Kosmologie

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Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
Einführung in die
Kosmologie
WS 2015/16
G. Drexlin (EKP)
https://neutrino.ikp.kit.edu/personal/drexlin/Home
KIT – University of the State of Baden-Württemberg and
National Research Center of the Helmholtz Association
www.kit.edu
Kosmologie – Themengebiete
Kosmologie =
Entwicklung & Struktur des Universums vom Big Bang bis heute
Stationen:
1 – Big Bang
2 – CMB (3K)
3 – Reionisation
4 – Dunkles Zeitalter
5 – erste Sterne
6 – erste Galaxien
7 – Milchstraße
8 – heute
2
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
KIT-IEKP
Kosmologie – Themengebiete
Kosmologie =
Einordnung und Abgrenzung zu
anderen Disziplinen
Gravitation
Dunkle Materie
Antigravitation
Kernphysik
Thermodynamik
Bachelor-Studium
3
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
Kondensierte
Materie
Atome, Moleküle
KIT-IEKP
Kosmologie – Themengebiete
Kosmologie =
Einordnung und Abgrenzung zu
anderen Disziplinen
Dunkle Materie
Antigravitation
4
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
KIT-IEKP
Moderne Kosmologie: Beobachtungen
Nobelpreis für Physik 2011
„for the discovery of the accelerating
expansion of the Universe through
observations of distant supernovae"
WD
SNIa
Saul Perlmutter
5
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
Adam G. Reiss Brian P. Schmidt
KIT-IEKP
Vorlesung Kosmologie – Struktur
6 ECTS
WS2015/16
6
20.10.2015
 Vorlesung:
- 15 Vorlesungen (2h)
≡ 2 SWS
4 ECTS
 Übungen Kosmologie ≡ 1 SWS
- 6-7 Übungsblätter - 2h alle zwei Wochen
2 ECTS
- Termin: Mi. 14:00-15:30 (ab 30.10.)
- Ort:
kleiner HS B
- Leitung: Iris Gebauer ([email protected])
- Kriterien: a) Anwesenheit
b) Teilaufgaben vorrechnen
- Aufgaben: email Verteiler:
[email protected]
homepage des KIT Listservers zum Anmelden:
https://www.lists.kit.edu/wws/info/kosmo-vorlesung-drexlin
G. Drexlin – VL01
KIT-IEKP
Astroteilchenphysik I, II & Kosmologie
Kosmologie
Astroteilchenphysik – I
Kosm. Strahlung
WiSe 2015/16
WiSe 2015/16
WiSe 2015/16
Big Bang, kosmologische
Modelle, Entwicklung
des Universums
Einführung & Grundlagen,
Experimentelle Methoden,
Dunkles Universum
galaktisch/extragalaktisch,
Nachweis,
Quellen
6 ECTS
8 ECTS
6 ECTS
ATP – II : Teilchen & Sterne
Gammastrahlung
SoSe 2016
SoSe 2016
Neutrinos, Stellare Endphasen,
Multi-Messenger-Methoden
galaktisch/extragalaktisch,
Nachweis, Quellen
6 ECTS
7
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
6 ECTS
KIT-IEKP
Masterstudium - Fächerkombination
 Welche Fächerkombination?
 Vertiefungsfach (VF)
20 ECTS
- mündliche Prüfung ~ 45-50 min.
- modulübergreifende Themen, Stoff über alle gewählten Fächer
 Ergänzungsfach (EF)
14 ECTS
- mündliche Prüfung ~ 30-45 min.
- modulübergreifende Themen, Stoff über die gewählten Fächer
8
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
KIT-IEKP
Was kann ich bei Kosmo im Master lernen?
 Methodenkompetenzerwerb:
- Verständnis der Grundlagen der Kosmologie
- Erkenntnis von methodischen & experimentellen
Querverbindungen zur Elementarteilchenphysik
und zur Astroteilchenphysik
- Erwerb der Fähigkeit, sich in aktuelle
Forschungsthemen eigenständig einzuarbeiten
als Vorbereitung zur Masterarbeit
9
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
KIT-IEKP
Was kann ich bei Kosmo im Master lernen?
experimentelle
Methoden
2
 H (t ) 
7N

 ~ 1 
43
 H (t ) 
neue
Konzepte
aktuelle
Forschung
Analysemethoden
10
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
KIT-IEKP
Kosmologie - Schlagworte
11
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
KIT-IEKP
Kosmologie : Gliederung
1.
Einführung
1.1
2.
Grundlagen, Entfernungsbestimmung
Expandierendes Universum
2.1
2.2
2.3
3.
Hubble Expansion
Friedmann-Lemaître Gleichungen
kosmologische Zeitalter: Strahlung – Materie – Dunkle Energie
Thermisches Universum
3.1
3.2
primordiale Nukleosynthese (BBN)
kosmische Hintergrundstrahlung – Grundlagen:
Entstehung, Schwarzkörperstrahlung, Fluktuationen
kosmische Hintergrundstrahlung – Experimente:
COBE, WMAP & Planck
3.3
12
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
KIT-IEKP
Kosmologie : Gliederung
LCDM Konkordanzmodell
3.4
4.
