Zweiter November der Wissenschaft»Einstein heute« Einsteins Universum. Das kosmologische Standardmodell

Transkript

1 Zweiter November der Wissenschaft»Einstein heute«einsteins Universum Das kosmologische Standardmodell Hannover, 9. November 2010 Peter Aufmuth Albert-Einstein-Institut Leibniz Universität Hannover

2 Gravitation nach Newton 1687 Alle Massen üben eine anziehende Kraft auf einander aus. Schwerkraft Gravitation Die Schwerkraft hält auch die Planeten auf ihrer Bahn! Isaac Newton ( )

3 Problem: Periheldrehung des Merkur Die Hauptachse der Bahnellipse des Merkur dreht sich pro Jahrhundert um 43 Bogensekunden.???

4 Gravitation nach Einstein 1912 Die Gravitation ist keine Kraft, sondern sie hat mit der Form des Raums zu tun Albert Einstein ( ) Die Erde verändert ihre Umgebung so, daß sich alles auf sie zu bewegt.

5 Massen verformen den Raum Vorstellung anhand einer Fläche: Keine Masse = der Raum ist flach Die Masse erzeugt eine Delle Trampolin-Effekt

6 Gravitation = Geometrie! Der Mond folgt der durch die Erde vorgegebenen Struktur des Raums

7 Allgemeine Relativitätstheorie 1915 Die Materie bestimmt die Krümmung des Raums, und der Raum bestimmt die Bewegung der Materie.

8 Einsteins Feldgleichung G Krümmung ~ Masse/Energie-Verteilung T G k T k c G 1 N Beitrag der Erde zur Krümmung des Raums: 10 9 Bei der Satellitennavigation (GPS) müssen die Effekte der Relativitätstheorie berücksichtigt werden!

9 Erstes Ergebnis: Periheldrehung des Merkur 1915 Die Theorie erklärt qualitativ und quantitativ die Drehung der Merkurbahn. Ich war einige Tage fassungslos vor freudiger Erregung. Brief an Ehrenfest,

10 Lichtablenkung Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie Scheinbare Position Wahre Position Auch das Licht folgt der Geometrie des Raumes.

11 Nachweis der Lichtablenkung Tag Nacht Arthur S. Eddington (Sonnenfinsternis 1919)

12 Gravitationslinsen HST Einstein-Kreuz Die Galaxie wirkt wie eine Sammellinse. Die Galaxie in der Mitte erzeugt vier Bilder des Quasars dahinter

13 Gravitationslinsen-Astronomie Einstein-Ring MIT Bild einer Radiogalaxie mit aktivem Kern (Linse nicht sichtbar!) Nachweis dunkler Materie durch Gravitationslinsen HST

14 Geometrodynamik Alle Massen im Universum bewegen sich. Die Geometrie des Universums ist nicht nur gekrümmt, sondern sie verändert sich auch ständig. Wie schnell beeinflußt eine solche Veränderung, z.b. eine Sternexplosion, die Umgebung? John A. Wheeler ( )

15 Gravitationswellen Die Ausbreitung von Störungen in der Struktur der Raumzeit erfolgt nur mit endlicher Geschwindigkeit Existenz von Gravitationswellen Sternexplosion (Supernova) mit Lichtgeschwindigkeit 1916 Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie

16 Nachweis von GW PSR T p [s] Russell A. Hulse Joseph H. Taylor, Jr. Energieverlust durch Abstrahlung von Gravitationswellen Veränderung der Bahndaten Einsteins Vorhersage T stimmt mit dem Wert überein, den die Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt (auf 0,2 %!). Nobelpreis für Physik 1993 Indirekter Nachweis von Gravitationswellen!

17 Beobachtung von GW GEO600 der deutsch-britische GW-Detektor ein Michelson-Interferometer mit 600 m langen Meßstrecken Signale von Supernovae, kompakten Binärsystemen und vom Urknall

18 Relativistische Objekte Lösungen der Einstein-Gleichung Es gibt im Universum sehr merkwürdige Objekte! Neutronensterne Pulsare Schwarze Löcher John A. Wheeler Einstein war nicht begeistert

19 Weißer Zwerg Neutronenstern Schwarzes Loch Ein Stern kollabiert Ein Stern ist ein glühender Gasball, der durch den Strahlungsdruck im Gleichgewicht gehalten wird Querschnitt des Sterns Ein Stern am Ende seines Lebens Der Stern erlischt und fällt in sich zusammen Die gesamte Masse ist in einem Punkt konzentriert

20 Kompakte Sterne Je größer die Massendichte, umso tiefer die Delle. Eine große Masse kollabiert weiter, bis auf einen Punkt Gewöhnlicher Stern Neutronenstern Schwarzes Loch Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie

21 Neutronensterne 2 M 8 Sonne Ø ~ 1,4 Mio km Masse: kg Neutronenstern Ø ~ 20 km 1,5 x Masse der Sonne! Supernova 1987A Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie Atom Elektron + Proton = Neutron + Neutrino

22 Pulsare Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne. In der Atmosphäre des Neutronensterns wird Radiostrahlung angeregt. Diese wird in Richtung des Magnetfeldes des Sterns ausgestrahlt. Ein Pulsar stellt eine hochpräzise Uhr dar.

