Vorlesung ” Einführung in die Kosmologie“ Klausur des 25. Juli

Name, Vorname, Matrikel:
Vorlesung Einführung in die Kosmologie“
”
Klausur des 25. Juli 2008
richtige Antwort: +2; keine Antwort: 0; falsche Antwort: –1
a. b. c.
1. Was bedeutet die Isotropie“ des Universums?
”
a. Gleich große Volumenabschnitte enthalten gleich viele Galaxien.
b. Die Entropie des Universums bleibt konstant während der Expansion.
c. Das Universum sieht in alle Richtungen gleich aus.
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2. Auf welcher Skala ist das beobachtbare Universum homogen?
a. ≈ 100 Mpc
b. ≈ 10 Mpc
c. ≈ 1 Gpc
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3. Was ist der typische Abstand zwischen großen Galaxien?
a. ≈ 1 Mpc
b. ≈ 100 kpc
c. ≈ 10 kpc
2 2 2
4. Welche Kräfte werden in der Erstellung eines kosmologischen Modells
berücksichtigt?
a. nur die Gravitation;
b. Gravitation und Elektromagnetismus;
c. Gravitation, Elektromagnetismus, starke und schwache Kräfte.
5. Welche physikalischen Größen werden durch das Hubble-Gesetz miteinander
in Beziehung gebracht?
a. die Periode und die Helligkeit eines veränderlichen Sterns;
b. die Entfernung d und die relative Geschwindigkeit v zweier Körper;
c. die scheinbare Helligkeit eines Sterns und seine Entfernung.
6. Was ist der Hubble-Parameter H(t)?
a. eine Messung der Abbremsung bzw. Beschleunigung der Expansion des
Universums: H(t)2 ≡ D̈(t)/D(t), wobei D der typische Abstand zwischen
zwei Galaxien ist;
b. die Rate von Galaxienkollisionen;
ȧ(t)
.
c. die relative Rate der Änderung des Skalenfaktors a(t): H(t) ≡
a(t)
7. Den letzten Messungen zufolge, was ist der heutige Wert H0 des HubbleParameters (in km.s−1 .Mpc−1 )?
a. H0 ≃ 500
b. H0 ≃ 73
c. H0 ≃ 46
8. Wie wird die Rotverschiebung z definiert?
λem − λobs
λobs − λem
λem − λobs
b. z ≡
c. z ≡
a. z ≡
λobs
λem
λem
wobei λobs bzw. λem die beobachetete bzw. emittierte Wellenlänge einer
Spektrallinie ist.
9. Was ist der Wert der heutigen kritischen Dichte?
a. ρcr ≈ 10−33 g.cm−3
b. ρcr ≈ 10−29 g.cm−3
c. ρcr ≈ 10−23 g.cm−3
10. Was wird mithilfe der Hubble-Zeit
abgeschätzt?
a. die typische Zeitspanne zwischen zwei Galaxienkollisionen;
b. nichts Besonderes;
c. das Alter des Universums.
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2 2 2
2 2 2
H0−1
1
2 2 2
a. b. c.
11. Was ist der heutige Wert der Hubble-Zeit
a. 5, 4 · 10−44 s
b. 8 mn
H0−1 ?
c. 13, 4 · 109 Jahre
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12. Im Fall eines Universums mit druckloser Materie (p = 0) und ohne kosmologische Konstante (Λ = 0), wie steht das Alter des Universums t0 in Bezug
auf die Hubble-Zeit H0−1?
a. t0 = 2H0−1
b. t0 ≤ H0−1
c. keine besondere Beziehung
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13. Was ist die Zustandsgleichung eines Gases von nicht-relativistischen Teilchen
(≡ Staub)?
ε
a. p =
b. p = 0
c. p = −ε
2
14. Was ist die Zustandsgleichung eines Gases von relativistischen Teilchen (≡
Strahlung)?