Strukturentwicklung im Universum
4.1
4.2
4.3
4.4
5.
Inflation & frühes Universum
BAO – akustische Oszillationen von Baryonen
Galaxien-Surveys & Power-Spektrum der Materie
Strukturentstehung mit heißer, warmer & kalter dunkler Materie
Dunkles Universum
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
13
Evidenzen für Dunkle Materie
Gravitationslinsen
Dunkle Materie Halos
Dunkle Energie
zukünftige Entwicklung des Universums
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
KIT-IEKP
Kapitel 2 – Expandierendes Universum
 Hubble-Expansion – Friedmann-Lemaître – kosmologische Zeitalter
14
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
KIT-IEKP
Kapitel 3 – Thermisches Universum
 primordiale Elementsynthese – 3 K Hintergrundstrahlung
a
15
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
ß
g
KIT-IEKP
Kapitel 4 – Strukturentwicklung
 akustische Oszillationen (BAO), Strukturbildung
Galaxiendurchmusterungen,
16
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
KIT-IEKP
Kapitel 5 – Dunkles Universum
 Evidenzen für dunkle Materie, Gravitationslinsen, Dunkelmateriehalos,
Dunkle Energie, zukünftige Entwicklung
des Universums
17
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
KIT-IEKP
Kosmologie – Literatur (D)
Andrew Liddle
Ulrich Ellwanger
Peter Schneider
Michael Treichel
Einführung in die
Vom Universum zu den
Extragalaktische Astronomie
Teilchenphysik &
moderne Kosmologie
Elementarteilchen
und Kosmologie
Kosmologie
Wiley (2008), 217 S.
Springer (2011), 243 S.
Springer Verlag (2007)
Springer Verlag (2000)
„Gesamtüberblick über
Moderne Elementar-
Galaxien, Galaxienhaufen,
Einführendes Lehrbuch
zahlreiche kosmolog.
Teilchenphysik und
Kosmologie, Universum bei
in Astroteilchenphysik
Themengebiete“
Kosmologie, keine HM
hoher Rotverschiebung
408 S.
18
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
KIT-IEKP
Kosmologie – ´populäre´ Literatur
Helmut Hetznecker
Helmut Hetznecker
Adalbert W.A. Pauldrach
Steven Weinberg
Kosmologische
Expansionsgeschichte
Dunkle kosmische
Die ersten drei Minuten
Strukturbildung
des Universums
Energie
Piper (1997), 208 S.
Spektrum (2009), 156 S.
Spektrum (2007), 120 S.
Spektrum (2010), 240 S.
DER Klassiker vom
„von Quantenfluktuationen
„vom heißen Urknall zum
„Rätsel der beschleunigten
Nobelpreisträger, beste
zu Galaxien“, Expansion
Kalten Kosmos“, aktuelle
Expansion des Universums
allgemeine Einführung in
des Universums
kosmolog. Forschung
von Supernova-Spezialist
die Kosmologie (1978)
19
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
KIT-IEKP
Kosmologie – Literatur (GB)
Donald H. Perkins
L. Bergström, A. Goobar
Gerhard Börner
Tai-Pei Cheng
Particle Astrophysics
Cosmology & Particle
The Early Universe
Relativity, Gravitation
Oxford (2009), 2nd Ed., 360 S.
Astrophysics Springer
Springer (2003), 4th Ed.
and Cosmology
Quarks & Leptons, expand.
2nd Ed, (2004), 364 S.
„connects particle physics
Oxford University Press
Universe, conservation rules
advanced undergraduate
and cosmology, theory
2nd Ed. (2010), 456 S.
dark matter, dark energy,
level, technical appendices
(fiction) and observation
introduction to general
particles and the cosmos
basic facts of the universe
(facts), one of the bibles
relativity & cosmology
20
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
KIT-IEKP
Kosmologie weltweit - Fachartikel
de.arXiv.org
preprints in:
astro-ph (Astrophysik)
hep-ex, nucl-ex (Experiment)
hep-ph (Phänomenologie)
Journal for
Cosmology &
AstroParticle Physics
21
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
Physics of the
dark universe
KIT-IEKP
1. Einführung
 Kosmologische Entfernungs- und Zeitmessung:
Entfernungsmesser
- Kosmologische Standardkerzen bis d = ?
Zeitmesser
- Kosmologische Standardzeit bis t = ?
