Folie 1

Die Ersten Galaxien
Kapitel 4:
Vergangenheit & Zukunft des
Universums
4.1 Die kosmologischen Grundgleichungen
4.2 (Homogene) Weltmodelle
4.3 Die zeitliche Entwicklung des
„homogenen“ Kosmos
Literatur zu Kapitel 4:
D.-E. Liebscher: „Kosmologie“ Barth-Verlag,
Leipzig, Heidelberg 1994
P.J.E. Peebles: „Principles of Physical Cosmology“
Princeton University Press, 1993
G. Börner: „The Early Universe“, Springer-Verlag,
Heidelberg, 2003
http://lambda.gsfc.nasa.gov
Welche Lösung der Friedmann-Differentialgeichungen
ist die beste Näherung?
Beobachtungen (s.u.) zeigen, dass die Krümmung z. Zt. vernachlässigbar klein ist. Früher war sie erst recht unwichtig. k = 0
Da die Energiedichte der Strahlung proportional (z+1)4, während
sich die Materiedichte wie (z+1)3 ändert, war am Anfang das
„Strahlungsuniversum“ (4.14) eine sehr gute Näherung.
Eine Zurückrechnung von den heutigen Energiedichten zeigt,
Dass ab etwa z = 104 die Materie dominiert (4.12) wird eine
gute Näherung.
Heute dominiert die DE.
(4.15) ist heute die beste Näherung
Die geringe Krümmung, hohe Homogenität, und beobachtete Struktur
können nur erklärt werden, wenn die Epoche des Strahlungsuniversums
durch eine „Inflationsphase“ entsprechend (4.13) unterbrochen wurde
Die beobachtete
kosmische Expansion
heute
Urknall
Kurve für Weltalter 14 x 109 Jahre !
Wichtigste Methoden zur Bestimmung der kosmischen
Parameter:
H0 : „Lokale Standardkerzen“ (Pulsierende Sterne, TF-Relation,
Gravitationslinsen, älteste Sterne, …
ρΒ :: Ηäufigkeit von He, D, Li, CMB (s.u.)
ρDM: CMB, Galaxienhaufen, Gravitationslinsen, Strukturentwicklung,
Galaxien,…
k
: CMB, Galaxienverteilung,…
Λ : Supernovae Typ Ia, CMB, Gravitationslinsen
Supernova 1987a (Typ II)
Bild vor dem Ausbruch
Supernova vom Typ Ia sind:
Thermonukleare Explosionen von „Weißen Zwergsternen“
aus Kohlenstoff in Doppelsternsystemen, bei dem der
2. Stern Masse an den WZ abgibt.
(WZ = Stern bei dem das hydrostatische Gleichgewicht
durch den Druck des Fermi-entarteten Elektronengases
aufrecht erhalten wird.)
Der WZ explodiert, wenn seine Masse die kritische
(Chandrasekhar-) Masse für Kohlenstoff überschreitet.
Da immer (etwa) die gleiche Menge des gleichen Materials
explodieren, ist die Explosionsenergie und damit
die absolute Abstrahlung immer etwa gleich und
unabhängig von der Entfernung.
(Tatsächlich gibt es kleine Unterschiede, die aber anhand
der „Lichtkurve“ bestimmt und korrigiert werden können.)
Vergleich von SN Ia – Messungen mit Expansionsmodellen (Riess et al. 2004)
Die Ersten Galaxien
Kapitel 5:
Ursprung und Entwicklung von Struktur
5.1 Der Ursprung der heutigen Struktur
5.2 Die zeitliche Entwicklung von Dichtefluktuationen
5.3 Beobachtete Fluktuationen bei z = 1089
„Mikrowellenhintergrund“, „CMB“
5.4 Von Dichtefluktuationen zu Sternen
und Galaxien
Literatur zu Kapitel 5:
R. Mansouri & R. Brandenberger (eds.):
„Large Scale Structure Formation“
Kluwer-Verlag, Dordrecht, 2000
M. S. Longair: „Galaxy Formation“, Springer-Verlag, HD, 1998
G. Börner: „The Early Universe“, Springer-Verlag,
Heidelberg (2003), Kap. 10 -12
http://lambda.gsfc.nasa.gov
Der Ursprung der heutigen Struktur im Kosmos:
(3) Homogene Weltmodelle (Kap. 4) sind offensichtlich nur eine
Näherung, da wegen der Quantenffekte immer räumliche
und zeitliche Dichtefluktuationen auftreten müssen!
(2) Die Gravitation verstärkt alle ausreichend große Fluktuationen
(genau: Fluktuationen größer als die „Jeans-Skala“ bzw.
größer als der „Welthorizont“ (Weltalter x Lichtgeschwindigkeit).
(3) Da am Anfang (wegen der hohen Dichte) praktisch alle
Fluktuationen rasch wachsen, sagt die Theorie aber für eine frühe
kosmische Entwicklung nach (4.14) einen weit weniger
homogenen Kosmos voraus, als beobachtet….
(4) Ausweg: Eine kurze (Weltalter ca. 10-34-10-32 s) „inflationäre“
Expansion nach (4.13), bei der die frühen Fluktuationen durch
„Abkühlen“ verschwinden und nur die Quanten-Fluktuationen
am Ende der Inflation überleben. Die gravitative Verstärkung
dieser Fluktuationen ergibt dann unseren heutigen Kosmos.
