Das frühe Universum
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Das frühe Universum Paul Angelike 22. Juni 2017 Übersicht 1 Der Urknall Die Geschichte des Urknalls Das Versagen der Theorie an der Urknall-Singularität 2 Beobachtungen im heutigem Universum Strahlungs- und Massendominanz dunkle Materie, dunkle Energie kosmische Hintergrundstrahlung 3 Die Entwicklung des frühen Universums Planck-Epoche GUT-Epoche Kosmische Inflation Quark-Epoche Hadronen- und Leptonen-Epoche Primordiale Nuekleosynthese 4 Ausblick 5 Kritik und Zusammenfassung Kritik Zusammenfassung Literatur Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Die Geschichte des Urknalls 19. Jahrhundet: Das Universum ist statisch, homogen, isotrop und unendlich Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Die Geschichte des Urknalls 19. Jahrhundet: Das Universum ist statisch, homogen, isotrop und unendlich Olber’s Paradoxon: Nachthimmel müsste hell erscheinen Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Die Geschichte des Urknalls 19. Jahrhundet: Das Universum ist statisch, homogen, isotrop und unendlich Olber’s Paradoxon: Nachthimmel müsste hell erscheinen Friedmann sowie Lemaître untersuchen die Einstein’schen Feldgleichungen der Allgemeinen Relativität unter Berücksichtigung des kosmologischen Prinzips (1922; 1927) Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Die Geschichte des Urknalls 19. Jahrhundet: Das Universum ist statisch, homogen, isotrop und unendlich Olber’s Paradoxon: Nachthimmel müsste hell erscheinen Friedmann sowie Lemaître untersuchen die Einstein’schen Feldgleichungen der Allgemeinen Relativität unter Berücksichtigung des kosmologischen Prinzips (1922; 1927) ⇒ Expansion des Universums im Einklang mit ART Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Die Geschichte des Urknalls 19. Jahrhundet: Das Universum ist statisch, homogen, isotrop und unendlich Olber’s Paradoxon: Nachthimmel müsste hell erscheinen Friedmann sowie Lemaître untersuchen die Einstein’schen Feldgleichungen der Allgemeinen Relativität unter Berücksichtigung des kosmologischen Prinzips (1922; 1927) ⇒ Expansion des Universums im Einklang mit ART experimenteller Nachweis: Hubble beobachtet eine Rotverschiebung des erwarteten Lichtspektrums weit entfernter Galaxien (1929) ⇒ Hubble’s Law v = H0 D, H0 ≈ 71, 9 km/s Mpc ⇒ Galaxien entfernen sich voneinander Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Die Geschichte des Urknalls 19. Jahrhundet: Das Universum ist statisch, homogen, isotrop und unendlich Olber’s Paradoxon: Nachthimmel müsste hell erscheinen Friedmann sowie Lemaître untersuchen die Einstein’schen Feldgleichungen der Allgemeinen Relativität unter Berücksichtigung des kosmologischen Prinzips (1922; 1927) ⇒ Expansion des Universums im Einklang mit ART experimenteller Nachweis: Hubble beobachtet eine Rotverschiebung des erwarteten Lichtspektrums weit entfernter Galaxien (1929) ⇒ Hubble’s Law v = H0 D, H0 ≈ 71, 9 km/s Mpc ⇒ Galaxien entfernen sich voneinander Es muss einen Zeitpunkt gegeben haben, an dem das gesamte Universum an einem Punkt konzentriert war Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Das Versagen der Theorie an der Urknall-Singularität während des Urknalls soll die Dichte bzw. die Temperatur des Universums unendlich gewesen sein ⇒ Divergenz deutet auf Kollaps der ART hin Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Das Versagen der Theorie an der Urknall-Singularität während des Urknalls soll die Dichte bzw. die Temperatur des Universums unendlich gewesen sein ⇒ Divergenz deutet auf Kollaps der ART hin ART ist eine klassische, nicht-gequantelte Theorie ⇒ Beschreibung von Ereignissen jenseits der Planck-Zeit nicht möglich Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Das Versagen der Theorie an der Urknall-Singularität während des Urknalls soll die Dichte bzw. die Temperatur des Universums unendlich gewesen sein ⇒ Divergenz deutet auf Kollaps der ART hin ART ist eine klassische, nicht-gequantelte Theorie ⇒ Beschreibung