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Astronomie für Nicht-Physiker
 Vorlesungsplan
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SS2013
18.4. Astronomie heute: Just, Fendt
25.4. Sonne, Erde, Mond: Fohlmeister
2.5. Das Planetensystem: Fohlmeister
16.5. Teleskope, Bilder, Daten: Fendt
23.5. Geschichte der Astronomie: Just
6.6. Sterne - Zustandsgrößen: Fendt
13.6. Sterne - Entwicklung: Fendt
20.6. Die Milchstraße: Just
27.6. Astrochemie und Leben: Fendt
4.7. Galaxien: Just
11.7. Aktive Galaxien, Quasare und Schwarze Löcher: Fendt
18.7. Urknall und Expansion des Universums: Just
25.7. Weltmodelle: Just
1.8. Besuch MPIA/LSW und HdA: Fendt
Astronomie für Nicht-Physiker:
Fendt/Fohlmeister/Just
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Inhalt
 Grundlagen
Naturgesetze
Relativitätstheorie
 Fakten
Massenverteilung
Nukleosynthese
Kosmische Hintergrundstrahlung
Hubblekonstante
 Standardmodell
Expansion des Raums
Entwicklungsphasen
Eigenschaften/Parameter
 Zusammenfassung
 Offene Fragen
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Naturgesetze
Gelten die bekannten Naturgesetze überall und
zu jeder Zeit?
 Spektren und damit die Eigenschaften von Atomen
sehen in allen Richtungen und Entfernungen (Zeiten)
gleich aus
Quantenmechanik, Elektrodynamik
 Naturkonstanten konstant?
Feinstrukturkonstante α=e²/(2cε0h)=1/137
Gravitationskonstante G
Lichtgeschwindigkeit c
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Spezielle Relativitätstheorie
 Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter gleich
Raumkontraktion und Zeitdehnung
 Schnell bewegte Körper sehen wir nicht gestaucht, sondern
gedreht (Vorderseite uns zugewandt)
Eigenzeit immer am langsamsten (langes Leben )
 Atomuhr, die mit dem Flugzeug einmal um die Erde geflogen
ist, geht messbar nach
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Allgemeine Relativitätstheorie
 Gravitation = Geometrie des Raumes
Krümmung des Raumes durch Energiedichte bestimmt
3 Lösungen
 Winkelsumme im Dreieck >,=,< 180°
• Sphärisch (positive Krümmung)
• Euklidisch (flach)
• Hyperbolisch (negative Krümmung)
Flacher Raum bei kritischer Dichte
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Der expandierende Raum
 Mitbewegtes Koordinatensystem
Längen-, Breiten-, Höhenkreise + Skala a(t)
 Photonen im Raum
Wellenlänge wächst unterwegs
Durchsichtigkeit des Gases (Wasserstoff)
t1
t2
 Ionisiert und dicht (z>1100)
• Undurchsichtig für alle Wellenlängen
 Neutral und dicht
• Undurchsichtig für sehr kurze Wellenlängen und Wasserstofflinien
• (langwellige) kosmische Hintergrundstrahlung kommt durch
 Re-Ionisation durch Sternentstehung (z=10…6)
• Wieder durchsichtig für kurze Wellenlängen
Absortionslinien des
Wasserstoffs in
Sternspektrum;
http://www.astro.unibonn.de/~deboer/orfeus/
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Reionisationsphase
Die erste Sterngeneration ionisiert das Gas
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Dichteverteilung des Gases
 Wasserstoffwolken
Absorptionslinien in Quasarspektren: Lyman α-Wald
Nur dichte Wolken haben neutralen Wasserstoff
Dichteverteilung entlang Sehstrahl zeigt auch
Schwammstruktur
Lyα(QSO)
http://www.astro.physik.uni-potsdam.de/~www/research/astro_2_de.html
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Dichtestruktur im Universum
Können wir die Verteilung der Materie
(Galaxien) auf allen Skalen verstehen?
