Vom Urknall. bis heute Zeit. Kosmologie. Christian Stegmann Universität Erlangen-Nürnberg

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Transkript:

Vom Urknall bis heute Kosmologie Christian Stegmann Universität Erlangen-Nürnberg

Die Erde Heute

einer von acht Planeten Heute

Sterne Heute

Die Milchstrasse Heute

Voller Sterne Heute

Und Nebel Heute

Unsere Milchstrasse Heute

Das Weltall ist voller Galaxien Heute

Galaxiencluster Heute

Edwin Hubbles Entdeckung Heute Die Galaxien bewegen sich von uns weg Umso schneller, je weiter sie weg sind

Galaxienflucht Heute

Verstehen wir das? Heute Wir sind das Zentrum des Universums! Das Weltall dehnt sich aus Der Raum zwischen den Galaxien wird größer Wissenschaftlich attraktiver!

Heute

Heute Einige später Doppelt so weite Galaxien entfernen sich doppelt so schnell!

Wie kann man das messen? Heute Geschwindigkeitsmessung Tacho? Entfernungsmessung Lineal?

Heute Geschwindigkeitsmessung über Rotverschiebung

Dopplereffekt Heute niedrige Frequenz Rotverschiebung hohe Frequenz Blauverschiebung

Kosmologische Rotverschiebung Heute Weltall dehnt sich aus

Galaxien-Spektroskopie Heute Stern-Spektrum Natrium Magnesium Galaxien-Spektrum Kalzium v Galaxy ~ 12000 km/s

Entfernungsmessung Heute R scheinbare Helligkeit ~ wahre Helligkeit. 1/R 2

Heute Helligkeit gemessene Helligkeit Mit einem Punkt ist alles bestimmt! gemessene Helligkeit bekannter Abstand gemessener Abstand Entfernung, R

Heute Wir brauchen Lampen!

Sternenexplosionen Heute Supernova Typ Ia Explodierende weiße Zwerge thermonukleare Bombe von der Größe der Erde! Hell wie eine ganze Galaxie Leuchten auf und verschwinden nach einigen Wochen Supernova 1994D

Eine Supernova Heute

Wo ist die Supernova? Heute

Hier! Heute

Standardkerzen Heute

Spektren zur Identifikation Heute

Das Hubble-Diagramm Heute Entfernung Rotverschiebung (Geschwindigkeit)

Heute Das Weltall ist dynamisch und expandiert (sogar beschleunigt)! Das Weltall war früher kleiner als heute Das Weltall ist aus einer heißen Phase entstanden Der Urknall

Heute Weltmodelle

Allgemeine Relativitätstheorie Heute Einstein 1916 Beschreibt alle gravitativen System Planetensysteme Schwarze Löcher Das Universum Masse erzeugt eine Krümmung des Raumes Raumkrümmung sagt den Massen, wie sie sich bewegen müssen Gravitationsbeschleunigung

Lösungen Kosmologische Prinzip Wir sehen das, was jeder andere auch sehen würde Isotropes und homogenes Universum Friedmann Universen (1922) Weltmodelle hängen nur ab von Expansion Gravitationsanziehung Homogen aber nicht isotrop Heute Isotrop aber nicht homogen Isotrop UND homogen

Galaxienverteilung Heute

Parameter eines expandierenden Universums Heute Expansion Gravitationsanziehung Expansion Hubble Konstante H 0 ist ein Maß für die Stärke der Expansion: H 0 = 20 km/s/mlj Gravitationsanziehung Normale Materie bremst die Expansion (mittlere Dichte ρ) Kritische Dichte, nötig, um die Expansion zu stoppen: ρ krit = 3 H 02 /8πG = 10-29 g/cm 3

Einsteins Raumzeit Heute 2D Analogon

Raumkrümmung Heute

Geometrie des Universums Heute Balance zwischen Kontraktion und Expansion ausgedrückt durch Ω 0 = ρ/ρ krit Ω 0 > 1, ρ > ρ krit Gravitation gewinnt, das Universum kollabiert Ω 0 = 1, ρ = ρ krit Ausgleich, Expansion hält schlussendlich an Ω 0 < 1, ρ < ρ krit Expansion gewinnt, das Universum kollabiert Λ > 0, Schicksal des Universums ist nicht an die Geometrie gebunden

Ende Tag 1!

Tag 2

Fragen Schicksal unserer Sonne? Neutronensterne als Standardkerzen? Forschungsstand der Kritischen Masse? Wie wird die Entfernung zu einer Standardkerze geeicht? Kann es Antigravitation geben?

Wiederholung Der Raum dehnt sich aus! Heute Entfernung Rotverschiebung (Geschwindigkeit)

Wiederholung Das Kosmologische Prinzip Der Raum ist isotrop und homogen Entwicklung des Universums hängt ab von Expansion Gravitationsbeschleunigung

Das beschleunigte Universum Einsteins Kosmologische Konstante Kosmologische Konstante wirkt wie eine Anti-Gravitation

~70% Dunkle Energie (Kosmologische Konstante) Ω Λ ~30% Materie (Normale und dunkle Materie) Ω m

Eine Reise durch die

0 Am Anfang war

0 Vom Urknall bis heute

10-42 s Eine reise Alter = 10-42 s Der Anfang unserer Physik Alter = 10-36 s, T = 10 27 K Starke und elektro-schwache Kraft trennen sich

Die Inflation 10-36 s Alter = 10-36 s, T = 10 21 K Plötzliche Expansion des Universums um einen Faktor 10 20 10 30 Das Universum wird flach!

