5. Entstehung großräumiger Struktur im Universum

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1 Kosmische Evolution für Nicht-Physiker: Wie unser Weltall wurde, was es heute ist 5. Entstehung großräumiger Struktur im Universum Knud Jahnke, MPIA

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3 2,7 Kelvin Hintergrundstrahlung (~ Jahre nach Urknall, nur ca. 0,001% Variationen) ESA Planck Mission

4 Großskalige Strukturen Was passiert: Materie + Schwerkraft + Zeit? [Illustris-Simulation: illustris-project.org/media] #1

5 Gravitation + Gasdruck Gravitation: immer anziehend Gasdruck: immer abstoßend

6 Gravitationsgesetz eine Masse Gravitationskraft F=G Gravitationskonstante andere Masse m 1 m2 r 2 Abstandsquadrat G=6,674 x m³/(kg s²)

7 Gravitationsgesetz Wohin bewegt sich Masse b? rab rbc=2rab Fab F bc =G r 2 Fbc ma F ab=g F=G m1 m2 mb=ma m a mb r 2 ab mb mc r 2 bc =G mc=ma m r H än gt i n vers ² vo ma bsta nd a b! 2 a 2 ab m 2 a m 2 a 2 ab 1 =G =G = F ab 2 4 (2 r ab ) 4 r

8 Gravitationsgesetz Viele Massen: m eingeschlossene Masse M=20m Schwerpunkt s F as =G ma M r 2 as 20 m2 =G 2 r as

9 Gravitationsgesetz Druck durch Gravitation (anziehend) Richtung Schwerpunkt (natürlich eigentlich jedes Masse zu jeder): hydrostatischer Druck = nach innen 3 G M p= 8 π R4 p G M R 2 Druck Grav.-konstante Gesamtmasse Radius

10 Gravitation + Gasdruck Kräfte/Druck nach innen Gravitation: immer anziehend Gasdruck: immer abstoßend

11 Gasdruck Teilchen-Stöße (abstoßend): Ideale Gasgleichung Gasdruck = nach außen N k B T p= V ρ p= μ k B T p V ρ μ N T kb Druck Volumen Dichte Masse 1 Teilchen Anzahl Teilchen Temperatur Boltzmannkonst.

12 Gravitation + Gasdruck Kräfte/Druck nach innen Gravitation: immer anziehend Gasdruck: immer abstoßend Kräfte/Druck nach außen

13 Druck-Gleichgewicht: Jeans-Masse 3 G M p= 8 π R4 2 ρ p= μ k B T Hydrostatischer Druck = Gasdruck 2 ρ μ T kb Dichte Masse 1 Teilchen Temperatur Boltzmannkonst. G Grav.-konstante 3 G M ρ = μ k B T 4 8 πr 6 1 kbt M Jeans = π ρ Gμ 3 ( ) M>MJeans: Kollaps durch Gravitation

14 Druck-Gleichgewicht: Jeans-Masse Weltalter (Millionen Jahre) Bei Störungen: M>MJeans: Kollaps M<MJeans: nur Oszillationen 6 1 kb T M Jeans = π ρ Gμ Jeans-Masse (in Sonnenmassen) durch Gravitation Kollaps Oszillation 3 ( ) Rotverschiebung S. Glover, ITA Uni HD, 2012

15 Druck-Gleichgewicht: Jeans-Masse Bei Störungen: M>MJeans: Kollaps durch Gravitation M<MJeans: nur Jeans-Länge rjeans Oszillationen Dichte rjeans Raum

16 Kollaps von Strukturen Aber: wenn nur normale Materie (Baryonen) Photonen haben Zeit Bewegung aus Bereich hinaus Photonen stoßen auf Elektronen (e ) Elektronen bewegen sich hinaus Ladungsanziehung, ziehen Protonen mit (p+) Dämpfung von Störungen Silk-Dämpfung Dichte γ, e, p Raum

17 Kollaps von Strukturen Aber: wenn nur normale Materie (Baryonen) Photonen haben Zeit Bewegung aus Bereich hinaus Photonen stoßen auf Elektronen (e ) Elektronen bewegen sich hinaus Ladungsanziehung, ziehen Protonen mit (p+) Dämpfung von Störungen Silk-Dämpfung Dichte γ, e, p Raum

18 Kollaps von Strukturen Silk-Dämpfung, Effekt: Protonen schwerste Teilchen bis z=1000 (CMB) M<1012 MSonne weggedämpft! Masse Milchstraße (sichtbar): 4x1011 MSonne Widerspruch! (Galaxienhaufen müssten früher entstehen als Galaxien) Universum nur mit Baryonen (Protonen, Elektronen, Neutronen, etc.) nicht möglich! Nicht-geladene Teilchen: Dunkle Materie

19 Kollaps von Strukturen Was passiert: Materie + Schwerkraft + Zeit? Bildung großskaliger Strukturen Materie im Universum: leuchtende + dunkle NASA/WMAP

20 Kollaps von Strukturen Was ist Dunkle Materie? Dunkle Materie: kalt? massereiche Teilchen langsam (Teilchen=?) Dunkle Materie: heiß? massearme Teilchen schnell (Neutrinos?)

21 2,7 Kelvin Hintergrundstrahlung (~ Jahre nach Urknall, nur ca. 0,001% Variationen) ESA Planck Mission

22 Kollaps von Strukturen M. Pössel

23 Kollaps von Strukturen [Illustris-Simulation: illustris-project.org/media] #2, #3

24 Strukturen von Strukturen Sloan Digital Sky Survey (2012) Allison Coil et al., 2013

25 Exkurs: Sloan Digital Sky Survey 2,5m-Teleskop, Apache Point, New Mexico, USA

26 Exkurs: Sloan Digital Sky Survey 2,5m-Teleskop, Apache Point, New Mexico, USA Photometrie + Faser-Spektrograph, manuell bestückt

27 Strukturen von Strukturen Sloan Digital Sky Survey (2012) Allison Coil et al., 2013

28 Filamente Sloan Digital Sky Survey (2012) Allison Coil et al., 2013

29 Leerstellen (Voids) Sloan Digital Sky Survey (2012) Allison Coil et al., 2013

30 Leerstellen (Voids) Sloan Digital Sky Survey (2012) Allison Coil et al., 2013

31 Galaxienhaufen (Cluster) Sloan Digital Sky Survey (2012) SDSS III, 2012

32 Strukturen von Strukturen Von Leerstellen zu Filamenten zu Haufen Strukturen auf allen Skalen, durch Dunkle Materie

33 Großskalige Strukturen Dunkle Materie Halos + Filamente Gas kondensiert in Zentren von Halos Sterne entstehen Galaxien Illustris-project.org

34 Zusammenfassung Gleichmäßiges Gas + Dunkle Materie Störungen auf allen Skalen Kollaps auf Jeans-Skalen, Oszillation darunter Entstehung von Strukturen aller Art, Über-/ Unterdichten Entstehung von Galaxien aus Baryonen (Gas) in DM Halos

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