von Ereignissen jenseits der Planck-Zeit nicht möglich Die ART steht zwar im Einklang zum Urknall an sich, kann jedoch keine Aussagen über diesen treffen Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Das Versagen der Theorie an der Urknall-Singularität während des Urknalls soll die Dichte bzw. die Temperatur des Universums unendlich gewesen sein ⇒ Divergenz deutet auf Kollaps der ART hin ART ist eine klassische, nicht-gequantelte Theorie ⇒ Beschreibung von Ereignissen jenseits der Planck-Zeit nicht möglich Die ART steht zwar im Einklang zum Urknall an sich, kann jedoch keine Aussagen über diesen treffen es wird über maßgebliche Quantengravitationseffekte während dieses kurzen Zeitspanne spekuliert Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Strahlungs- und Massendominanz zunächst keine feste Materie, Teilchen und Antiteilchen treten in spontaner Paarerzeugung- und vernichtung auf Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Strahlungs- und Massendominanz zunächst keine feste Materie, Teilchen und Antiteilchen treten in spontaner Paarerzeugung- und vernichtung auf Das Universum war strahlungsdominiert Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Strahlungs- und Massendominanz zunächst keine feste Materie, Teilchen und Antiteilchen treten in spontaner Paarerzeugung- und vernichtung auf Das Universum war strahlungsdominiert Rotverschiebung durch Expansion verringert Strahlungsenergie: E = ~ω Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Strahlungs- und Massendominanz zunächst keine feste Materie, Teilchen und Antiteilchen treten in spontaner Paarerzeugung- und vernichtung auf Das Universum war strahlungsdominiert Rotverschiebung durch Expansion verringert Strahlungsenergie: E = ~ω Strahlungs- und Materiedichte nimmt wegen Expansion ab Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Strahlungs- und Massendominanz zunächst keine feste Materie, Teilchen und Antiteilchen treten in spontaner Paarerzeugung- und vernichtung auf Das Universum war strahlungsdominiert Rotverschiebung durch Expansion verringert Strahlungsenergie: E = ~ω Strahlungs- und Materiedichte nimmt wegen Expansion ab Strahlungsdominanz: Erzeugung und Vernichtung im thermischen Gleichgewicht Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums dunkle Materie und Energie dunkle Materie: Rotation von Galaxien Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums dunkle Materie und Energie dunkle Materie: Rotation von Galaxien dunkle Energie: beschleunigte Expansion ⇒ repulsives Verhalten Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums dunkle Materie und Energie dunkle Materie: Rotation von Galaxien dunkle Energie: beschleunigte Expansion ⇒ repulsives Verhalten machen heute etwa 95 % der Energie im Universum aus Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums dunkle Materie und Energie dunkle Materie: Rotation von Galaxien dunkle Energie: beschleunigte Expansion ⇒ repulsives Verhalten machen heute etwa 95 % der Energie im Universum aus Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums dunkle Materie und Energie dunkle Materie: Rotation von Galaxien dunkle Energie: beschleunigte Expansion ⇒ repulsives Verhalten machen heute etwa 95 % der Energie im Universum aus dunkle Energie ist vernachlässigbar für die Betrachtung des frühen Universums Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums dunkle Materie und Energie dunkle Materie: Rotation von Galaxien dunkle Energie: beschleunigte Expansion ⇒ repulsives Verhalten machen heute etwa 95 % der Energie im Universum aus dunkle Energie ist vernachlässigbar für die Betrachtung des frühen Universums konstante Dichte trotz Expansion des Universums Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums kosmische Hintergrundstrahlung 1948 postuliert, 1964 bei Antennentests von Penzias und Wilson entdeckt Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums kosmische Hintergrundstrahlung 1948 postuliert, 1964 bei Antennentests von Penzias und Wilson entdeckt homogen und isotrop, T ≈ 2.7 K Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums kosmische Hintergrundstrahlung 1948 postuliert, 1964 bei Antennentests von Penzias und Wilson entdeckt homogen und isotrop, T ≈ 2.7 K entstand 380.000 Jahre nach dem Urknall durch decoupling von Strahlung und Materie Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums kosmische Hintergrundstrahlung 1948 postuliert, 1964 bei Antennentests von Penzias und Wilson entdeckt homogen und isotrop, T ≈ 2.7 K entstand 380.000 Jahre nach dem Urknall durch decoupling von Strahlung und Materie macht den Hauptteil der im Universum abgestrahlten Photonen aus Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums kosmische Hintergrundstrahlung 1948 postuliert, 1964 bei Antennentests von Penzias und Wilson entdeckt homogen und isotrop, T ≈ 2.7 K entstand 380.000 Jahre nach dem Urknall durch decoupling von Strahlung und Materie macht den Hauptteil der im Universum abgestrahlten Photonen aus T=9000 K: Rekombination der Elementarteilchen zu neutralem Wasserstoff; Strahlung wird nicht mehr absorbiert ⇒ Universum transparent, CMB bleibt übrig Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Planck-Epoche Urknall bis 10−43 s Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Planck-Epoche Urknall bis 10−43 s Planck-Temperatur 1032 K Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Planck-Epoche Urknall bis 10−43 s Planck-Temperatur 1032 K Vereinheitlichung der vier Grundkräfte zur Urkraft Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Planck-Epoche Urknall bis 10−43 s Planck-Temperatur 1032 K Vereinheitlichung der vier Grundkräfte zur Urkraft keine Theorie zur Beschreibung der Planck-Epoche vorhanden Paul Angelike Das frühe Universum Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Planck-Epoche Urknall bis 10−43 s Planck-Temperatur 1032 K Vereinheitlichung der vier Grundkräfte zur Urkraft keine Theorie zur Beschreibung der Planck-Epoche vorhanden mögliche Kandidaten: M-Theorie (Verallgemeinerung der String-Theorie), Schleifenquantengravitation Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Grand Unified Theory-Epoche 10−41 s bis 10−36 s nach dem Urknall , Temperatur 1032 K Paul Angelike Das frühe Universum Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Grand Unified Theory-Epoche 10−41 s bis 10−36 s nach dem Urknall , Temperatur 1032 K Gravitationswechselwirkung ist von Wechselwirkungen des Standardmodells unterscheidbar Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Grand Unified Theory-Epoche 10−41 s bis 10−36 s nach dem Urknall , Temperatur 1032 K Gravitationswechselwirkung ist von Wechselwirkungen des Standardmodells unterscheidbar Standardmodell soll sich durch große, vereinheitlichte Theorie beschreiben lassen → GUT Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Grand Unified Theory-Epoche 10−41 s bis 10−36 s nach dem Urknall , Temperatur 1032 K Gravitationswechselwirkung ist von Wechselwirkungen des Standardmodells unterscheidbar Standardmodell soll sich durch große, vereinheitlichte Theorie beschreiben lassen → GUT strahlungsdominiert, keine ’stabilen Teilchen’ Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Grand Unified Theory-Epoche 10−41 s bis 10−36 s nach dem Urknall , Temperatur 1032 K Gravitationswechselwirkung ist von Wechselwirkungen des Standardmodells unterscheidbar Standardmodell soll sich durch große, vereinheitlichte Theorie beschreiben lassen → GUT strahlungsdominiert, keine ’stabilen Teilchen’ hohe Temeperatur: spontane Paarerzeugung und -vernichtung Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Grand Unified Theory-Epoche 10−41 s bis 10−36 s nach dem Urknall , Temperatur 1032 K Gravitationswechselwirkung ist von Wechselwirkungen des Standardmodells unterscheidbar Standardmodell soll sich durch große, vereinheitlichte Theorie beschreiben lassen → GUT strahlungsdominiert, keine ’stabilen Teilchen’ hohe Temeperatur: spontane Paarerzeugung und -vernichtung große Menge subatomer Teilchen und Antiteilchen (Photon, Elektron), 109 