ε
ε
c. p =
a. p = 0
b. p =
2
3
15. Was ist die Zustandsgleichung des Vakuums?
ε
ε
a. p = −ε
b. p =
c. p =
2
3
16. Wie hängt die Energiedichte εr (t) der Strahlung vom Skalenfaktor a(t) des
Universums ab?
a. εr (t) bleibt konstant
b. εr (t) ∝ a(t)−3
c. εr (t) ∝ a(t)−4
17. Dem Konkordanzmodell zufolge, welche sind die heutigen Werte der Dichteparameter von Materie (Staub) Ωd,0 , Strahlung Ωr,0 und Vakuum ΩΛ,0 ?
a. Ωd,0 ≃ 0, 5; Ωr,0 ≃ 0, 5; ΩΛ,0 = 0
b. Ωd,0 ≃ 0, 33; Ωr,0 ≃ 0, 33; ΩΛ,0 ≃ 0, 33
c. Ωd,0 ≃ 0, 28; Ωr,0 ≃ 10−5 −10−4 ; ΩΛ,0 ≃ 0, 72
18. Dem Konkordanzmodell zufolge, was ist der heutige Wert des Dichteparameters von baryonischen Materie Ωb,0 ?
a. Ωb,0 ≃ 0, 046
b. Ωb,0 ≃ 0, 28
c. Ωb,0 = 1
19. Dem Konkordanzmodell zufolge ist das beobachtbare Universum. . .
a. positiv gekrümmt (wie die Oberfläche einer Kugel: k > 0)
b. negativ gekrümmt (wie ein Sattel: k < 0)
c. flach (euklidische Geometrie: k = 0)
20. Welches Kriterium bestimmt, ob eine Teilchenart mit anderen Arten im
Gleichgewicht ist?
a. Γ < H
b. Γ > H
c. mc2 < kB T
wobei m die Masse des Teilchens, Γ die Rate seiner Wechselwirkungen mit
anderen Teilchenarten, H der Hubble-Parameter und T die Temperatur des
Universums sind.
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2 2 2
2 2 2
2 2 2
21. Was war die Temperatur der Photonen als das Universum lichtdurchsichtig
wurde?
a. T ≈ 3000 K
b. T ≈ 6000 K
c. T ≈ 0, 17 keV/kB
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22. Was ist die heutige Temperatur der Photonen der MikrowellenHintergrundstrahlung (CMBR)?
a. T ≈ 3000 K
b. T = 9, 1 K
c. T = 2, 728 K
2 2 2
2
a. b. c.
23. Betrachte eine Galaxie bei einer Rotverschiebung von z = 4. Was war die
Temperatur der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung als das heute beobachtete Licht dieser Galaxie emittiert wurde?
a. T = 2, 7 K
b. T = 13, 5 K
c. T = 27 K
δT
24. Was ist die Größenordnung der beobachteten relativen Fluktuationen
in
T
der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung?
δT
δT
δT
a.
≈1
b.
≈ 10−10
c.
≈ 10−5
T
T
T
25. Welches Phänomen ist im heißen Big Bang“ Modell für die Mikrowellen”
Hintergrundstrahlung verantwortlich?
a. die Entkopplung der Photonen von den Elektronen, mit denen sie zuvor
im frühen Universum in Gleichgewicht waren;
b. die gesamte Emission von allen Lichtquellen (Sternen, Galaxien, Quasars. . . ) im beobachtbaren Universum;
c. die Entstehung von Atomkernen im frühen Universum.
26. Welche war die erste Atomkern-erzeugende Reaktion bei der primordialen
Nukleosynthese?
a. p + e− → H + γ
b. p + p + n → 3 He + γ
c. n + p → 2 H + γ
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2 2 2
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2 2 2
27. Was war die Temperatur des Universums bei der primordialen Nukleosynthese?
a. T ≈ 150 MeV/kB
b. T ≈ 3000 K
c. T ≈ 100 keV/kB
2 2 2
28. Was war der Wert des Verhältnisses nn /np der Neutronen- und Protonendichte beim Anfang der primordialen Nukleosynthese?
nn
1
nn
nn
≃1
b.