Theoretisch
„überschaubarer“
Bereich des
Kosmos
z =unendlich („Horizont“)
Z=10
z=1.3
z=0.4
z=0
z = „Rotverschiebung“
(lineare Skala)
Entstehung von Struktur: Theorie & Beobachtung:
Theorie:
Für kleine Abweichungen von der Homogenität können
Entstehung und Entwicklung der Quantenfluktuationen
anhand der Quantentheorie und der ART in (ausreichender)
linearer Näherung berechnet werden (s. nächste Folie).
Spätere Phasen können für Bereiche < Horizont mit der
Newtonschen Mechanik und HD weitergerechnet werden…
Beobachtung:
Direkt beobachtbar ist die Struktur im Licht der kosmischen
Mikrowellenstrahlung (Cosmic Microwave Background,
„CMB“), sowie später in der Verteilung der Galaxien und der
intergalaktischen Materie („Lyα-Wolken“).
Z=1089
Z=100
Z=10
Z=1
Ursprung der
kosmischen Mikrowellenstrahlung (CMB)
WMAP ist seit 2001 im Langrange-Punkt 2 des Erde-Sonne-Systems stationiert
WMAP (= Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)
Himmelskarte im „Licht“ der kosmischen Mikrowellenstrahlung
(WMAP)
Relative Variation: ca. 0.00003 !
WMAP 2003
beobachtete
Leistungsspektren
Leistungsspektrum der CMB-Fluktuationen (WMAP)
Ursache für das beobachtete CMB-Leistungsspektrum:
In den Frühphasen des Kosmos wächst die Jeansmasse (= Masse
innerhalb der Jeans-Skala bzw. des Horizonts) mit zunehmendem
Weltalter. Eine gravitativ kontrahierende Fluktuation bestimmter
Masse erreicht irgendwann M = MJ. Ist dies der Fall, wird der
Kollaps gestoppt und die lokale Dichte beginnt zu oszillieren (SchallWellen). Wird ρΜ = ρS erreicht, koppelt die DM ab und kontrahiert
wieder. Die baryonische Materie schwingt (mit dem Strahlungsfeld)
weiter, bis der Kosmos durchsichtig und damit der Strahlungsdruck
unwichtig wird. Dies ist aber der Zeitpunkt der Aussendung der
Mikrowellenstrahlung. Struktur in der Mikrowellenstrahlung zeigt
räumlichen Dichte- (und Geschwindigkeits-) Variationen durch die
„Schallwellen“, die (für jede Wellenlänge kohärent!) die „Photosphäre
des Urknalls“ erreichen. Das 1. Maximum im CMB-LS entspricht
der größten Wellenlänge, die eine maximale Auslenkung erreichen
kann. Da diese Auslenkung eine Kontraktion ist, wird sie durch die
DM verstärkt! Die anderen Maxima sind entsprechende Vielfache.
Alle geraden (2., 4., ..) Maxima entsprechen Expansionen und
werden daher durch die Kontraktion der DM abgeschwächt!
Verhalten der DM und der baryonischen Materie bei der Entwicklung von Dichtefluktuationen
Kosmos wird
durchsichtig
ρS = ρM
ΜJ
log M
Rot = DM
Kontraktion
Kontraktion
Oszillation
Oszillation
Kontraktion
Kontraktion
Oszillation
Kontraktion
MJ
Grün = BM
log t
negative Krümmung
eben
positive Krümmung
Von Dichtefluktuationen zu Sternen und Galaxien:
Theorie:
Für Gebiete < des Horizonts kann die weitere Entwicklung
mit Hilfe von Newtonschen N-Körper-Rechnungen (DM)
bzw. hydrodynamischen Modellrechnungen (baryonische Materie)
weiter verfolgt werden (s.u.). Da Details des (sehr komplexen)
Sternentstehungsprozesses aber noch nicht voll verstanden
sind, sind die Ergebnisse für die Baryonen wenig sicher.
Beobachtung:
Die Verteilung der Galaxien und der IGM stimmt gut mit den
theoretischen Voraussagen für die DM überein.
Die WMAP-Polarisationsdaten deuten auf erste Sterne
bei ca. z = 20 hin. Direkte Beobachtungen von QSOs und Galaxien
erreichen zur Zeit etwa z = 7. Die beobachtete chemische
Zusammensetzung zeigt aber, dass die Sternentstehung früher
einsetzte.
Berechnete Strukturentwicklung der DM
(„Millennium-Simulation“, Springel et al. 2005,
Nature 435,629)
z = 18.3, age = 0.21 Gj
z = 5.7, age = 1.0 Gj
z = 1.4, age = 4.7 Gj
z = 0, age = 13.7 Gj
Beobachtete (lokale) Galaxienverteilung
FORS Deep Field
photometric redshifts
FDF spectroscopic survey (Noll et al. 2004)
Distribution of galaxies (histogram) and metal absorption
systems (dashed lines) in the FDF (Frank et al. 2003)
<= Dunkle Materie, z = 18.3,
Weltalter = 0.21 Gj
„Millennium-Simulation“ (Springel
Et al. 2005) , Ausschnitt
Dunkle Materie, z = 0.0 (heute) =>
Quelle: http.// www.mpa-garching.mpg.de
D
u
n
k
l
e
M
at
er
ie
G
a
l
a
x
i
e
n
Rechnung:
Steinmetz
et al.