23 Das Radioprogramm der Sterne B Vela 11 Hz Jahre alt B Krebs 30 Hz jüngster Pulsar 1054 n.ch. B Hz zweitschnellster bekannter Pulsar Jodrell Bank Observatory

24 Schwarze Löcher Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie zweidimensional dreidimensional Schwarze Löcher sind perfekte Kugeln ( Glatzen-Satz )

25 Ereignishorizont Der kollabierte Stern verschluckt alles, was ihm zu nahe kommt Horizont Der Horizont ist eine gedachte Linie. Alles was sie überschreitet, kann den Stern nicht mehr verlassen und ist für die Außenwelt verschwunden. 3 km für einen Stern mit Sonnenmasse Kollabierter Stern

26 Rotierende Schwarze Löcher Rotierende Schwarze Löcher verdrillen die Raumzeit in ihrer Umgebung Dana Berry NASA ¾ der Materie fallen in das Loch, ¼ wird als Jet davongeschleudert

27 Ein Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße mit über 4 Millionen Sonnenmassen Sagittarius A*

28 Friedmanns Weltformel (Lösung der Feldgleichungen für ein homogenes und isotropes Universum) Das Universum besteht aus Materie, Strahlung und Vakuum. Es verändert sich im Laufe der Zeit. Es expandiert oder kontrahiert Alexander Friedmann ( ) H 2 8πG 3 ( M S ) Λ c 2 k a 2

29 Die kosmologische Konstante Das Universum verändert sich nicht! Ich muß meine Gleichungen ergänzen. Einstein war nicht begeistert G k T Damit ergibt sich ein statisches Universum

30 Das Weltall expandiert Die schwach leuchtenden Objekte sind keine Sterne, sondern ganze Galaxien! Und sie entfernen sich von uns! Alles zurück! Das Λ war die größte Dummheit meines Lebens! Einstein war nicht begeistert 1925 Edwin P. Hubble ( )

31 Das Urknall-Modell Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie Raum und Zeit entstanden im Urknall. Seitdem dehnt sich das Universum immer weiter aus. Das ist ja eine scheußliche Vorstellung! 1927 Georges Lemaître ( ) Einstein war nicht begeistert Einstein

32 Frühzeit des Universums Expansion und Abkühlung Urknall Mikrowellenhintergrund Vor 13,7 Mrd. Jahren: Temperatur ~ C Bild des Universums mit Jahren. T ~ 3000 C (Temperaturunterschiede von 1/10000 C)

33 Entwicklung des Universums 0 1 Sek J. 1 Mrd. J. 13,7 Mrd. J. 8 Bei der Expansion kühlt sich das Universum ab. Die Anfangsenergie kondensiert zu Atomen, aus denen sich die Sterne und Galaxien bilden.

34 HST 2004 Das Universum heute Hundert Milliarden Galaxien mit je hundert Milliarden Sternen Hubble Weißt Du wieviel Sternlein stehen? 10 22! Heute: Temperatur = 2,7 K (= 270 C)

35 Teleskope und Satelliten Voyager nm Hubble nm Compton Gamma Ray Observatory 0,97 pm ROSAT 1,03 12,4 nm WMAP 3 14 mm Lowell Observatorium nm Very Large Array 0,01 1 m

36 Bilder des Universums Sichtbares Licht Radiowellen Mikrowellenhintergrund Röntgenstrahlen Gammastrahlen Gravitationswellen?

37 Vergleich der Beobachtungen UNIVERSUM Typ: ΛCDMBB Alter: 13,7 Mrd. Jahre Form: flach Verhalten: Dehnt sich beschleunigt aus Zusammensetzung: 96 % (DE + DM) 4 % BM

38 Das unbekannte Universum Universum = Materie + Vakuum + Strahlung Dunkle Energie (= Vakuumenergie) 27 % + 73 % + 0 % Dunkle Energie Dunkle Dunkle Materie Materie (= Baryonische unbekannte Materie Materieform) Leuchtende Materie Dieser Anteil des Universums leuchtet 1 % Der Rest besteht aus etwas, das wir nicht kennen! Dieser Anteil des Universums besteht aus normaler Materie 4 %

39 Die Astrophysiker waren nicht begeistert > Dunkle Gedanken < Der Astrophysiker Hanns Ruder (Uni Tübingen) beim Studium der neuesten Daten über das Universum

40 Die Zukunft des Universums Und wie geht es weiter mit dem Universum? Die dunkle Energie erzeugt einen negativen Druck Das ist mein Λ! Das Universum dehnt sich beschleunigt weiter aus. Hab ich also doch wieder recht gehabt!

41 Neue Fragen Wichtig ist, daß man nicht aufhört, zu fragen.? Was ist die Dunkle Energie? Was ist die Dunkle Materie? Was zündete den Urknall? Was passiert im Zentrum eines Schwarzen Loches? Einstein Jr.