Experimentelle Astroteilchenphysik. Prof. Dr. Dieter Horns Dr. Tanja Kneiske

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1 Experimentelle Astroteilchenphysik Prof. Dr. Dieter Horns Dr. Tanja Kneiske

2 Experimentelle Astroteilchenphysik 1. Einführung und Überblick 2. Kosmische Strahlung auf der Erde 3. Kosmische Strahlung in unserer Galaxie 4. Transport kosmischer Strahlung in unserer Galaxie 5. Ursprung kosmischer Strahlung 6. Extragalaktische Beschleuniger 7. Dunkle Materie, Axionen und andere Exoten

3 Einführung und Überblick Einleitung Standardmodell der Teilchenphysik Standardmodell der Kosmologie

4 Was ist Astroteilchenphsik Astronomie/Astrophysik: Beobachtung und physikalische Beschreibung astronomischer Objekte Teilchenphysik: Elementarteilchen, Atome, Kerne (Standardmodell) Kosmologie: Beschreibung des Univsersums als Ganzes (Standardmodell) Kosmogonie (Anfang des Universums)

5 Astroteilchenphysik in Deutschland Gammaastronomie (Photonen > MeV) Primäre kosmische Strahlung (geladene Komponente) Neutrino Astrophysik Neutrinomassen Dunkle Materie Gravitationswellen Kosmologie

6 Standardmodell der Teilchenphysik

7 Standardmodell der Kosmologie Das Kosmologische Prinzip: - Homogen: an jedem Punkt gleich - Isotrop: in jeder Richtung gleich (gilt nur auf großen Skalen ~100Mpc)

8 Größenskalen im Universum Erde Sonnensystem Galaxien Galaxienhaufen Galaxiensuperhaufen Voids Zelluläre Strukturen

9 Drei Säulen des kosmologischen Modells 1. Expansion des Universums 2. Kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung 3. Elementhäufigkeit im Universum (primordiale Nukleosynthese)

10 1) Hubble Expansion Edwin Hubble misst verschobene Spektrallinien in Galaxien Deutung als Dopplereffekt: Galaxien besitzen Geschwindigkeit v Entdeckung Hubbles: Alle Galaxien entfernen sich von uns Geschwindigkeit ist größer, je weiter die Galaxie entfernt ist v = H 0 r = c λ/λ Hubble Gesetz ist eine Illusion: Galaxien bewegen sich nicht, sondern das Universum expandiert!

11 Hubble Konstante H 0 v = H 0 r = c λ/λ = cz Rotverschiebung : z = (λ 0 λ)/λ Abstandsbestimmung : r

12 Distanzmessungen Standardkerzen: Objekte mit großer, bekannter absoluten Helligkeit 1. Pulsationsveränderliche (Cepheiden) Periode-Leuchtkraft-Beziehung: M = 1,67 2,54 * log(p) r = 10 (m M + 5) / 5 Entfernungen bis ca. 20Mpc 2. Supernova Ia (Binärsysteme) Entfernungen bis ca. 100 Mpc

13 Geschichte der Hubble Konstanten E. Hubble findet H 0 = 500 km s -1 Mpc -1 Alter des Universums: τ = H 0-1 = 978 x 10 9 (H 0 [km Mpc -1 s -1 ]) -1 τ (500) = 1.96 Gyr 1930: Alter der Erde festegelegt auf 3 Gyr durch radioaktive Datierung Aufteilung in 2 Gruppen: 50 und 100 km Mpc -1 s -1 H 0 = 100 h km s -1 Mpc -1 (0.5<h<1.0)

14 WMAP Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) beobachtet Unregelmäßigkeiten der kosmischen Hintergrundstrahlung 73(3) km s -1 Mpc -1 Weltalter: 13.4 Gyr Quelle: NASA/WMAP science team

15 2) Kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung z = 10 3 (3x10 6 a) Rekombination von Elektronen und Protonen zu Wasserstoff Strahlungsfeld: T ~ 3x10 3 K Heute: T 0 = T / (1+z) ~ 3 K Arno Penzias & Robert Wilson 1965 A) K (53 GHz) B) ~ 3 mk (10-3 K) Erdbewegung, kosmischer Dipol C) ~ 20 µk (10-6 K) Milchstrasse Bleibende Anisotropien A) B) C) Quelle: COBE Project, DMR, NASA APOD