 Nur Dunkle Materie wichtig auf großen Skalen und im
frühen Universum
 Wechselwirkung von Gravitationsanziehung und
Expansion des Raums
 Größte Simulationen aller Zeiten
http://www.h-its.org/english/research/tap/projects.php
Millenium & Millenium II
 mit jeweils10 Milliarden Teilchen
Millenium-XXL
 300 Milliarden Teilchen
 Entwicklung im mitbewegten (expandierenden) Raum
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Strukturbildung
 Entwicklung ab z=50 (t~100Myr)
Video: DM Entwicklung (Aq-A-2-evolv.mpg )
 z = 18, 5, 0 (t = 200Myr, 1Gyr, 13.7Gyr)
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Strukturbildung
 Struktur heute
3D-Video (millennium_flythru_fast.mpg)
 Entwicklung der Baryonen
Gasdruck, Sternentstehung, Heizung und Kühlung
 Entwicklung von Galaxien
Prozesse
 Sternentstehung
 Heizung des Gases durch Supernovae
 Kühlung durch schwere Elemente und Staub
Verschmelzung von Galaxien
 Spiralgalaxien
• Bulge: frühe Sternentstehung und Einfall kleinerer Galaxien
• Scheibe: späterer Einfall von Gas und Sternentstehung in der
Scheibe
• Wenig Störung durch spätere Merger
 Elliptische Galaxien
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• Kombination
von Sternentstehung
Astronomie
für Nicht-Physiker: und Verschmelzung
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Dichtestruktur im Universum
Leistungsspektrum der Dichtefluktuationen
 Anzahl der Verdichtungen einer bestimmten Größe
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Nukleosynthese
 Leichte Elemente im Urknall erzeugt
Heiße, dichte und kurze Phase
Dichte der normalen Materie (Baryonen) klein
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Hintergrundstrahlung (CMB)
 Zustand bei Rotverschiebung z ≈ 1200
Temperatur heute 2.7K; damals 3500K
Isotrop (in alle Richtungen gleich): Inflation
Schallwellen in Fluktuationen: Raum flach
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Hubblekonstante
 Supernovae Typ 1a und Cepheiden
H0 ≈ 70 km/s/Mpc
Expansion kaum abgebremst seit z=1
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Ausdehnungsgeschichte des Universums
Messung der beschleunigten Ausdehnung
 SN1a-Daten
Nobelpreis für Physik 2011:
Saul Perlmutter, Adam Riess and Brian Schmidt
Beschleunigte Expansion durch
Dunkle Energie = Ωλ > 0
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Weltformel
 Ausdehnung des Weltalls
 Einsteins Feldgleichung
 Abbremsung / Beschleunigung
 Energieerhaltung
 Friedmanngleichung (=Weltgleichung)
 Expansionsrate = Hubbleparameter H(t)  H(z)  H(a)
 Alle Größen beziehen sich auf heute ( a(heute)=1, H(heute)=H0 )
 Energieanteile relativ zur kritischen Dichte (heute)





Ωrad = Strahlung
ΩM = Materie (inklusive Dunkle Materie)
Ωvac = Dunkle Energie = kosmologische Konstante
Ωrad + ΩM + ΩK + Ωvac = 1
ΩK = Raumkrümmung (Differenz zur Summe 1)
 Ausdehnungsgesetz (Skala  Rotverschiebung  Zeit)
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Expansion des Raums
Entwicklungsphasen
 Inflation nicht enthalten: Ωinfl(a)
Vor der Nukleosynthese bei z ≈ 1010
 Strahlung dominiert Ωrad (gebremst)
a~t½ bis z ≈ 10000
 Materie dominiert ΩM (gebremst)
a~t⅔ danach bis z ≈ 1
 Kosmologische Konstante dominiert Ωvac
(beschleunigt)
a~ ebt in Zukunft
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Alter des Universums
 Entwicklung des Skalenparameters a
Altersschätzung: 1/H0 =14Gyr (für H0 = 71km/s/Mpc)
Raumkrümmung
 k=1 (positiv, Raum geschlossen)
 k=0 (flach,unendlich)
 k=-1(negativ, offen)
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Entwicklung des Universums
 Zeit  Rotverschiebung
H(a) → a(t) → z(t)→ t(z)
 Zeitliche Entwicklung des Hubbleparameters (heute
Hubblekonstante H0), also von rH=c/H
Strahlung bzw. Materie dominert
 Ausdehnung gebremst: rH wächst (auch in mitbewegten Koordinaten)
 Winkelausdehnung am Himmel schrumpft
Kosmologische Konstante (oder Inflation) dominiert
 Ausdehnung beschleunigt: rH schrumpft in mitbewegten Koordinaten
 Winkelausdehnung am Himmel wird größer → Inflation im sehr frühen
Universum
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Inflation
 Ereignishorizont überdeckt heute ganzen Himmel
 Hubblelänge anfangs kleiner geworden
 rH schrumpft
 Ωinfl mit a~ eqt
 Wie Ωvac , aber viel größerer Wert
 Inflationsphase
 Dauer: ai → 1026ai
 Ende: t<1s, a <10-10 , z > 1010
 Bis Inflationsfeld zerfällt
 Quantenphysik?
 Flaches Universum
 Raumkrümmung
 direkt gekoppelt an rH
 |ΩK |~ rH² : rH schrumpft -> ΩK ~0 Raum flach
 Inflation erzeugt sehr flaches Universum, in ferner Zukunft
möglicherweise wieder gekrümmt
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Sichtbares Universum
 Beispiel: ungebremste Expansion
 da/dt = const.