weniger Kernteilchen Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Grand Unified Theory-Epoche 10−41 s bis 10−36 s nach dem Urknall , Temperatur 1032 K Gravitationswechselwirkung ist von Wechselwirkungen des Standardmodells unterscheidbar Standardmodell soll sich durch große, vereinheitlichte Theorie beschreiben lassen → GUT strahlungsdominiert, keine ’stabilen Teilchen’ hohe Temeperatur: spontane Paarerzeugung und -vernichtung große Menge subatomer Teilchen und Antiteilchen (Photon, Elektron), 109 weniger Kernteilchen Teilchen und Antiteilchen nahezu gleichverteilt, im thermischen Gleichgewicht, Baryogenese Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Grand Unified Theory-Epoche 10−41 s bis 10−36 s nach dem Urknall , Temperatur 1032 K Gravitationswechselwirkung ist von Wechselwirkungen des Standardmodells unterscheidbar Standardmodell soll sich durch große, vereinheitlichte Theorie beschreiben lassen → GUT strahlungsdominiert, keine ’stabilen Teilchen’ hohe Temeperatur: spontane Paarerzeugung und -vernichtung große Menge subatomer Teilchen und Antiteilchen (Photon, Elektron), 109 weniger Kernteilchen Teilchen und Antiteilchen nahezu gleichverteilt, im thermischen Gleichgewicht, Baryogenese 1028 K: starke Wechselwirkung wird von elektroschwacher Wechselwirkung unterscheidbar Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Grand Unified Theory-Epoche 10−41 s bis 10−36 s nach dem Urknall , Temperatur 1032 K Gravitationswechselwirkung ist von Wechselwirkungen des Standardmodells unterscheidbar Standardmodell soll sich durch große, vereinheitlichte Theorie beschreiben lassen → GUT strahlungsdominiert, keine ’stabilen Teilchen’ hohe Temeperatur: spontane Paarerzeugung und -vernichtung große Menge subatomer Teilchen und Antiteilchen (Photon, Elektron), 109 weniger Kernteilchen Teilchen und Antiteilchen nahezu gleichverteilt, im thermischen Gleichgewicht, Baryogenese 1028 K: starke Wechselwirkung wird von elektroschwacher Wechselwirkung unterscheidbar freeze-out der fundamentalen Kräfte Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums kosmische Inflation: das Horizon-Problem erst 1981 von Guth und Linde vorgeschlagen Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums kosmische Inflation: das Horizon-Problem erst 1981 von Guth und Linde vorgeschlagen Ausdehnung des Universums um den Faktor 1050 von 10−35 s bis 10−31 s → GUT-Epoche Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums kosmische Inflation: das Horizon-Problem erst 1981 von Guth und Linde vorgeschlagen Ausdehnung des Universums um den Faktor 1050 von 10−35 s bis 10−31 s → GUT-Epoche Motivation durch Flatness- und Horizon-Problem Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums kosmische Inflation: das Horizon-Problem erst 1981 von Guth und Linde vorgeschlagen Ausdehnung des Universums um den Faktor 1050 von 10−35 s bis 10−31 s → GUT-Epoche Motivation durch Flatness- und Horizon-Problem Horizon-Problem: beobachtbare Isotropie des Universums nicht erklärbar, gegenüberliegende Punkte sind nicht kausal miteinander verbunden Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums kosmische Inflation: das Horizon-Problem erst 1981 von Guth und Linde vorgeschlagen Ausdehnung des Universums um den Faktor 1050 von 10−35 s bis 10−31 s → GUT-Epoche Motivation durch Flatness- und Horizon-Problem Horizon-Problem: beobachtbare Isotropie des Universums nicht erklärbar, gegenüberliegende Punkte sind nicht kausal miteinander verbunden durch Inflation werden einst benachbarte Punkte kausal getrennt, die Hintergrundstrahlung behält jedoch dieselbe Struktur Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums kosmische Inflation: das Horizon-Problem erst 1981 von Guth und Linde vorgeschlagen Ausdehnung des Universums um den Faktor 1050 von 10−35 s bis 10−31 s → GUT-Epoche Motivation durch Flatness- und Horizon-Problem Horizon-Problem: beobachtbare Isotropie des Universums nicht erklärbar, gegenüberliegende Punkte sind nicht kausal miteinander verbunden durch Inflation