Einführung in die moderne Kosmologie

Andrew Liddle
Einführung in die moderne Kosmologie
Übersetzung der zweiten englischen Auflage überarbeitet und erweitert
WILEYVCH
WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA
VII
Inhaltsverzeichnis
Vorwort
XI
Konstanten, Umrechnungsfaktoren und Symbole XV
1
Ein historischer Abriss kostnologischer Theorien 1
2
Beobachtungen-ein Überblick 3
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.5.1
2.5.2
Im sichtbaren Licht 4
In anderen Wellenbereichen 8
Homogenität und Isotropie 10
Die Expansion des Universums 10
Teilchen im Universum 13
Welche Teilchen gibt es ? 13
Die thermische Verteilung und das Schwarzkörper-Spektrum
3
Newton'sche Gravitation
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
Die Friedmann-Gleichung 21
Über die Bedeutung der Expansion 24
Schneller als das Licht 25
Die Flüssigkeitsgleichung 25
Die Beschleunigungsgleichung 27
Über Masse, Energie und verschwindende ^-Faktoren
20
4
Die Geometrie des Universums
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
Die flache Geometrie 29
Die sphärische Geometrie 30
Die hyperbolische Geometrie 33
Unendliche und beobachtbare Universen
Wo fand der Urknall statt? 34
Die drei Werte von k 35
29
34
Einführung in die moderne Kosmologie. Andrew Liddle
Copyright © 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
ISBN: 978-3-527-40882-5
28
16
VIII | Inhaltsverzeichnis
5
Einfache kosmologische Modelle 38
5.1
5.2
5.3
5.3.1
5.3.2
5.3.3
5.4
5.5
Das Hubble-Gesetz 38
Expansion und Rotverschiebung 39
Lösen der Gleichungen 41
Materie 41
Strahlung 43
Gemische 44
Teilchendichten 45
Die Evolution inklusive Krümmung 46
6
Beobachtbare Parameter 51
6.1
6.2
6.3
Die Expansionsrate Ho 52
Der Dichteparameter Qo 53
Der Abbremsparameter q0 55
7
Die kosmologische Konstante
7.1
7.2
7.3
Die Einführung der kosmologischen Konstante A 58
Die Flüssigkeitsbeschreibung von A 59
Kosmologische Modelle mit A 61
58
8
Das Alter des Universums
64
9
Die Dichte des Universums und die Dunkle Materie 69
9.1
9.1.1
9.1.2
9.1.3
9.1.4
9.1.5
9.1.6
9.1.7
Wie schwer ist das Universum? 69
Sterne zählen 69
Nukleosynthese vorweggenommen 70
Rotationskurven von Galaxien 71
Die Zusammensetzung von Galaxienhaufen 73
Bewegung größerer Gebiete im Universum 74
Die Strukturbildung 75
Die Geometrie des Universums und die Helligkeit von
Supernovae 75
Überblick 76
Was könnte Dunkle Materie bloß sein? 77
Elementarteilchen 77
Kompakte Objekte 78
Die Suche nach der Dunklen Materie 80
9.1.8
9.2
9.2.1
9.2.2
9.3
10
Die kosmische Hintergrundstrahlung 83
10.1
10.2
10.3
10.4
Die Eigenschaften der kosmischen Hintergrundstrahlung 83
Das Verhältnis der Photonenzahl zur Baryonenzahl 85
Der Ursprung der kosmischen Hintergrundstrahlung 87
Der Ursprung der kosmischen Hintergrundstrahlung
(Fakultative Betrachtung für Fortgeschrittene) 90
Inhaltsverzeichnis I IX
11
Das frühe Universum
94
12
Die Nukleosynthese: Der Ursprung der leichten Elemente
12.1
12.2
12.3
Wasserstoff und Helium 101
Vergleich mit Beobachtungen 104
Gegenüberstellung von Entkopplung und Nukleosynthese 107
13
Das inflationäre Universum
13.1
13.1.1
13.1.2
13.1.3
13.2
13.3
13.3.1
13.3.2
13.3.3
13.4
13.5
Probleme der Urknalltheorie 109
Das Flachheitsproblem 109
Das Horizontproblem 111
Häufigkeiten von Reliktteilchen 112
Die inflationäre Expansion 113
Die Lösung der Probleme der Urknalltheorie 115
Das Flachheitsproblem 115
Das Horizontproblem 116
Reliktteilchen-Häufigkeiten. 117
Wie viel Inflation? H7
Die Inflationstheorie und die Teilchenphysik 118
14
Die Anfangssingularität (der Urknall)
15
Das Standardmodell der Kosmologie im Überblick
15.1
15.2
15.3
15.4
15.5
15.6
15.7
Expansion 126
Geometrie 127
Alter 127
Das Schicksal des Universums 127
Der Inhalt des Universums 128
Frühgeschichte des Universums 129
Ausblick 129
Themen für Fortgeschrittene
109
122
126
131
Fl
Relativistische Kosmologie
Fl.l
F1.2
F1.3
Die Raumzeit-Metrik 131
Die Einstein'schen Gleichungen 133
Exkurs: Die Topologie des Universums
132
135
F2
Klassische Kosmologie: Abstände und Leuchtkräfte
F2.1
F2.2
F2.3
F2.4
F2.5
Lichtausbreitung und Rotverschiebung 138
Das beobachtbare Universum 141
Die Leuchtkraftentfernung 142
Winkelabstand 146
Die Statistik beobachteter Quellen 249
138
101
Inhaltsverzeichnis
F3
Neutrino-Kosmologie 252
F3.1
Masselose Neutrinos 252
F3.2
Massive Neutrinos 254
F3.2 1 Leichte Neutrinos 255
F3.2 2 Schwere Neutrinos 256
F3.3
Neutrinos und Strukturbildungg
156
F4
Die Baryogenese
F5
Strukturen im Universum
F5.1
F5.2
F5.3
F5.4
F5.4.1
F5.4.2
F5.4.3
F5.4.4
F5.5
Die beobachteten Strukturen 163
Die Gravitationsinstabilitäten 165
Die Verteilung der Galaxien 167
Anisotropien in der kosmischen Hintergrundstrahlung
Die statistische Beschreibung der Anisotropien 169
Die Berechnung von Q 172
Beobachtungen des Mikrowellenhintergrunds 173
Die räumliche Geometrie 174
Der Ursprung der Struktur 175
F6
Einschränkende kosmologische Modelle
F6.1
F6.2
F6.3
F6.4
F6.5
Kosmologische Modelle und Parameter 1.79
Kosmologische Schlüsselbeobachtungen 280
Kosmologische Datenanalyse 282
Das kosmologische Standardmodell - Ausgabe 2008
Die Zukunft 185
Bibliographie
259
263
Sachregister
179
187
Lösungen und Tipps zu den Aufgaben
295
169
189
283