Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen - l
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Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen © Tobias Häusler Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik 2 Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen I. Einführung II. Standardkerzen III. Supernovae I. Beschreibung einer Supernovae II. Klassifikation © HST IV. Supernovae Beobachtungen V. Dunkle Energie © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 3 Einführung Was wir bereits zuvor erfahren haben: • 10.11.2015 – Grundlagen der Kosmologie, Urknall und Strukturbildung • 17.11.2015 – Kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung Informationen über .. o die ersten ~ o Geometrie des Universums Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 4 Einführung Wie steht es um den Ursprung, die Entwicklung und die Zukunft des Universums? Lemaîtres (1927) und Hubble (1929): • Direkter Zusammenhang zwischen Rotverschiebung und Entfernung der Galaxien • Beschreibung des Expansion des Universums mit der „HubbleKonstanten“ (dem Hubble-Parameter) Lemaîtres Hubble Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 5 Einführung Friedmann-Gleichungen (Friedmann-Lemaître-Gleichung): Grundannahmen: • Kosmologische Prinzip: Das Universum ist von jedem Standpunkt aus isotrop und homogen. • Die räumliche Krümmung des Raumes ist unabhängig von der Position im Raum. Moderne Formulierung: kosmologische Konstante Gravitationskonstante Krümmungsparamter Hubble-Parameter Lutz Althüser 12.01.2016 Skalenfaktor (rel. Expansion des U.) Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 6 Einführung Verschiedene Möglichkeiten für die Krümmung (siehe 17.11.2015) Energiedichte • kritische Energiedichte • • Mögliche Entwicklungen des Universums (je nach Zustandsgleichung) • Die Gravitation kann die Expansion abbremsen – Big Crunch • Gravitation verlangsamt die Expansion – jedoch niemals komplett • Expansion wird beschleunigt – die gewöhnliche Materie im Universum wird ausgedünnt, da gilt: Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 7 Einführung Wie wird es weitergehen? • Weitere Expansion? • Verlangsamte Expansion bis zum Ende des Universums? ? Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 8 Standardkerzen Verlauf der Expansion des Universums • Annahme einer ‚Standardkerze‘ – eines Astronomischen Objekts mit bekannter absoluter Helligkeit • Propagation der Photonen durch ein Expandierendes Universum • Messung der ausgesandten rotverschobenen Photonen Bestimmung der Expansion des Universums seit Aussendung der Photonen durch Rückschluss von der aufgenommenen Helligkeit und Rotverschiebung Wie sieht demnach eine Standardkerze aus? • Bekanntes Spektrum • Bekannte absoluter Helligkeit Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 9 Standardkerzen Edwin Hubble (1920er) • Ganze Galaxien als Standardkerzen • Galaxien treten allerdings in verschiedenen Formen und Größen auf (können dementsprechend nur schwer auf eine spezifische Helligkeit normiert werden) • In 1970er Jahren wurden jeweils die hellsten Mitglieder einer Galaxie vorgeschlagen, doch diese unterlagen zu starken zeitlichen Schwankungen Walter Baade und Fritz Zwicky (1938) • Supernovae als Kandidaten für eine Standardkerze • Je schwächer eine Supernova erscheint desto weiter entfernt ist diese • Die Expansion des Universums kann wie bekannt über die Rotverschiebung bestimmt werden ABER: Die Helligkeit der Supernovae unterschiedet sich stark voneinander. Dieses Problem sollte erst 50 Jahre später gelöst werden … Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 10 Supernovae .. kann als das kurzzeitige, helle Aufleuchten eines massereichen Sterns am Ende seiner Lebenszeit beobachtet werden. SN1994D Ia Zwei grundsätzliche Mechanismen: • Durch Kollaps des Kerns bei Sternen mit einer Anfangsmasse von > 8 Sonnenmassen (Dabei kann ein Pulsar oder Schwarzes Loch entstehen) © HST SN1987A • Als thermonukleare Supernova, bei der ein Weißer Zwerg Material akkretiert und durch einsetzendes Kohlenstoffbrennen zerrissen wird Voyager 2 Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 11 Supernovae Ia © Mountain Sky Observatory Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 12 Supernovae Ia SN I: frühes Spektrum enthält keine Wasserstofflinien SN II: frühes Spektrum enthält Wasserstofflinien „normale“ SN II Wasserstofflinien dominant Spektrum enthält kein Silizium SN Ia: Spektrum enthält Silizium SN Ib: viel Helium SN Ic: nur wenig Helium SN IIb: Heliumlinie dominant SN II L: Licht geht nach Maximum linear zurück SN II P: Licht bleibt nach Maximum eine Weile auf hohem Niveau Entdeckung der Unterklasse Ia in den 1980er Jahren Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 13 Supernova Ia © NASA/CXC/UC Berkeley/N.Smith et al. Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 14 Supernovae Beobachtungen Zwei Errungenschaften machten in den 1980er Baade und Zwickys Pläne möglich: © Panagia I. Die Klassifikation der Supernova Ia • Panagia (1985) zeigte in einem Paper, dass die Helligkeit von Supernovae in elleptischen Galaxien nur eine geringe Streuung aufweist • Magnitude – scheinbare Helligkeit Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 15 Supernovae Ia © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 16 Supernovae Beobachtungen Zwei Errungenschaften machten in den 1980er Baade und Zwickys Pläne möglich: II. Die Entwicklung der CCD-Kamera (und schnellere Computer) • Eröffneten die Möglichkeit der automatischen Suche nach Supernovae © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 17 Supernovae Beobachtungen Allerdings sprechen viele Gründe gegen kosmologische Messungen mit Supernovae: • Supernova Ia Explosionen sind selten und treten nur ein paar mal pro Millennium in einer Galaxie auf • Sie treten ohne Vorwarnung zufällig auf, wodurch keine Beobachtungsfenster an ‚großen‘ und somit empfindlichen Teleskopen gebucht werden können • Supernovae sind nur von kurzer Dauer und müssen mehrmals in wenigen Wochen beobachtet werden um einen genauen Peak aufzuzeichnen • Die Helligkeit einer weit entfernten Supernova kann nicht gut mit einer nahen Supernova gemessen mit dem selben Filter verglichen werden • Staub in den Ursprungsgalaxien kann die Helligkeit vermindern • Kann sicher von einer richtigen Typisierung der Supernovae ausgegangen werden? Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 18 Supernovae Beobachtungen Lösungsstrategien: • Die Beobachtung vieler Galaxien zur gleichen Zeit o Entwicklung einer „wide-field“ Kamera © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 19 Supernovae Beobachtungen November 1989 Januar 1990 © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 20 Supernovae Beobachtungen Januar 1990 November 1989 © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 21 Supernovae Beobachtungen © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 22 Supernovae Beobachtungen Kann der Supernova-Typ zweifelsfrei bestimmt werden? © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 23 Supernovae Beobachtungen Kann der Supernova-Typ zweifelsfrei bestimmt werden? © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 24 Supernovae Beobachtungen Kann der Supernova-Typ zweifelsfrei bestimmt werden? © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 25 Supernovae Beobachtungen Kann der Supernova-Typ zweifelsfrei bestimmt werden? © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 26 Supernovae Beobachtungen Rotverschiebung: © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 27 Supernovae Beobachtungen Wie gleich sind alle Supernovae Ia? © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 28 Supernovae Beobachtungen Wie gleich sind alle Supernovae Ia? Helligkeit gibt Aufschluss über die Entfernung (Zeitpunkt der Entstehung) Die Rotverschiebung beschreibt den Expansionsfaktor des Universums © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 29 Supernovae Beobachtungen © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 30 Supernovae Beobachtungen Zusammenfassung: • Supernovae Ia als Standardkerzen • Die spezifische Helligkeit der Supernovae Ia ist bekannt • Die scheinbare Helligkeit einer Supernovae kann gemessen werden • Das Verhältnis dieser Helligkeiten lässt auf eine Entfernung • Die Rotverschiebung werden schließen des Spektrums der Supernova kann direkt bestimmt • Aus den beiden bestimmten Werten ergibt sich das Ausmaß der Entfernung der Supernova welches in einem