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Kosmologie heute
Vikariats-Regionalseminare Enkirch und „Nord“
30. Sept. 2004K. Goeke, Ruhr-Universität Bochum
Inhalt• Galaxien, Galaxiengruppen• Expansion des Universums• Mikrowellenhintergrund• Urknall (Big Bang)• Dunkle Materie• Frühe Phasen des Universums• Spuren der frühen Phasen heute
Kosmische Entfernungen 1
0.1 Mio Lj
Kosmische Entfernungen 2
Kosmische Entfernungen 3
Kollision
Kosmische Entfernungen 4
Kosmische Entfernungen 5
Strukturen: Wie kamen sie zustande ?
Inhalt• Galaxien, Galaxiengruppen• Expansion des Universums• Mikrowellenhintergrund• Urknall (Big Bang)• Dunkle Materie• Frühe Phasen des Universums• Spuren der frühen Phasen heute
Expansion des Universums
Wellenlänge des Lichts expandiert mit dem Universum Temperatur des Universums nimmt mit der Expansion ab
Expansion
Jeder Beobachter hat den Eindruck, alle anderen Beobachter würden sich von ihm entfernen. Kein Punkt ausgezeichnet vor anderen.
Entfernte Galaxien
Messungen: Hubble-Parameter
dHv
1 10
2002
: 100 sec
0.65 0.1 0.71 0.04WMAP
Heute H hkm Mpc
h
Zukunft des Universums festgelegt durch Krümmung
Vergangenheit: Urknall - Big Bang
1
1
1
2
c
Messbare Materiedichte
3kritische Dichte 8
Wenn also bekannt
bekannt =
c
c
HG
H
Krümmung des Universums
0
<1Winkelsumme:
180
1
1
1 0
1Winkelsumme:
180
0
1Winkelsumme:
180
Gauss, 1818: Messung derWinkelsumme im DreieckBrocken-Inselsberg-Göttingen
heute
Glaubte man früher
Inhalt• Galaxien, Galaxiengruppen• Expansion des Universums• Mikrowellenhintergrund• Urknall (Big Bang)• Dunkle Materie• Frühe Phasen des Universums• Spuren der frühen Phasen heute
Penzias und Wilson
Schwarzer Körper
Photonen und Atome stehen permanent in starker Wechselwirkung
Thermisches Gleichgewicht zwischen Strahlung und Atomen Temperatur von Ofen und Strahlung gleich spezielle Strahlung
Intensitätsverteilung der Frequenzen (Energien, Wellenlängen) der Strahlung im Inneren des Schwarzen Körpers hängt nur von der Temperatur und nicht vom strahlenden Material ab.
Schwarzer Körper vs. Universum
Verteilung der Strahlung über Frequenzen (Energieverteilung) hängt nur von der Temperatur ab.
Messung der Temperatur
Universum ist erfüllt von einer Schwarz- körperstrahlung
Messung der Frequenzen und ihrer Intensitäten
Mikrowellenhintergrundstrahlung
Strahlung ist die eines Schwarzen Körpers
T =
KelvinT _004.0726.2 270T C
Mikrowellen:
Mikrowellen aus dem Mikrowellen-Herd haben eine andere Energieverteilung über die Frequenzen als die kosmische Hintergrundstrahlung.
Isotropie der Hintergrundstrahlung
Durchbruch für Urknall-Theorie
Inhalt• Galaxien, Galaxiengruppen• Expansion des Universums• Mikrowellenhintergrund• Urknall (Big Bang)• Dunkle Materie• Frühe Phasen des Universums• Spuren der frühen Phasen heute
Expansion des Universums
Wellenlänge des Lichts expandiert mit dem Universum Temperatur des Universums nimmt mit der Expansion ab
Big Bang
Zeit
„Presse“ Universum zusammen und „schraube“ Temperatur hoch, Mikrowellen werden kurzwelliger und damit energiereicher
heuteUrknall
Aufbruch der Atome
Photonen von 3 Kelvin sind nicht energiereich genug, um Wasserstoff zu ionisieren.
Photonen von 3000 Kelvin sind energiereich genug, um Wasserstoff zu ionisieren.
