wirken. Photonen behindern das Wachstum von baryonischen Klumpen.

18 Ep IVp: Photonen entkoppeln nach Jahren Nach Jahren fällt die Temperatur auf 3000 K ab. Helium und Wasserstoff können rekombinieren He- und H-Atome. Damit streuen die Photonen nicht mehr an den freien Elektronen. Photonen propagieren nun frei im expandierenden Universum und kühlen bis heute auf 2,725 K ab. Wasserstoffnebel.

19 Ep V: Universum der Galaxien Dunkle Energie dominiert Nach 6 Mrd. a gewinnt die Dunkle Energie und die Expansion langsam exponentiell. Materie spielt in der Expansion keine Rolle mehr wird immer weiter verdünnt. Galaxienhaufen entfernen sich unheimlich schnell voneinander und werden unsichtbar Galaxien erlöschen nach 100 Mrd. Jahren Sterne werden zu Weißen Zwergen, Neutronensternen und Schwarzen Löchern.

20 Quanten-Gravitation k B T (GeV) Physikalische Planck-Zeit GUT, Inflation Prozesse SO(10) Elektroschwacher Phasen-Übergang SU(3) c x SU(2) L x U(1) Y Grand Unification Quark- Lepton-Gluon Plasma Standardmodell Quark-Hadronen Phasen-Übergang Hadronen Leptonen Neutrino-Entkopplung Kern- Synthese Kerne entstehen Photon- Entkopplung Photonen- Epoche Galaxien, Sterne s s s 10-5 s 1s 3min a Zeit t Camenzind 1 ev = K, 1 kev = 11 Mio. K, 1 MeV = 11 Mrd. K

21 ?? Physik ist bekannt

22 HS wird entleert

23 Kosmische Zeit in Mrd. Jahren Beobachter LambdaCDM hat Ereignishorizont Expansionsfaktor a(t) a=1 heute Metrischer Abstand in Mrd. LJahren

24 LambdaCDM Ereignishorizont & Teilchenhorizont Beobachter Der Rückwärts-Lichtkegel ist birnenförmig (light cone). Teilchenhorizont (particle horizon) markiert die max. Distanz, die Photonen von t=0 bis zu einer Zeit t zurücklegen können. Ereignishorizont (event horizon): Wieviel vom Universum kann ich überblicken, wenn ich unendlich lange warte? Alle Galaxien werden aus dem Ereignishorizont entschwinden!

25 Expandierendes Universum Ereignishorizont Die Radius des beobachtbaren Universums (=Partikelhorizont) wird immer größer, je mehr Zeit vergeht (je höher die blaue Linie wandert). Die schwarzen Pfeile zeigen den Stand heute, also 13,8 Mrd. Jahre nach dem Urknall. Das beobachtbare Univerum hat hier einen Radius von 46 Mrd. Lichtjahren um uns herum. Man sieht auch, wie sich mit der Zeit die Hubble-Sphäre und der Ereignishorizont immer mehr annähern.

26 Offene Fragen

27 1. Wer hat dieses Universum erschaffen? Vor dem Big Bang gibt es weder Zeit noch Raum

28 2. Gibt es ein Vor-dem-Big-Bang?

29 Das Vorgänger- Universum Das heutige Universum

30 3. Was ist Dunkle Materie? Dunkle Materie ist Klebstoff des Universums Sind es schwere Neutrinos - Schwarze Löcher?

31 4. Wie entstehen Galaxien und ihre Schwarzen Löcher wirklich?

32 5. Was ist Dunkle Energie? In der modernen Physik hat Vakuum Struktur

33 6. Leben wir in einem Multiversum? Ist unser Universum nur eines von vielen möglichen?

34 7. Ist Leben kosmisches Phänomen? Ist das Universum so programmiert, dass Leben entstehen kann