werden einst benachbarte Punkte kausal getrennt, die Hintergrundstrahlung behält jedoch dieselbe Struktur Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums kosmische Inflation: das Flatness-Problem Flatness-Problem: das beobachte Universum schein flach zu sein, keine messbare Raumzeitkrümmung Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums kosmische Inflation: das Flatness-Problem Flatness-Problem: das beobachte Universum schein flach zu sein, keine messbare Raumzeitkrümmung bei normaler Expansion müsste der kosmische Dichte-Parameter Ω0 den stabilen Wert 1 annehmen, der sich nicht erklären lässt Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums kosmische Inflation: das Flatness-Problem Flatness-Problem: das beobachte Universum schein flach zu sein, keine messbare Raumzeitkrümmung bei normaler Expansion müsste der kosmische Dichte-Parameter Ω0 den stabilen Wert 1 annehmen, der sich nicht erklären lässt durch inflationäre Expansion erscheint das beobachtbare Universum flach auf praktisch allen Skalen Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums kosmische Inflation: das Flatness-Problem Flatness-Problem: das beobachte Universum schein flach zu sein, keine messbare Raumzeitkrümmung bei normaler Expansion müsste der kosmische Dichte-Parameter Ω0 den stabilen Wert 1 annehmen, der sich nicht erklären lässt durch inflationäre Expansion erscheint das beobachtbare Universum flach auf praktisch allen Skalen durch Inflation ist Ω0 = 1 notwendig Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Quark-Epoche 10−35 s bis 10−4 s nach dem Urknall Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Quark-Epoche 10−35 s bis 10−4 s nach dem Urknall nach 10−10 s bei 1015 K: schwache und elektromagnetische Wechselwirkungen trennen sich Paul Angelike Das frühe Universum Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Quark-Epoche 10−35 s bis 10−4 s nach dem Urknall nach 10−10 s bei 1015 K: schwache und elektromagnetische Wechselwirkungen trennen sich spontane Symmetriebrechung der elektroschwachen Eichsymmetrie durch das Higgs-Feld Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Quark-Epoche 10−35 s bis 10−4 s nach dem Urknall nach 10−10 s bei 1015 K: schwache und elektromagnetische Wechselwirkungen trennen sich spontane Symmetriebrechung der elektroschwachen Eichsymmetrie durch das Higgs-Feld Quark setzen sich noch nicht zu Hadronen zusammen Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Quark-Epoche 10−35 s bis 10−4 s nach dem Urknall nach 10−10 s bei 1015 K: schwache und elektromagnetische Wechselwirkungen trennen sich spontane Symmetriebrechung der elektroschwachen Eichsymmetrie durch das Higgs-Feld Quark setzen sich noch nicht zu Hadronen zusammen Quark-Gluonen-Plasma Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Hadronen- und Leptonen-Epoche 10−6 s bis 102 s nach dem Urknall Paul Angelike Das frühe Universum Ausblick Kritik und Zusammenfassung Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Hadronen- und Leptonen-Epoche 10−6 s bis 102 s nach dem Urknall T < 1013 K : zu niedrig zur spontanen Paarerzeugung von Protonen und Neutronen Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Hadronen- und Leptonen-Epoche 10−6 s bis 102 s nach dem Urknall T < 1013 K : zu niedrig zur spontanen Paarerzeugung von Protonen und Neutronen zunächst thermisches Gleichgewicht von Strahlung und leichten Elementarteilchen, den Leptonen Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Hadronen- und Leptonen-Epoche 10−6 s bis 102 s nach dem Urknall T < 1013 K : zu niedrig zur spontanen Paarerzeugung von Protonen und Neutronen zunächst thermisches Gleichgewicht von Strahlung und leichten Elementarteilchen, den Leptonen Leptonen dominieren Hadronen, da diese zumeist durch spontane Paarvernichtung zerstrahlt sind Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Hadronen- und Leptonen-Epoche 10−6 s bis 102 s nach dem Urknall T < 1013 K : zu niedrig zur spontanen Paarerzeugung von Protonen und Neutronen zunächst thermisches