3000 K Aufbrechen der Atome
H- und He-Atome und Photonen
Freie Atomkerne und Elektronen und
Photonen
Tem
pera
tur
1010 K Aufbrechen der AtomkerneTe
mpe
ratu
r
Atomkerne und
Photonen
Freie Nukleonen (Protonen und
Neutronen) und Photonen
1012 K Aufbrechen der Nukleonen
Nukleonen und
Photonen
Freie Quarks und Gluonen und
Photonen
Tem
pera
tur
Strahlung Materie
Strahlung erzeugt Teilchen- Antiteilchen-Paare
Teilchen- Antiteilchen-Paare vernichten sich zu Strahlung
Geschichte des Universums
Inhalt• Galaxien, Galaxiengruppen• Expansion des Universums• Mikrowellenhintergrund• Urknall (Big Bang)• Dunkle Materie• Frühe Phasen des Universums• Spuren der frühen Phasen heute
Masse im Universum
Mehr oder weniger gesichert
gesichert
Rotation von Galaxien
Starre Rotation
Differentielle Rotation
Halo aus dunkler Materie
Heisses Gas Dunkle MaterieNGC 720 Die sichtbare Materie reicht nicht aus
Die heisse Gaswolke gravitativ zu-Sammenzuhalten
NGC 2300
Die Röntgenemission der NGC 2300 Gruppe beweist, daß es Dunkle Materie auch zwischen die Galaxien gibt. Gäbe es keine Dunkle Materie zwischen den Galaxien, wäre es unmöglich, das heiße, röntgenstrahlende Gas zwischen den Galaxien für lange Zeit zu halten, wir könnten es daher nicht beobachten.
Teilchen der dunklen Materie noch unbekannt Vermutungen LHC
Inhalt• Galaxien, Galaxiengruppen• Expansion des Universums• Mikrowellenhintergrund• Urknall (Big Bang)• Dunkle Materie• Frühe Phasen des Universums• Spuren der frühen Phasen heute
Krümmung des Universums
negativ
flach
positiv
Flaches Universums
Warum flach ??
Kein Zufall, sondern Mechanismus
Krümmung
• Inflation beherrscht von skalarem Quantenfeld• Universum extrem klein, kleiner als Proton• Inflationäre Expansion ist exponentiell• Alle 10**(-36) sec verdoppelt sich Universum• Inflation endet nach 10**(-34) sec• Radius hat sich um 10**(+43) vergrößert • Universum ist strahlungsdominiert
Inflationäres Universum
Quantenfluktuationen bei Inflation
Dichte-Instabilität
Dichtefluktuationen vergrößern sich durch gravitative Anziehung.
Unterdichte Bereiche wachsen und werden dünnerÜberdichte Bereiche schrumpfen und werden dichter
Koppeln sich von der Expansion ab
Bilden stabile selbstgravitierende Bereiche
Zunächst auf kleinen Skalen, dann auf größeren selbstähnlich
z=5
Computer Simulation
z=3
Computer Simulation
z=1
Computer Simulation
Computersimulation mit dunkler Materie
Inhalt• Galaxien, Galaxiengruppen• Expansion des Universums• Mikrowellenhintergrund• Urknall (Big Bang)• Dunkle Materie• Frühe Phasen des Universums• Spuren der frühen Phasen heute
Entwicklungsphasen des UniversumsUrknall, inflationäre Ausdehnung, Enstehung des kosmischen Hintergrundstrahlung nach 400000 Jahren heute
Großräumige Verteilung der Galaxien im Universum
Resultate: COBE
3
Penzias und Wilson (1965):
Genauigkeit: 10TT
6
COBE (1992):
Genauigkeit: 10TT
Boomerang: Größere Genauigkeit
Boomerang 1999: Viel genauer als COBE
Mond
WMAP 2002
WMAP: Präzisionsmessung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung
Cosmic Background Sat. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe
Universum 13.7 Mrd. Jahre alt Hubble-Parameter genau Universum ist flach Fluktuationen Inflationsmodell
Anisotropie und
Krümmung
Zukunft des Universums festgelegt durch Krümmung
Vergangenheit: Urknall - Big Bang
1
1
1
Universum expandiert
beschleunigt
Dunkle Energie Kosmologische
Konstante
Urknall und Inflation
Universum flach
Energieverteilung im Universum
Mehr oder weniger gesichert
Ursprung unbekannt
Einsteins kosmologische Konstante