HubbleDiagramm abgebildet werden kann Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 31 Supernovae Beobachtungen © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 32 Supernovae Beobachtungen © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 33 Supernovae Beobachtungen Erinnerung: Kosmologische Parameter und Konstanten • Hubble Konstante • Dichteparameter der kosmologischen Konstante/Dunklen Energie • • Dichteparameter der Materie • Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 34 Supernovae Beobachtungen © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 35 Supernovae Beobachtungen © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 36 Supernovae Beobachtungen ohne systematische Fehler mit systematischen Fehlern © Amanullah et al. Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 37 Supernovae Beobachtungen © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 38 Supernovae Beobachtungen © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 39 Supernovae Beobachtungen Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 40 Supernovae Beobachtungen Nobelpreis in Physik 2011 Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 41 Dunkle Energie “‘Most embarrassing observation in physics’ – that’s the only quick thing I can say about dark energy that’s also true.” Edward Witten Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 42 Dunkle Energie .. eine Verallgemeinerung der kosmologischen Konstanten. • wirkt der Schwerkraft der im Weltall enthaltenen Materie entgegen, welche die Expansion des Raumes bremst • Ist homogen im gesamten Universum verteilt © Perlmutter Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 43 Dunkle Energie Auswahl an erklärenden Theorien: • Vakuumenergie (Kosmologische Konstante) • Beschreibt die Energie des „leeren Raumes“ • Die bisher auf Grund von Beobachtungen geschätzte Energiedichte von etwa , diese ist allerdings um einen Faktor zu groß. • Quintessenz • Die kosmologische Konstante ist abhängig von der Zeit • Dunkle Energie als Wirkung eines Skalares Feld • Die Elementarteilchen, die man einem solchen Skalarfeld zuschreibt, wären überaus leicht und dürften – von der Gravitation abgesehen – praktisch nicht mit normaler (baryonischer) Materie wechselwirken Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 44 Zusammenfassung Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen Lutz Althüser 12.01.2016 45 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 46 Supernovae in der Wirtschaft Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Vielen Dank. © Tobias Häusler Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen 48 Liste relevanter Quellen zum nachlesen: PhysicsTodayArticle http://supernova.lbl.gov/PDFs/PhysicsTodayArticle.pdf Perlmutter Nobel Lecture http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2011/perlmutter-lecture.html als Slides http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2011/perlmutter-lecture_slides.pdf als Text http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2011/perlmutter-lecture.pdf Paper #1 http://arxiv.org/abs/astro-ph/9812133 http://arxiv.org/pdf/astro-ph/9812133v1.pdf Paper #2 http://arxiv.org/abs/astro-ph/9805201 http://arxiv.org/pdf/astro-ph/9805201v1.pdf Cosmological constant http://scholarpedia.org/article/Cosmological_constant High-z Supernovae (2003) http://arxiv.org/abs/astro-ph/0305008 http://arxiv.org/pdf/astro-ph/0305008v1.pdf Stellar initial mass (2015) http://arxiv.org/abs/1401.2995 Extending the supernova Hubble diagram to z~1.5 (2014) http://arxiv.org/abs/1409.8562 High-Z Supernova Search Team http://www.nu.to.infn.it/exp/all/hzsnst/#1 Paper #3 http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312443 Die Vermessung des Universums http://www.zdf.de/ZDFmediathek/beitrag/video/2497740/Die-Vermessung-desUniversums#/beitrag/video/2497740/Die-Vermessung-des-Universums Supernovae Project http://www.mountain-sky.org/Mountain_Sky_Observatory/Supernovae.html MPIA http://www2.mpia.de/Public/Aktuelles/PR_2/2008/PR081203/PR_081203_de.html Lutz Althüser 12.01.2016 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik Dunkle Energie: Supernovae Ia Beobachtungen Lutz Althüser 12.01.2016 49 Masterseminar - Kosmologie und Astroteilchenphysik