Gleichgewicht von Strahlung und leichten Elementarteilchen, den Leptonen Leptonen dominieren Hadronen, da diese zumeist durch spontane Paarvernichtung zerstrahlt sind T ≈ 1, 09 s: Dichte und Temperatur klein genug für freie Neutrinos ⇒ Universum wird transparent für Neurinos, thermisches Gleichgewicht gebrochen Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Hadronen- und Leptonen-Epoche 10−6 s bis 102 s nach dem Urknall T < 1013 K : zu niedrig zur spontanen Paarerzeugung von Protonen und Neutronen zunächst thermisches Gleichgewicht von Strahlung und leichten Elementarteilchen, den Leptonen Leptonen dominieren Hadronen, da diese zumeist durch spontane Paarvernichtung zerstrahlt sind T ≈ 1, 09 s: Dichte und Temperatur klein genug für freie Neutrinos ⇒ Universum wird transparent für Neurinos, thermisches Gleichgewicht gebrochen endet nach 102 s, als die Temperatur (109 K) zu niedrig zur spontanen Paaerzeugung von Leptonen war Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Hadronen- und Leptonen-Epoche 10−6 s bis 102 s nach dem Urknall T < 1013 K : zu niedrig zur spontanen Paarerzeugung von Protonen und Neutronen zunächst thermisches Gleichgewicht von Strahlung und leichten Elementarteilchen, den Leptonen Leptonen dominieren Hadronen, da diese zumeist durch spontane Paarvernichtung zerstrahlt sind T ≈ 1, 09 s: Dichte und Temperatur klein genug für freie Neutrinos ⇒ Universum wird transparent für Neurinos, thermisches Gleichgewicht gebrochen endet nach 102 s, als die Temperatur (109 K) zu niedrig zur spontanen Paaerzeugung von Leptonen war Dichte des Universum war etwa 10 mal höher als Dichte von Wasser Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Hadronen- und Leptonen-Epoche 10−6 s bis 102 s nach dem Urknall T < 1013 K : zu niedrig zur spontanen Paarerzeugung von Protonen und Neutronen zunächst thermisches Gleichgewicht von Strahlung und leichten Elementarteilchen, den Leptonen Leptonen dominieren Hadronen, da diese zumeist durch spontane Paarvernichtung zerstrahlt sind T ≈ 1, 09 s: Dichte und Temperatur klein genug für freie Neutrinos ⇒ Universum wird transparent für Neurinos, thermisches Gleichgewicht gebrochen endet nach 102 s, als die Temperatur (109 K) zu niedrig zur spontanen Paaerzeugung von Leptonen war Dichte des Universum war etwa 10 mal höher als Dichte von Wasser Leptonen und Anti-Leptonen vernichten sich größtenteils, einige Leptonen vrebleiben Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Primordiale Nuekleosynthese während der Photonenepoche, 10 s bis 20 min nach dem Urknall Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Primordiale Nuekleosynthese während der Photonenepoche, 10 s bis 20 min nach dem Urknall leichte Isotope entstehen: 4 He, 2 H, 3 He, 7 Li Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Primordiale Nuekleosynthese während der Photonenepoche, 10 s bis 20 min nach dem Urknall leichte Isotope entstehen: 4 He, 2 H, 3 He, 7 Li schwere Isotope entstehen erst später durch stellare Nukleosynthese Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Primordiale Nuekleosynthese während der Photonenepoche, 10 s bis 20 min nach dem Urknall leichte Isotope entstehen: 4 He, 2 H, 3 He, 7 Li schwere Isotope entstehen erst später durch stellare Nukleosynthese Temperatur gering genug für den stabilen Zusammenschluss von Protonen und Neutronen, hoch genug für Fusionsreaktionen Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Primordiale Nuekleosynthese während der Photonenepoche, 10 s bis 20 min nach dem Urknall leichte Isotope entstehen: 4 He, 2 H, 3 He, 7 Li schwere Isotope entstehen erst später durch stellare Nukleosynthese Temperatur gering genug für den stabilen Zusammenschluss von Protonen und Neutronen, hoch genug für Fusionsreaktionen Verhältnis von Baryonen zu Photonen entscheidend Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Primordiale Nuekleosynthese während der Photonenepoche, 10 s bis 20 min nach dem Urknall leichte Isotope entstehen: 4 He, 2 H, 3 He, 7 Li schwere Isotope entstehen