 H(a) = H0/a = (1+z)·H0
 Distanz, in welcher sich Galaxien mit
Lichtgeschwindigkeit entfernen
 Grenzlinie grau/gelb
 Wert heute modellunabhängig:
rH,0 = c/H0 = 4,2 Gpc
 Lichtkegel (rote Punkte)
 Ausgangsorte des Lichts, das heute bei
uns ankommt, rückwärts in Zeit
 Auch Galaxien sichtbar, die sich in der
Vergangenheit und auch in Zukunft mit
Überlichtgeschwindigkeit von uns
entfernen
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Zeit (Jahre)
 Geneigte Geraden
 feste Punkte im Raum
 Hubblelänge rH = c/H
(sub/superluminal)
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Abstand (Lichtjahre)
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Sichtbares Universum
Realistisches Expansionsmodell
 Feste Punkte im Raum (comoving objects)
 Gepunktete Linien
 Ursprung CMB, heute D=14,7 Gpc (particle horizon)
 Aktueller Ursprungsort des gerade sichtbaren CMB (=sichtbares Universum)
 Lichtkegel (durchgezogene fette Linie)
 Ausgangsorte des Lichts, das heute bei uns ankommt
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Sichtbares Universum
 Entwicklungsbild
 Abstand in mitbewegten Koordinaten
 Ausdehnung herausgerechnet
 Ruhende Objekte bleiben auf senkrechten Linien
 Zeitachse gestaucht
 ‘konforme’ Zeit
 Licht breitet sich auf Geraden mit 45° Neigung aus (dunkelgrün: Lichtkegel heute)
 Erfahrungshorizont
 Bereich, den wir (auch in Zukunft) sehen können
http://www.aip.de/~lie/Lectures/Kommentar_arte.html
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Standardmodell
Ausdehnung des Weltalls
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Kosmologische Parameter
Energiegehalt heute
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Wichtigste Parameter
Einfluss neuer Daten
 A. Parmar (ESA Koordinator, EWASS 2013, Turku)
Parameter
WMAP (2011)
Planck (2013)
H0 [km/s/Mpc]
71
67,8
WM [in %]
27
25,8
Wbaryon
4,4
4,8
WL
72,5
69,2
WK
0
0
13,7
13,8
Alter [Gyr]
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Das Standardmodell (Stand 2012)
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Unser Universum
 Planetensystem
 Erde
 3.Planet von innen
 Abstand zur Sonne: 1 Astronomische Einheit = 150 000 000 km
 Äußere Planeten Gasriesen
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Unser Universum
 Sonne
 Durchmesser 1,4 Mio km
 Masse 333000xErdmasse
 Normaler Stern
 Typ G2 auf der Hauptreihe
 Alter 4,6 Mrd Jahre
 Lebensdauer ~10 Mrd Jahre
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Unser Universum
 Sterne
Sterne am Himmel
 Entfernung 1,3 – 100 pc
 1pc = 206265 AE
Hauptreihe
 Farben-Helligkeitsdiagramm
 0.1 – 100 Sonnenmassen
 Energiequelle
• Kernfusion H → He
 Lebensdauer
• 100 Msonne: 4 Myr
• 1 Msonne: 10 Gyr
• 0.1 Msonne: 100 Gyr
 Ende
• Rote Riesen
• Weiße Zwerge
• Supernovae
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 Milchstraße
 Heimatgalaxie
 Spiralgalaxie SBbc
 Mit Balken
 Abstand Zentrum
 8 kpc
 Schwarzes Loch
 4 Mio Sonnenmassen
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Unser Universum
Galaxien
 Hubblesequenz
Frühe Typen
 Elliptisch
Späte Typen
 Spiralgalxien
 Irreguläre Galaxien
 Aktive Galaxien
Quasare im Zentrum
 Heller als Galaxie
 Supermassive Schwarze Löcher
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Unser Universum
Globale Struktur
 Rotverschiebung
Schwammstuktur
Expansion
 H0=71km/s/Mpc
 Großen Skalen
Homogen und isotrop
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Unser Universum
 Urknall
 Kosmische Hintergrundstrahlung
 Heute
 Temperatur T=2,7K
 Entstehung
 Alter 370000 Jahre
 z = 1200
 T= 3500K
 Elemententstehung
2 Minuten nach Urknall
 Deuterium und Helium
Schwere Elemente
 Fusion in Sternen und Supernovae
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Unser Universum
 Zustand
 Energiegehalt
 Dunkle Energie 70%
 Dunkle Materie 25%
 Normale Materie 5%
 Raumkrümmung
Euklidisch flach
 Entwicklung
 Inflationsphase
 Homogen und flach
 Alter heute 13,7 Gyr
 Beschleunigte Expansion
 Dunkle Energie abstoßend
 Physiknobelpreis 2011
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Offene Fragen
 Was ist Dunkle Materie?
Ein bestimmtes Elementarteilchen?
 Massenbestimmung in Beschleunigern
 Was ist Dunkle Energie?
Kosmologische Konstante?
Anderes Feld?
 Wann sind die ersten Sterne entstanden?
Reichen einige 100 Millionen Jahre zu deren Entstehung?
 Ist unser jetziges Universum einzigartig?
Gibt es Paralleluniversen? Blasen im Quantenrauschen?
Was war vor dem Urknall?
 Sind unsere Grundannahmen richtig?
Relativitätstheorie
Zahl der Neutrinotypen (nur 3?)
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