16 3) Elementhäufigkeit im Universum Primordiale Nukleosynthese: H, D (90%) 3 He, 4 He (8%) 7 Li Stellare Nukleosynthese: Kernfusion im Sterninneren 4 He, 12 C, 16 O, Si, Ni und Fe Höhere Elemente gebildet durch Neutroneneinfang und β-zerfall Spallation (Spaltungsreaktion) 6 Li, 9 Be, 10 B und 11 B Beschuss von Atomen im interstellaren Medium durch kosmische Strahlung Beobachtungen: Direkt: Messungen im Sonnenwind und an Meteoriten Indirekt: aus beobachteten Spektren H He C, N, O Fe F Sc Be Elementeverteilung im Sonnensystem

17 Dynamik des Weltalls Energiebilanz einer Randgalaxie der Masse m bezüglich eines Galaxienhaufens der Masse M, Radius R und Volumen V = 4/3πR 3 1 π = mr 2 H 2 4 Gm ρ 2 Eges 3 Kein Ort ist besonders: Verallgemeinerung auf gesamtes Universum möglich.

18 Kritische Dichte ρ c k 2E mc ges 2 = R c 2 2 8π Gρ 3 H 2 Für k=0; ρ = ρ c =3H 2 /8πG flaches Universum: Expansionsrate geht asymptotisch gegen 0 Für k>0; ρ < ρ c offenes Universum: unendliche Expansion des Universums Für k<0; ρ > ρ c geschlossenes Universum: irgendwann folgt Stillstand und Kontraktion des Universums (Big Crunch)

19 Friedmann-Gleichung und kosmologische Parameter R& R 2 + kc R 2 2 = 8π Gρ 3 Materiedichte: Ω = Ω m = ρ(t) / ρ c Raumkrümmung: Ω R = (Η 0 r 0 R) 2 Kosmologische Konstante: Ω Λ = Λ/3H 0 2

20 Die kosmologische Konstante 1913 führte Einstein die kosmologische Konstante ein, um ein statisches Universum zu generieren Einstein definierte Vakuumenergiedichte ρ v : 8πG Λ = 2 ρ v c Λ=0 Vakuum hat keine Energiedichte In der Quantenphysik ist Vakuum nicht leer Durch Heisenberg sche Unschärferelation ergeben sich Teilchen-Antiteilchenpaare Leider ist die Zahl aus beiden Theorien ca. 120 Größenordnungen unterschiedlich

21 Friedmann-Gleichung mit kosmologischer Konstanten R& R 2 + kc R 2 2 = 8π G( ρ + 3 ρ ) v Kosmologische Dichte-Parameter: Ω m Ω R Ω Λ Es gilt: Ω m + Ω R +Ω Λ = 1 WMAP: Ω R ~0 Ω m = 0.27(0.04), Ω s = Ω Λ =0.73(0.04)

22 Evolution in einem Jahr Kosmischer Kalender: 12 Gyr Geschichte des Universum in einem Jahr 1 Monat = 1 Gyr Januar 1: Der Big Bang Februar : Die Milchstraße entsteht August 13: Die Erde entsteht Dezember 13: Erste Lebensformen Dezember 25: Aufstieg der Dinosaurier Dezember 30: Aussterben der Dinosaurier Dezember 31: 21:00 Erster Mensch Dezember 31: 23:58 Moderne Mensch entwickelt sich Dezember 31: 23:59:30 Ackerbau Dezember 31: 23:59:47 Bau der Pyramiden Dezember 31: 23:59:59 Kepler und Galileo zeigen, dass die Erde sich um die Sonne dreht

23 Olber sche Paradoxon Wenn das Universum seit jeher eine unendliche Zahl an gleichmäßig verteilten Sternen besitzt, dann gilt: Die Gesamthelligkeit eines Sterns ist unabhängig von der Entfernung des Beobachters (d.h. Licht streut erlischt aber nicht) Ist das Universum unendlich groß, ist auf jeder möglichen Sichtlinie irgendwann ein Licht ausstrahlender Himmelskörper, sofern er nicht punktförmig ist (siehe Bäume im Wald). Daraus folgt: Jeder Punkt am Himmel sollte dieselbe Helligkeit wie die Oberfläche eines Sternes besitzen.

24 Lösung Endliche Zahl von Sternen mit endlicher Lebensdauer (10 7 Jahre) Endliches Alter des Universums (Licht braucht länger von weitentfernten Quellen) Rotverschiebung (Licht ist nicht mehr sichtbar)

25 Effekt der Rotverschiebung X 0 = beobachtete Größe X=X(t) Größe zur kosmologischen Zeit t ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 z V V z r r z E E z z + = + = + = + = = = λ λ λ λ λ λ λ