• Einstein – Friedman: kosmologische Gl.• Einstein wollte statisches Universum• Führte deshalb negative kosm. Konst. ein• Hubble entdeckte Expansion• Einstein:• Beschleunigte Expansion heute entdeckt• Positives gefordert
Das Universum: Entwicklung
• Entstanden von 13-14 Mrd. Jahren• Hot Big Bang:• Inflation• Expansion und Abkühlung• Sukzessives „Ausfrieren“ von Strukturen• Entkopplung Strahlung-Materie (400000 y)• Entstehung von Sternen und Gaswolken• Gravitative Ballung zu Galaxien und Haufen• Abkühlung der Hintergrundstrahlung (CMB)
Universum: Struktur
• Krümmung: Flach• Ausdehnung: Unendlich• Expansion: für immer, vermutlich beschleunigt• Fluktuationen im Mikrowellenhintergrund und in
Galaxienverteilung hängen zusammen• Vermutlich: Quanteneffekte von Inflationsphase• Nicht verstanden: Ursprung der dunklen Energie
Physik Schöpfung• Physikalische Gesetze gelten heute auf der Erde.• Zeigen sich in Labor-Experimenten.• Sind reproduzierbar.• Gelten auch im Universum.• Gelten auch in frühen Phasen des Universums.• Bisher konnte man sich dem Urknall (t=0) nähern,
ohne die physikalischen Gesetze zu ändern.• Wenn man sie ändert, muß das so geschehen, daß die
gesicherten Erkenntnisse nicht berührt werden.• Man kann sich vermutlich dem Urknall beliebig
nähern, ihn aber niemals erreichen.• Physik fragt nicht “warum”, sondern “wie”
Entwicklung nach Entkopplung
• Materie: H, He• Materie ballt sich und verdichtet sich• Es bilden sich die ersten Sterne• Die Sterne sammeln sich zu Galaxien• Supernova-Explosionen bilden schwere Elemente• Galaxien sammeln sich zu Haufen• Großräumige Strukturen bilden sich aus• Das heutige Universum entsteht
Entwicklung Universum: Tabelle
KTK
sts1215
410
1010
1010
KTK
sts1012
4
1010
110
KTK
sts
1650010
10110
11
KTKst300016500
1010 1311
KTKstt
330001010 17
013
Freie Elektronen, Quarks, Photonen, Neutrinos. Alles wechselwirkt intensiv mit jedem anderen
Freie Elektronen, Protonen, Neutronen, Photonen, Neutrinos. Alles wechselwirkt intensiv mit jedem anderen.
Protonen und Neutronen haben sich gebunden um Atome zu bilden, deshalb freie Elektronen, Atomkerne, Photonen, Neutrinos. Alles wechselwirkt intensiv mit jedem anderen, ausgenommen die Neutrinos, deren Wechselwirkungen jetzt zu schwach sind.
Wie vorher, nur daß das Universum nun materiedominiert ist. Das Universum ist nach wie vor undurchsichtig für Lichtstrahlen
Atome haben sich formiert aus den Atomkernen und Elektronen. Die Photonen wechselwirken nicht mehr mit ihnen und kühlen sich ab, um das zu bilden, was wir heute als Mikrowellenhintergrund bezeichnen. Das Universum ist nun durchsichtig für Lichtstrahlen.
Grossräumige Strukturen
Schwarz
Materiedominanz und Entkopplung
y3000sec1011
log(Zeit)
log(
Tem
pera
tur)
1160
0 K
strahlungsdominiert
materiedominiert
300000yung Entkoppl1013
s
3000
KGeht man in der Zeit zurück, nimmt die Temperatur des Universums zu
Messungen: Hubble-Parameter
dHv
1 10
2002
: 100 sec
0.65 0.1 0.71 0.04WMAP
Heute H hkm Mpc
h
Krümmung des Universums
Riemannsche Geometrie
Optische Effekte=1
Umfang Kreis:2 R
>1Umfang Kreis:
2 R
<1Umfang Kreis:
2 R
1
1
1
Teilchen der dunklen Materie
Geladene Teilchen
wechselwirken immer durch
Strahlung
•Normale (baryonische) Materie ist fast immer geladen
•Protonen, Elektronen, etc.
•Nur Neutrinos sind ungeladen
•Teilchen der dunklen Materie sind ungeladen
Spiegelteilchen bisher noch in keinem Beschleuniger direkt nachgewiesen.
Ungeladenes Neutralino, Higgsino Dunkle Materie ??
Dunkle Materie: Supersymmetrie ?Zu jeder Teilchensorte existiert eine Spiegel-Teilchensorte
Neutralino: Leichtestes stabiles supersymmetrisches Teilchen
Higgsino: Supersymmetrischer Partner des Higgs-Teilchens
Higgs-Teilchen wird postuliert,
wurde aber noch nicht gefunden