≃
c.
≈ 5 · 10−10
a.
np
np
7
np
2 2 2
29. Was war der Wert des Verhältnisses
dichte beim Anfang der primordialen
nb
nb
a.
≃1
b.
≃
nγ
nγ
2 2 2
nb /nγ der Baryonen- und PhotonenNukleosynthese?
1
nb
c.
≈ 5 · 10−10
6
nγ
30. Welches Massenverhältnis Yp von Helium-4 4 He (zu Baryonen) wurde
während der primordialen Nukleosynthese erzeugt?
1
c. Yp ≈ 5 · 10−10
a. Yp ≈ 1
b. Yp ≈
4
31. Welche Atomkerne wurden bei der primordialen Nukleosynthese erzeugt?
a. nur die leichtesten: 2 H, 3 He, 4 He und ein kleiner Anteil an 7 Li;
b. alle natürlich vorkommende Atomkerne, mit ihren heutigen Häufigkeiten;
c. alle natürlich vorkommende Atomkerne in fast identischen Häufigkeiten.
32. Was bezeichnet man als kosmologische Inflation“?
”
a. eine Ära im frühen Universum, während dessen die Galaxienanzahl schnell
wuchs;
b. eine Epoche von (fast) exponentieller Expansion des Universums;
c. eine Epoche von exponentiellem Wachstum der Häufigkeit an Helium-4.
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2 2 2
2 2 2
a. b. c.
33. Was nennt man in der Kosmologie Horizont-Problem“?
”
a. Wegen der interstellaren Wolken in der Milchstraße bleibt ein wesentlicher
Teil des prinzipell beobachtbaren Universums nicht beobachtet.
b. Gebiete im Universum sehen gleich aus, die mutmaßlich noch nie in
ursächlichem Zusammenhang gewesen sind.
c. Es gibt innerhalb unseres Horizonts Gebiete, die sehr verschieden aussehen.
34. Wie sieht die Rotationskurve einer normalen Galaxie für Abstände vom
Galaxiezentrum r > 10 kpc aus?
a. die Rotationsgeschwindigkeit v(r) bleibt ungefähr konstant;
b. die Rotationsgeschwindigkeit v(r) nimmt wie 1/r 1/2 ab;
c. die Rotationsgeschwindigkeit v(r) sinkt schneller als 1/r 1/2 .
35. Mithilfe des Gravitationslinseneffekts wird für viele Galaxienhaufen eine
Masse MLinse abgeschätzt. Wie steht diese Masse in Bezug auf die gesamte
Masse Mleucht der leuchtenden Objekte im Haufen?
a. MLinse ist immer wesentlich kleiner als Mleucht ;
b. MLinse = Mleucht ;
c. MLinse ist immer wesentlich größer als Mleucht .
36. Was ist das Problem mit entfernten Typ Ia Supernovae (bei z ≈ 1)?
a. sie sehen leuchtkräftiger aus, als in einem Universum in abgebremsten
Expansion erwartet würde.
b. sie sehen lichtschwächer aus, als in einem Universum in abgebremsten
Expansion erwartet würde.
c. das Universum war dann zu jung, als dass sie entstehen konnten: es gibt
nur Supernovae vom Typ II.
37. Welche Bedingung über die gesamten Energiedichte εtot und Druck ptot des
Inhalts des Universums entscheidet, ob die Expansion des Universums beschleunigt wird?
a. εtot − 3ptot muß negativ sein.
b. εtot + 3ptot muß negativ sein.
c. εtot − 3ptot muß positiv sein.
38. Was ist die globale Topologie (die Gestalt) des Universums?
a. Beobachtungen zeigen, dass es der unendliche 3-dimensionale euklidische
Raum R3 ist.
b. Es hat die Gestalt der Oberfläche einer 4-dimensionalen Hyperkugel“.
”
c. Das ist unbekannt: kosmologische Modelle beschreiben nur die lokalen
Eigenschaften des Universums.
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