Powerpoint - Universität Tübingen

Entstehung unseres Universums.
– Gab es einen Anfang?
Amand Fäßler, Univ. Tübingen
Wie ist es entstanden?
Fing alles mit dem
Urknall an ?
Wie geht es weiter?
Jede Kultur hat versucht die Welt
einfach zu verstehen.
Anfang der Bibel: „Im Anfang schuf Gott…“
Empedokles (Agragas): ~ 450 v. Ch.
4 Elemente: Erde, Wasser, Luft, Feuer
Kräfte: filia, neikoV
Aristoteles (Athen):
~ 350 v. Ch.
Äther = Quinta essentia
Isaac Newton (London): ~ 1687 n. Ch. (Principia)
Kräfte im Himmel = Kräfte auf der Erde
Amand Fäßler, Universität Tübingen
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Moderne Kosmologie:
Drei Säulen
Mikrowellen- Expansion
Bildung der
hintergrund des Univers. leicht. Kerne
1964
bis heute
1929
bis heute
~1980
bis heute
1. Säule: Expansion
unseres Universums:
Woher wissen wir dies?
Unser Raum dehnt
sich aus.
Galaxie
Erde
Zeit
Galaxie
Erde
•Woher wissen wir dies?
Entdeckung der Expansion des Universums
Geschwindigkeit [km/sec]
Cepheiden: Periode der Helligkeit
verbunden mit wahrer Helligkeit
Geschwindigkeit [km/sec]
Gemessene Helligkeit ~
wahre Helligkeit/ Abstand2
Entfernung [Megaparsec]
H0 = H(t0) = 71 [km/sec Mpc]
Entfernung [Megaparsec]
Alle Supernovae
Explosionen dieses
Types ( Ia) gleich hell.
Gemessene Helligkeit ~
wahre Helligkeit / Abstand2
Heute: H0 = 71
[km/sec pro Mpc]
Struktur im Universum
Erde: Durchmesser = d = 13 000 km
Sonne: Entfernung = d = 150 Million km = 1 AU[Astro. Einheit]
Nächster Stern: Proxima Centauri 4,1 Lichtjahre
Durchmesser Milchstr. 100 000 Lichtjahre = 33 000 [psec]
Nächste Galaxie: Andromeda 2.5 Million Lichtjahre
Entfernung zum COMA-Haufen(10 000 Galaxien) = 100 [Mpsec]
Gemittelt über 100 Mpsec: konstante Dichte
Kosmologisches Prinzip: Wir sind nicht an ausgezeichneter Stelle.
2. Säule: Kosmische
Mikrowellen- (im Maximum 2 mm)
Hintergrundstrahlung.
Was ist das und wie sagt dies
etwas aus über die Natur des
Universums?
Erklärung durch Theoretiker in Princeton.
Verlangt „Inflationäre“ Expansion
2.726 Kelvin
Temperatur-Fluktuationen der Kosmischen
Mikrow.-Hintergrundes 1/100 000
(2002)
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Ausdehnung
bekannt
Krümmung des
Universums
x
x
 1
 1
x
WMAP 2002 :
  1.00  0.02
 1
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Anisotropie
und
Krümmung
Beobachtete Fluktuationen
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Helligkeitsvertlg als Fkt Rotversch.
Abstände ( Zeit)
Skalenfaktor a(t)
Urknall = Big Bang
Anstieg der Geraden =
H(heute) = 71[km/(sec Mpc)]
Hubble Gesetz: v = H(Zeit) d
d = v/H(Zeit)
Heute
Zeit
Relative Größe des Universums
Relative Abstände im Universum als Funktion
der Zeit mit verschiedener Materiedichte
und Anteil der Dunklen Energie.
Dunkle Materie + Dunkle Energie
Accelerating
Expansion
d = v/H(Zeit)
Contracting
Universe
heute
Miliarden Jahre
Diese Fakten verlangen:
• Materie 30 % der Energiedichte des Universums
( Energie = Masse * c2 ).
• Davon leuchtende Materie (Sterne) ~ 0,5 % von total.
• Von den 30% sind nur 4% bekannte Materie relativ
zu total.
• Unbekannte (Dunkle) Materie ~ 26 %
Was ist dies ?
• Was sind die restlichen ~ 70 % ? (Dunkle Energie)
Energiedichte = Massendichte * c2
• Das Universum ist etwa 13 bis 14 Milliarden Jahre alt.