Die Vernichtungsschlacht 10-6 s Alter = 10-6 s, T = 10 12 Kelvin Materie und Antimaterie vernichten sich Materie-Antimaterie-Verhältnis 100000001 : 10000000 Danach Materie-Photon-Verhältnis 1 : 100000000

Nukleosynthese 1 min Alter = 1 min, T = 10 9 K Erzeugung leichter Elemente Wasserstoff, Deuterium, Helium, Lithium

Kernfusion 1 min Fusion bei Teilchenkollisionen Starke elektrostatische Abstoßung bei intermediären Abständen Fusion benötigt hohe Temperaturen und große Teilchendichten Kraft Teilchenabstand Starke nukleare Anziehung bei kleinen Abständen

Primordiale Nukleosynthese Primordiale Nukleosynthese 1 min

Primordiale Nukleosynthese 1 min Erklärt die Häufigkeit der leichten Elemente 74% Wasserstoff 25 %Helium 1% Rest Baryonische Dichte 3,5 10-31 g/cm 3 oder 0,2 Wasserstoffatome/m 3

1 min Warum nicht in Sternen?

Fusion in Sternen Fusion in Sternen 1 min

Fusion in Sternen 1 min Kern Temperatur 10 9 K 10 8 K 10 7 K Wasserstoff- Brennen Helium-Brennen Kohlenstoff-Brennen 1.5x10 7 K 6x10 8 K 1x10 8 K H Brenn-Schale He Brenn-Schale C Brenn-Schale O Brenn-Schale Si Brenn-Schale Fe Kern- keine Fusion Erwarte ungefähr genauso viel Helium wie andere Elemente mit großer Masse Verhältnis: 75% H, 13% He, 12% Rest

Vergleich Stellarer und Primordialer Nukleosynthese 1 min skala Temperaturentwicklung Dichte Photon-Baryon- Verhältnis Stellare Nukleosynthese Milliarden von Jahren Ansteigend 100 g/cm 3 1:1 Primordiale Nukleosynthese Minuten Fallend 10-5 g/cm 3 (wie die Luft in diesem Raum) 10 9 : 1

1 min Primordiale Nukleosynthese ist eine der Stützen des Urknall-Modells!

Bildung von Atomen 370000 Jahre Alter = 370000 Jahre, T = 3000 Kelvin Erste Atome bilden sich Das Universum wird transparent

370000 Jahre Können wir den Urknall sehen?

Blick in die Vergangenheit 370000 Jahre 4 Lichtjahre

370000 Jahre 2 Millionen Lichtjahre

Blick in die Vergangenheit einige Milliarden Lichtjahre Jeder Blick in den Kosmos ist ein Blick in die Vergangenheit

Der Urknall füllt den Himmel 370000 Jahre

Der Urknall damals-heute 370000 Jahre Damals: Licht 3000 K Heute: Mikrowellen 3 K

1965 - Die Entdeckung 370000 Jahre Mikrowellen-Strahlung aus dem Kosmos

COBE and WMAP 370000 Jahre COBE COsmic Background Explorer 1989 1993 Nobelpreis 2006 (G. Smoot, J. Mather) WMAP Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Start 2001

Der Spiegel 8/2003 370000 Jahre

370000 Jahre

Der Mikrowellen-Hintergrund 370000 Jahre T = 2.7 K

Die Erde bewegt sich 370000 Jahre ΔT = 0,0035 K

Das Spektrum 370000 Jahre

Die Geschichte der kosmischen Hintergrundstrahlung 370000 Jahre Fläche der letzten Streuung, wo die Bildung der Atome stattfand. Schwarzkörperstrahlung Das beobachtbare Universum Rand des beobachtbaren Universum Distanz, die Licht im Alter des Universums fliegen konnte. Beobachter Schwarzkörperstrahlung Schwarzkörperstrahlung wird von der Fläche der letzten Streuung in alle Richtung emittiert. Wir sehen nur den Teil, der in unsere Richtung emittiert wurde.

Das Echo des Urknalls 370000 Jahre ΔT = 0,000018 K

Multiploentwicklung 370000 Jahre

Das Leistungsspektrum 370000 Jahre

370000 Jahre

370000 Jahre

Kosmologische Parameter Kosmologische Parameter 370000 Jahre

Kosmologische Parameter 370000 Jahre Gesamtenergiedichte 1.003 ± 0.015 Materiedichte 0.24 ± 0.04 Baryonendichte 0.042 ± 0.004 Vakuumenergiedichte 0.76 ± 0.05 Neutrinodichte < 0.014 Alter des Universums 13.7 ± 0.2 Gyr Hubble-Parameter 0.73 ± 0.03 wobei H 100 0 km = h s Mpc

100% 80% 370000 Jahre Neue Form von Energie 60% 40% 20% 0% Neue Form von Materie Neutrinos Sterne Materie

Zusammenfassung Heute Unser Universum ist aus einem Urknall entstanden Galaxienflucht Häufigkeit leichter Elemente Die Kosmische Hintergrundstrahlung 97% der Energiedichte des Universums sind unbekannt!

Dunkle Materie Heute Rotationskurven von Galaxien Elliptische Galaxien Gravitationslinsen Mikrowellen-Hintergrund

Rotationskurven Heute

Galaxien-Cluster 1E 0657-56 56 optisch

Galaxien-Cluster 1E 0657-56 56 Röntgen

Gravitationslinsen

Optisch + Röntgen + Dunkle Materie

Was ist passiert?

Galaxien Cluster CL0024 17 Heute