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1 Themen 1. Experimentelle Beobachtungen und Hubble 2. Die Kosmologischen Epochen 3. Die Hintergrundstrahlung 4. Dunkle Materie / Energie als notwendige Konsequenz 5. Schwächen der Urknalltheorie 2 Allgemeines • Zuvor: steady - state – Theorie • Begründer der Urknalltheorie: Lemaître / Friedmann • Friedmann – Gleichungen liefern expandierendes Universum mit Urknallsingularität • Grund für den Urknall: unbekannt, evtl. Quantenfluktuation 1. Experimentelle Beobachtungen und Hubble 3 Experimentelle Befunde • Hintergrundstrahlung (CMB) des Alls • beobachtete Altersgrenze der Sterne (~13 Mrd Jahre) • Häufigkeitsverteilung der Elemente im Weltraum • Rotverschiebungen des Lichts ferner Galaxien 1. Experimentelle Beobachtungen und Hubble 4 Rotverschiebungen c±v ′ f = f • Dopplereffekt: c∓v • Gravitationsrotverschiebung • Kosmologische Rotverschiebung z= λbeobachtet − λ0 1 = a mit λ0 1+ z als Skalenfaktor • Hubble – Parameter: H = 1. Experimentelle Beobachtungen und Hubble a& ( t ) a(t ) 5 Das Hubblesche Expansionsgesetz • Galaxien bewegen sich von uns weg: v = c ⋅ z = H 0 ⋅ d • Kehrwert der Hubble – Konstanten Hubble – Zeit Weltalter ≈ 71 km s ⋅ Mpc ergibt • Bewegung durch Raum – Zeit – Dehnung • Geschwindigkeit gut über Rotverschiebung messbar 1. Experimentelle Beobachtungen und Hubble 6 Epochen des Universums • charakterisiert durch die jeweiligen Reaktionen • adiabatische Abkühlung lässt hochenergetische Teilchen aussterben („Ausfrieren“ von Reaktionen) 2. Die Kosmologischen Epochen 7 Planck - Ära −44 • Zeit vor 5,4 ⋅ 10 s (Planck – Zeit) • keine physikalisch sinnvollen Aussagen möglich, da weder Zeit noch Länge Kontinua sind g • aus elementaren Überlegungen folgt ρ ≈ 10 cm 3 und T ≈ 1032 K am Ende der Planck - Zeit 94 • alle vier Grundkräfte waren in einer Urkraft vereint 2. Die Kosmologischen Epochen 8 GUT - Ära • Beginn der Expansion • Gravitation spaltet sich ab è GUT – Kraft verbleibt • Zustand maximaler Symmetrie • Ursprung der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie (?) 2. Die Kosmologischen Epochen 9 Inflationäres Universum 27 −36 10 K 10 s • Bei sank die Temperatur auf • starke spaltet sich von der GUT – Kraft ab è elektroschwache Kraft −35 −33 10 s 10 s • überlichtschnelle Expansion zwischen und 50 10 um den Faktor • Größe des Universums danach: Größenordnung 1m 2. Die Kosmologischen Epochen 10 Die Inflationsphase erklärt die Beobachtungen • globale Homogenität des Kosmos (Horizontproblem) • großräumige Strukturen wie Galaxien / Galaxienhaufen • geringe Krümmung des Raumes (Flachheitsproblem) • das Fehlen magnetischer Monopole 2. Die Kosmologischen Epochen 11 Quark - Ära • Nach 10−33 s sank die Temperatur auf 1025 K • Bildung von Quarks und Antiquarks • noch keine stabilen Nukleonen è Quark – Gluonen – Plasma • schwerere Teilchen starben aus 2. Die Kosmologischen Epochen 12 Die vier Grundkräfte • Nach 10−12 s sank die Temperatur auf 1016 K • elektroschwache è schwache und elektromagnetische Kraft 2. Die Kosmologischen Epochen 13 Hadronen - Ära −6 • Nach 10 s sank die Temperatur auf 1013 K • Quarks vereinigen sich zu Hadronen • Umwandlungen: p + ve n + e + p + e − n + ve • thermisches Gleichgewicht: 2. Die Kosmologischen Epochen nn ≈e np ( ) − mn − m p c 2 kT 14 Leptonen - Ära • Nach 10−4 s sank die Temperatur auf 1012 K • Annihilation der Hadronen mit Antiteilchen • Leptonenpaare werden gebildet, Dichte sinkt auf 1013 g cm 3 • Neutrinos entkoppeln 2. Die Kosmologischen Epochen 15 Ende der Leptonen - Ära • Nach 0,1 s keine Myonen – Antimyonen – Paare mehr • Nach 1 s keine Elektron – Positron – Paare mehr • Bau der uns bekannten Materie abgeschlossen − n p e → + + ve • einige Neutronen sind zerfallen nach 2. Die Kosmologischen Epochen 16 Nukleosynthese 9 • Nach 10 s sank die Temperatur auf 10 K • Atomkernbildung, als erstes 2 Deuterium: n + p → H + γ nn 2 ⋅ nn 4⋅ np 2 = = 0, 25 •Y= n nn + n p 1+ n np • Ende nach 5 Minuten: 25 % He-4 (Y), 75% H, Spuren: Deuterium, Helium-3, Lithium, Beryllium 2. Die Kosmologischen Epochen 17 Ende der Strahlungsära • Nach 10000 Jahren fällt die Energiedichte der Strahlung unter die der Materie • seither waren Photonen in ständiger WW mit freien Ladungen è undurchsichtiges Universum • nach 380000 Jahren sank die Temperatur auf rund 3000 K è Rekombination • Universum wird durchsichtig è Hintergrundstrahlung 2. Die Kosmologischen Epochen 18 Hintergrundstrahlung • nahezu homogen und isotrop, wie schwarzer Strahler ( 8π h 3 h⋅f kT • µ df = 3 f e −1 c ) −1 df mit T = 2,725 ± 0,002 K • Verschiebungsgesetz: fmax = 5, 88 ⋅ 1010 T 3. Die Hintergrundstrahlung 19 Messung / Entdeckung • wurde bereits 1948 von Gamow vorhergesagt • 1965 von Penzias und Wilson zufällig entdeckt • heute: COBE, WMAP • rund 400 Photonen an Hintergrundstrahlung cm 3 3. Die Hintergrundstrahlung 20 Perfekte Isotropie? • Abweichungen von der Isotropie durch COBE und WMAP gemessen • nach Abzug der dipolartigen Verschiebung verbleibt 1 ∆T = T 10000 • Abweichungen durch Materieschwankungen • Messung liefert Information über die Zeit vor der Entkopplung 3. Die Hintergrundstrahlung 21 • Winkelleistungsspektrum: Ausschlag bei 1° • Messung liefert Informationen über Krümmung • Strahlung aus überdichten Regionen erfährt Gravitationsrotverschiebung 3. Die Hintergrundstrahlung 22 Krümmung / Dichteparameter • 3 Möglichkeiten der Krümmung: • Dichteparameter: Ω = ρ ρc , man findet Ω ≅ 1 • ρ c aus E = T + U = mv 2 − 1 2 3. Die Hintergrundstrahlung 4π 1 4π Gm ρ r 2 = mH 02r 2 − Gm ρ r 2 3 2 3 23 • bei 3 H 02 ρc = 8π G ist E = 0 è keine Krümmung • Krümmung ist mit Dichteparameter verknüpft: kc 2 = H 02 S02 ( Ω − 1) : • Dichteparameter beeinflusst Zukunft des Universums 3. Die Hintergrundstrahlung 24 Dunkle Materie • es gibt zu wenig baryonische Materie um kosmologische Beobachtungen zu erklären • baryonische, heiße und kalte dunkle Materie (WIMP) • WIMP unterliegt gravitativer und schwacher WW • Zusammensetzung des Universums: 4. Dunkle Materie / Energie als notwendige Konsequenz 25 Dunkle Energie • baryonische und dunkle Materie würden Verlangsamung der Expansion verursachen • Beobachtung: exponentielle Expansion • dunkle Energie als Vakuumenergie hat konstante Dichte 4. Dunkle Materie / Energie als notwendige Konsequenz 26 Bsp: Bewegung eines Objekts mit Masse mG und Abstand r zum Zentrum einer Masseverteilung 1 1 1 4π 2 2 2 & & = − = − ρr E m r Gm M m r Gm • Gesamtenergie: G G G G 2 r 2 3 8π & && E = 0 → r = Gρ ⋅ r • Energie ist erhalten: 3 • gelöst durch R = R 0 ⋅ e t t0 mit 8π t0 = Gρ 3 −1 2 • Beobachtung Ω = Ω B + Ω DM + Ω DE = 1,02 ± 0,02 liefert Ω DE 4. Dunkle Materie / Energie als notwendige Konsequenz 27 Schwächen • Antisymmetrie Materie / Antimaterie • Beschreibung der Planck – Ära • Wie kam es zum Urknall? • Dunkle Materie / Energie 5. Schwächen der Urknalltheorie 28 Quellen • Kosmologieskript von Prof. de Boer • Blome / Zaun: Der Urknall • Joseph Silk: Die Geschichte des Kosmos • Spektrum der Wissenschaft: Kosmologie und Teilchenphysik • http://curious.astro.cornell.edu/ • http://de.wikipedia.org/wiki/Hauptseite • http://www.nasa.gov/ • http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/EKPoverview.pdf • http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/ • http://homepages.physik.uni-muenchen.de/~Otmar.Biebel/ dm-seminar/KHaiser.pdf • http://www.tp4.ruhr-uni-bochum.de/~ks/symposium/talks/ wunner.pdf 29