erst später durch stellare Nukleosynthese Temperatur gering genug für den stabilen Zusammenschluss von Protonen und Neutronen, hoch genug für Fusionsreaktionen Verhältnis von Baryonen zu Photonen entscheidend endet nach 102 s, als die Temperatur (109 K) zu niedrig zur spontanen Paaerzeugung von Leptonen war Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Primordiale Nuekleosynthese während der Photonenepoche, 10 s bis 20 min nach dem Urknall leichte Isotope entstehen: 4 He, 2 H, 3 He, 7 Li schwere Isotope entstehen erst später durch stellare Nukleosynthese Temperatur gering genug für den stabilen Zusammenschluss von Protonen und Neutronen, hoch genug für Fusionsreaktionen Verhältnis von Baryonen zu Photonen entscheidend endet nach 102 s, als die Temperatur (109 K) zu niedrig zur spontanen Paaerzeugung von Leptonen war Resultat: 75 % 1 H, 25 % 4 He, 2 H, 3 He und 3 H vernachlässigbar Paul Angelike Das frühe Universum Primordiale Nuekleosynthese Abbildung: Entstehung von Deuterium- und Heliumkernen während der primordalen Nukleosynthese (Quelle [1, S. 698]) Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Ausblick Inhomogenitäten von normaler Masse nicht ausreichend für die Entstehung von Galaxien, da im CMB keine entsprechend starken Dichtevariationen gefunden werden Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Ausblick Inhomogenitäten von normaler Masse nicht ausreichend für die Entstehung von Galaxien, da im CMB keine entsprechend starken Dichtevariationen gefunden werden Kontraktionen dunkler Materieklumpen werden nicht vom Stahlungsdruck beeinflusst und hinterlassen deshalb keinen CMB-Fußabdruck Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Ausblick Inhomogenitäten von normaler Masse nicht ausreichend für die Entstehung von Galaxien, da im CMB keine entsprechend starken Dichtevariationen gefunden werden Kontraktionen dunkler Materieklumpen werden nicht vom Stahlungsdruck beeinflusst und hinterlassen deshalb keinen CMB-Fußabdruck Galaxien sind materiedominiert, der Rest des Universums dunkle materiedominiert Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Ausblick Inhomogenitäten von normaler Masse nicht ausreichend für die Entstehung von Galaxien, da im CMB keine entsprechend starken Dichtevariationen gefunden werden Kontraktionen dunkler Materieklumpen werden nicht vom Stahlungsdruck beeinflusst und hinterlassen deshalb keinen CMB-Fußabdruck Galaxien sind materiedominiert, der Rest des Universums dunkle materiedominiert Friedmann-Gleichungen geben Aufschluss über Fortbestehen des Universum → mit Ω0 = 1 expandiert das Universum für immer Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Kritik am Standardmodell des Urknalls Was ist nördlich vom Nordpol? keine Aussage über Vorgänge vor dem Urknall Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Kritik am Standardmodell des Urknalls Was ist nördlich vom Nordpol? keine Aussage über Vorgänge vor dem Urknall kosmische Inflation als ad-hoc-Erweiterung der Urknalltheorie Paul Angelike Das frühe Universum Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Kritik und Zusammenfassung Kritik am Standardmodell des Urknalls Was ist nördlich vom Nordpol? keine Aussage über Vorgänge vor dem Urknall kosmische Inflation als ad-hoc-Erweiterung der Urknalltheorie Natur dunkler Materie und Energie bis heute weitgehend unbekannt, obwohl das heutige Universum von diesen Größen dominiert wird Paul Angelike Das frühe Universum Zusammenfassung Abbildung: Temperatur- und Dichteverlauf des Universums mit Epocheneinteilung (Quelle [1, S. 693]) Der Urknall Beobachtungen im heutigem Universum Die Entwicklung des frühen Universums Ausblick Literatur Eric Chaisson and Steve MacMillan. Astronomy today. Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 3. ed. edition, 1999. Steven Weinberg. Die ersten drei Minuten. R. Piper & Co. Verlag Muenchen, 1979. WMAP images on nasa.gov https://map.gsfc.nasa.gov/resources/otherimages.html. Paul Angelike Das frühe Universum Kritik und Zusammenfassung