22
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
KIT-IEKP
Längen- und Zeitskalen der Kosmologie
Astronomische Skalen
1 AE 1.496 × 1011 m
1 LJ
9.461 × 1015 m
= 63 240 AE
Parallaxe
= 0.3066
pc
1 pc
3.086 × 1016 m
= 2.06 × 105 AE
1 AE
= 3.262 LJ
AE: astronomische Einheit
große Halbachse der
Erdbahn um Sonne
LJ: Lichtjahr
Lichtstrecke in t = 1 a
pc: Parsec
Parallaxensekunde
23
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
KIT-IEKP
Kosmische Längenskalen & Standardkerzen
Parallaxenmethode
d-Cepheiden-Lichtkurven
Supernova-Ia-Helligkeit
HST
1´´
Parallaxe
1AE
SN1994D
Parallaxe:
1pc = 1 AE unter 1´´ (as)
= 1 AE · 180 · (3600/p)
1989: Hipparcos (milli-as)
2013: ESA Mission GAIA
Auflösung dq ~ 20 µas
d = 1 pc – 5 kpc
24
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
d-Cepheiden:
pulsierende, leuchtkräftige
Riesensterne, aus der
beobachteten Pulsdauer
 absolute Leuchtkraft L
Labs ~104 L
d = 1 kpc - 50 Mpc
Supernovae Typ Ia:
weißer Zwerg in BinärSystem: M > 1.4 M
(Chandrasekhar-Limit)
 Kernfusion 12C, 16O
Leuchtkraft Labs~109 L
d = 30 Mpc - 3 Gpc
KIT-IEKP
Cepheiden: kosmologische Standardkerzen
M100
Hubble
Helligkeit [mag]
 Cepheiden:
Periode eines
≡ pulsationsveränderliche Riesensterne (Supergiganten)
d-Cepheiden
- Ziel: bestimme absolute Helligkeit aus Periode
- Masse: M = 5 – 15 M (seltene Sterne)
- Spektralklasse: F, G
(weiß, gelb)
- Leuchtkraftklasse: Ia, II (MV = -2 … -7 mag),
Henrietta S. Leavitt
- Periodendauer
T0 < 100 Tage
1868-1921
max
min
0
25
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
0.5
1/0
0.5
Phase
KIT-IEKP
Cepheiden: kosmologische Standardkerzen
 Ursache der Pulsation (Kappa-Mechanismus):
≡ Änderungen der Opazität k(p,T) in einer speziellen stellaren Schicht
- wichtig: He-Ionisationsschicht mit He++ & He+ - Ionen
- Pulsations-Zyklus:
höheres T:
mehr He++ & freie Elektronen  größere Opazität
 Strahlungsdruck steigt an
 Expansion der Hülle
Henrietta S. Leavitt
niedrigeres
T: gravitative Kontraktion
 Rekombination zu He+
1868-1921
He
26
20.10.2015
G. Drexlin – VL21
KIT-IEKP
Cepheiden: kosmologische Standardkerzen
 Pulsation der äußeren Hülle: massereiche leuchtkräftige Cepheiden
pulsieren langsamer, Periode T0 ~ L3/4
Perioden-Leuchtkraft Relation
M = - 2.81 log(T0) – (1.43 ± 0.1)
T0: Periode [Tage]
M: abs Helligkeit [mag]
HST-key Projekt:
Nachweis von
Cepheiden in max.
Entfernung 30 Mpc
größere Distanzen:
SNIae
27
20.10.2015
G. Drexlin – VL21
absolute Helligkeit M [mag]
-7
-6
Henrietta S. Leavitt
1868-1921
-5
-4
-3
-2
-1
gemessene PeriodenLeuchtkraft Beziehung
1
10
100
Periode T0 [Tage]
KIT-IEKP
Längenskalen: unsere Galaxie
 Galaxis: Ø = 35 kpc, Abstand Sonne-galaktisches Zentrum: 7.8 kpc
28
20.10.2015
KIT-IEKP
Längenskalen: Halo unserer Galaxie
 Galaxis-DM-Halo: Ø = 100 kpc, tri-axiale Form
Dunkle Materie (DM) Halo
Galaxis
29
20.10.2015
KIT-IEKP
Längenskalen: lokale Gruppe, Virgohaufen
 Galaxien bilden haufenartige Strukturen: Galaxienhaufen
Lokale Gruppe
-
Galaxis & M31
ca. 60 Zwerggalaxien
Durchmesser ca. 0.8 Mpc
gravitative Bindung
am Rand des Virgo-Haufens
0.8 Mpc
Virgohaufen
30
Zentrum des lokalen Superhaufens
ca. 2000 Galaxien
Durchmesser ca. 3 Mpc
Abstand 21 Mpc
filamentartige Struktur
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
3 Mpc
KIT-IEKP
Längenskalen: Galaxienhaufen
 Galaxienhaufen sind Teil des kosmischen Webs
filamentartige Strukturen im Gpc Bereich
31
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
KIT-IEKP
Zeitabhängiger Radius des Universums
Radius Universum (cm)
beobachtbares
Universum
Quantengravitation
32
20.10.2015
1040
Standard-Urknall Modell
1020
1
inflationäres
Modell
10-20
10-40
Inflationsphase
10-60
10-45
G. Drexlin – VL01
10-35
10-25
10-15
10-5
105
Zeit nach Big Bang (s)
1015
KIT-IEKP
der kosmische Horizont
 Kosmologische Zeit- und Längenskalen
??
BBN
CMB
33
20.10.2015
G. Drexlin – VL01
KIT-IEKP
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