Wir wissen nicht was zu
~ 96 % unser Universum füllt.
Dunkle Materie im Coma-Haufen
Im sichtbaren Licht
10 000 Galaxien 300
Millionen Lichtjahre entfernt
Im Röntgenlicht
95 % der Masse in
Plasmagaswolke
Dunkle
Materie ?
Masse der Gaswolke reicht nicht, den Zusammenhalt der Galaxien zu erklären.
Rotation von
Dunkle
Galaxien
Materie ?
Geschwindigkeit [km/sec]
Was kompensiert die
Zentrifugalkraft ?
Faktum
erwartet
Radius [kiloparcec]
Einstein Ringe
Gravitations-Mikrolinsen-Effekt
Einsteins persönlicher Ring
•
•
•
•
mit Schwarzem
Loch vor dem Mund
Sie möchten einen direkten Beweis
für Dunkle Materie ? Ich werde
Ihnen einen direkten Beweis geben!
A direct proof for dark matter ?
2006 : Kollision eines kleinen und eines
großen Galaxienhaufens im Ablauf von 2
Millionen Jahren von links nach rechts
Dunkle (u. helle) Materie
Helle Materie
Kollision zweier Galaxien im Röntgenlicht (rosa)
und mit Gravitationslinseneffekt (blau).
Erster direkter Nachweis
für Dunkle Materie.
z=1
Computer
Simulation mit
heller und
dunkler
Materie
Formierung von
Galaxienhaufen
Diese bobachtete Verteilung der Galaxien nur
mit sechs bis siebenfacher Dunkler Materie.
Galaxien Verteilung
erscheinender
Beobachtete
vorzugsweise
entlang der
Galaxien. Konzentriert
Filamente
orientiert
längs Filamente.
70 %
26 %
Dunkle Energie beträgt 70 %
des Gewichts des Universums
• Was ist dies?
• Vakuumenergie?
• Kurzfristige TeilchenAntiteilchen-Erzeugung aus
dem Nichts?
3. Säule:
Bildung der leichten
Atomkerne im Urknall
Bildung der leichten
Atomkerne im Urknall
• Man beobachtet in alten Sternen
• 75 % Wasserstoff (Protonen)
•
• 25 % Heliumatome (Kern: aTeilchen)
( zwei Protonen und zwei Neutronen ).
300 Sekunden nach Urknall:
Eine Milliarde Grad; Kerne stabil
Elektronen + Protonen  Neutronen + Neutrinos
Da Neutronen schwerer als Protonen:
Zahl(Protonen) : Zahl( Neutronen) = 7 : 1
Bei eine Milliarde Grad (100 keV):
Bildung von Deuterium (pn) -> Helium(2p, 2n)
Massen-Häufigkeit der leichten
Elemente nach dem Urknall
• Wasserstoff (p)
~ 0,75
• Helium4 (ppnn)
~ 0,25
• Deuterium (pn) ~ 0,00004
• Helium3 (ppn)
~ 0,00001
• Lithium7
~ 0,0000000003
4*105 J
Inflation
Inflation
Leichte
Kerne
Mikrowellenhintergrundstrahlung
Beschleunigung
Zusammenfassung:
Die Kosmologie ist auf einem hohen Niveau
des Nichtwissens: Wir kennen nur 4 % der
Energiedichte im Universum.
 26 % der Dichte des Universums sind
unbekannte Dunkle Materie.
 70 % der Dichte des Universums sind
Dunkle Energie (mit Druck zur Expansion).
Offene Fragen:
Was bewirkt die Inflationäre Expansion, die
im ganzen Universum die gleiche
Temperatur sicher stellt?
 Was war vor dem Urknall? Kaotisches
Ur-Universum?
Phasenübergang mit ungeheuerem
Energiegewinn?
Ist dies mehrmals passiert?
Gibt es mehrere Parallel-Universa?
An was glauben die
Naturwissenschaftler?
 Dass alles Naturgesetzen folgt.
 Es wurden noch nie unter Labor-
bedingungen Wunder nachgewiesen.
(Sind vielleicht im Labor prinzipiell nicht nachzuweisen.)
 Wir glauben nicht an „Intelligent Design“.
Wir können weder die Existenz noch
die Nicht-Existenz Gottes beweisen.
ENDE