Kosmologie Christian Stegmann Universität Erlangen
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Vom Urknall bis heute Zeit Kosmologie Christian Stegmann Universität Erlangen-Nürnberg Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Die Erde … Heute Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 … einer von acht Planeten Heute Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Sterne Heute Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Die Milchstrasse Heute Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Voller Sterne Heute Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Und Nebel Heute Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Unsere Milchstrasse Heute Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Das Weltall ist voller Galaxien Heute Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Galaxiencluster Heute Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Edwin Hubbles Entdeckung Heute Zeit • Die Galaxien bewegen sich von uns weg • Umso schneller, je weiter sie weg sind Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Galaxienflucht Heute Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Verstehen wir das? Heute Zeit • Wir sind das Zentrum des Universums! • Das Weltall dehnt sich aus – Der Raum zwischen den Galaxien wird größer Wissenschaftlich attraktiver! Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Heute Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Heute Zeit Einige Zeit später Doppelt so weite Galaxien entfernen sich doppelt so schnell! Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Wie kann man das messen? Heute Zeit • Geschwindigkeitsmessung – Tacho? • Entfernungsmessung – Lineal? Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Heute Zeit Geschwindigkeitsmessung über Rotverschiebung Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Dopplereffekt Heute Zeit niedrige Frequenz hohe Frequenz Rotverschiebung Blauverschiebung Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Kosmologische Rotverschiebung Heute Zeit Weltall dehnt sich aus Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Galaxien-Spektroskopie Heute Zeit Stern-Spektrum Natrium Magnesium Galaxien-Spektrum Kalzium vGalaxy ~ 12000 km/s Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Entfernungsmessung Heute Zeit R scheinbare Helligkeit ~ wahre Helligkeit . 1/R2 Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Heute Zeit Helligkeit gemessene Helligkeit Mit einem Punkt ist alles bestimmt! gemessene Helligkeit bekannter Abstand Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 gemessener Abstand Entfernung, R Heute Zeit Wir brauchen Lampen! Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Sternenexplosionen Heute Zeit • 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 Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Eine Supernova Heute Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Wo ist die Supernova? Heute Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Hier! Heute Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 „Standardkerzen“ Heute Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Spektren zur Identifikation Heute Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Das Hubble-Diagramm Heute Entfernung Zeit Rotverschiebung (Geschwindigkeit) Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Heute Zeit • 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 Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Heute Zeit Weltmodelle Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Allgemeine Relativitätstheorie Heute Zeit • 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 Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Lösungen Heute Zeit • Kosmologische Prinzip – Wir sehen das, was jeder andere auch sehen würde – Isotropes und homogenes Universum Homogen aber nicht isotrop Isotrop aber nicht homogen • Friedmann Universen (1922) • Weltmodelle hängen nur ab von – Expansion – Gravitationsanziehung Isotrop UND homogen Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Galaxienverteilung Heute Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Parameter eines expandierenden Universums Heute Zeit • Expansion ↔ Gravitationsanziehung • Expansion – Hubble Konstante H0 ist ein Maß für die Stärke der Expansion: H0 = 20 km/s/MLj • Gravitationsanziehung – Normale Materie bremst die Expansion (mittlere Dichte ρ) – Kritische Dichte, nötig, um die Expansion zu stoppen: ρkrit = 3 H02/8πG = 10-29 g/cm3 Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Einsteins Raumzeit Heute Zeit 2D Analogon Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Raumkrümmung Heute Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Geometrie des Universums Heute Zeit • Balance zwischen Kontraktion und Expansion ausgedrückt durch Ω0 = ρ/ρkrit – Ω0 > 1, ρ > ρkrit Gravitation gewinnt, das Universum kollabiert – Ω0 = 1, ρ = ρkrit Ausgleich, Expansion hält schlussendlich an – Ω0 < 1, ρ < ρkrit Expansion gewinnt, das Universum kollabiert • Λ > 0, Schicksal des Universums ist nicht an die Geometrie gebunden Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Zeit Ende Tag 1! Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Zeit Tag 2 Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Fragen Zeit • Schicksal unserer Sonne? • Neutronensterne als Standardkerzen? • Forschungsstand der Kritischen Masse? • Wie wird die Entfernung zu einer Standardkerze geeicht? • Kann es Antigravitation geben? Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Wiederholung Heute Entfernung • Der Raum dehnt sich aus! Rotverschiebung (Geschwindigkeit) Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Zeit Wiederholung Zeit • Das Kosmologische Prinzip – Der Raum ist isotrop und homogen • Entwicklung des Universums hängt ab von – Expansion – Gravitationsbeschleunigung Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Das beschleunigte Universum Zeit • Einsteins Kosmologische Konstante • Kosmologische Konstante wirkt wie eine Anti-Gravitation Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Zeit • ~70% Dunkle Energie (Kosmologische Konstante) ΩΛ • ~30% Materie (Normale und dunkle Materie) Ωm Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Zeit Eine Reise durch die Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Am Anfang war … 0 Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Vom Urknall bis heute 0 Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Eine Zeitreise 10-42 s Zeit • Alter = 10-42 s – Der Anfang unserer Physik • Alter = 10-36 s, T = 1027 K – Starke und elektro-schwache Kraft trennen sich Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Die Inflation 10-36s Zeit • Alter = 10-36 s, T = 1021 K – Plötzliche Expansion des Universums um einen Faktor 1020 – 1030 – Das Universum wird flach! Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Die Vernichtungsschlacht 10-6 s Zeit • Alter = 10-6 s, T = 1012 Kelvin – Materie und Antimaterie vernichten sich – Materie-Antimaterie-Verhältnis 100000001 : 10000000 – Danach Materie-Photon-Verhältnis 1 : 100000000 Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Nukleosynthese 1 min Zeit • Alter = 1 min, T = 109 K – Erzeugung leichter Elemente – Wasserstoff, Deuterium, Helium, Lithium Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Kernfusion 1 min Zeit • Fusion bei Teilchenkollisionen Kraft • Fusion benötigt hohe Temperaturen und große Teilchendichten Starke elektrostatische Abstoßung bei intermediären Abständen Teilchenabstand Starke nukleare Anziehung bei kleinen Abständen Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Primordiale Nukleosynthese 1 min Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Primordiale Nukleosynthese 1 min Zeit • Erklärt die Häufigkeit der leichten Elemente – 74% Wasserstoff – 25 %Helium – 1% Rest • Baryonische Dichte – 3,5·10-31 g/cm3 oder – 0,2 Wasserstoffatome/m3 Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 1 min Zeit Warum nicht in Sternen? Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Fusion in Sternen 1 min Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Fusion in Sternen 1 min Zeit • Kohlenstoff-Brennen 109 K Kern Temperatur 6x108 K Helium-Brennen 108 K 1x108 K WasserstoffBrennen 107 K 1.5x107 K Zeit 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 Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Vergleich Stellarer und Primordialer Nukleosynthese 1 min Zeit Stellare Nukleosynthese Primordiale Nukleosynthese Zeitskala Milliarden von Jahren Minuten Temperaturentwicklung Ansteigend Fallend Dichte 100 g/cm3 10-5 g/cm3 (wie die Luft in diesem Raum) Photon-BaryonVerhältnis 1:1 109 : 1 Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 1 min Zeit Primordiale Nukleosynthese ist eine der Stützen des Urknall-Modells! Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Bildung von Atomen 370000 Jahre Zeit • Alter = 370000 Jahre, T = 3000 Kelvin – Erste Atome bilden sich – Das Universum wird transparent Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 370000 Jahre Zeit Können wir den Urknall sehen? Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Blick in die Vergangenheit 370000 Jahre Zeit 4 Lichtjahre Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 370000 Jahre Zeit 2 Millionen Lichtjahre Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Blick in die Vergangenheit Zeit einige Milliarden Lichtjahre Jeder Blick in den Kosmos ist ein Blick in die Vergangenheit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Der Urknall füllt den Himmel 370000 Jahre Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Der Urknall damals-heute 370000 Jahre Zeit Damals: Licht 3000 K Heute: Mikrowellen Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 3K 1965 - Die Entdeckung 370000 Jahre Zeit Mikrowellen-Strahlung aus dem Kosmos Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 COBE and WMAP 370000 Jahre Zeit • COBE – COsmic Background Explorer – 1989 – 1993 – Nobelpreis 2006 (G. Smoot, J. Mather) • WMAP – Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – Start 2001 Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Der Spiegel 8/2003 370000 Jahre Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 370000 Jahre Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Der Mikrowellen-Hintergrund 370000 Jahre Zeit T = 2.7 K Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Die Erde bewegt sich 370000 Jahre Zeit ΔT = 0,0035 K Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Das Spektrum 370000 Jahre Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Die Geschichte der kosmischen Hintergrundstrahlung 370000 Jahre Zeit Fläche der letzten Streuung, wo die Bildung der Atome stattfand. Schwarzkörperstrahlung Rand des beobachtbaren Universum – Distanz, die Licht im Alter des Universums fliegen konnte. Das beobachtbare Universum Beobachter Schwarzkörperstrahlung Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 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 Zeit ΔT = 0,000018 K Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Multiploentwicklung 370000 Jahre Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Das Leistungsspektrum 370000 Jahre Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 370000 Jahre Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 370000 Jahre Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Kosmologische Parameter 370000 Jahre Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Kosmologische Parameter 370000 Jahre Zeit – 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 km H 0 = 100 ⋅ h s ⋅ Mpc Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 370000 Jahre Zeit 100% 80% Neue Form von Energie 60% 40% 20% 0% Neue Form von Materie Neutrinos Materie Sterne Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Zusammenfassung Heute Zeit • Unser Universum ist aus einem Urknall entstanden – Galaxienflucht – Häufigkeit leichter Elemente – Die Kosmische Hintergrundstrahlung • 97% der Energiedichte des Universums sind unbekannt! Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Dunkle Materie Heute Zeit • Rotationskurven von Galaxien • Elliptische Galaxien • Gravitationslinsen • Mikrowellen-Hintergrund Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Rotationskurven Heute Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Galaxien-Cluster 1E 0657-56 Zeit optisch Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Galaxien-Cluster 1E 0657-56 Zeit Röntgen Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Gravitationslinsen Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Zeit Optisch + Röntgen + Dunkle Materie Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Was ist passiert? Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007 Galaxien Cluster CL0024 17 Heute Zeit Christian Stegmann, Kosmologie, CERN 2007
