kosmischer Schall - Didaktik der Physik
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Moderne Vorstellungen vom Urknall Matthias Bartelmann Zentrum für Astronomie, Institut für Theoretische Astrophysik Universität Heidelberg Physikdidaktisches Kolloquium, Erlangen, 12.06.2007 Einige Aussagen des Urknallmodells Es gab einen Urknall. Er fand vor 14 Milliarden Jahren statt Erste Elemente bildeten sich drei Minuten danach. 400000 Jahre lang war das Universum undurchsichtig. Nur 4% der kosmischen Materie sind „gewöhnliches“ Material. Das Universum dehnt sich beschleunigt aus. Wie können wir solche Aussagen überhaupt wagen? Überblick Stonehenge: ein Weltmodell Tycho Brahes Weltbild Weltmodelle experimentelle Stützen kosmischer Schall kosmischer Einklang Inflation Weltmodelle physikalische Weltmodelle vier Kräfte: starke und schwache Wechselwirkung, Elektromagnetismus, Gravitation nur Gravitation ist wichtig für die Kosmologie moderne Gravitationstheorie: Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie (ART) Weltmodelle müssen aus der ART konstruiert werden Weltmodelle Masse und Energie krümmen den Raum Gleichungen der ART sind i.A. sehr kompliziert Vereinfachung durch Symmetrieannahmen Richtungsunabhängigkeit um uns es gibt keine ausgezeichneten Beobachter Folge: Isotropie um jeden Ort, damit auch Homogenität Weltmodelle Einfache Weltmodelle: Friedmann-Modelle instabil: dehnen sich aus oder ziehen sich zusammen wenige „Stellschrauben“: Dichte kosmologische Konstante Ausdehnungsgeschwindigkeit Wie sind diese „Stellschrauben“ eingestellt? Weltmodelle Galaxienhaufen: bis zu etwa 1000 Galaxien Galaxien bewegen sich mit etwa 1000 km/s Schwerkraft der Galaxien reicht nicht, um sie zu halten 5-10 Mal mehr Materie in Galaxienhaufen, als sichtbar ist! Dunkle Materie Coma-Galaxienhaufen Weltmodelle optische Emission nur aus dem innersten Bereich von Galaxien Wasserstoff-Emission ist wesentlich ausgedehnter Umlaufgeschwindigkeit bleibt bis zu großen Radien etwa konstant Galaxien müssen sehr viel mehr als die sichtbare Masse enthalten! Weltmodelle Kosmologische Konstante: eingeführt von Einstein für stabiles Universum unklar, worum es sich handeln könnte entspricht einer Materieform mit negativem Druck könnte z.B. von bestimmten Elementarteilchen-Sorten beigetragen werden Prof. de Sitter, Allgemeines Handelsblatt 1930: „Wie bläst er den Ball auf? Was sorgt dafür, dass das Weltall sich ausdehnt? Das macht das Lambda! Eine andere Antwort ist nicht möglich.“ experimentelle Stützen Galaxien bewegen sich in der Regel von uns weg (Slipher) sie tun das umso schneller, je weiter entfernt sie sind (Hubble) dies entspricht genau dem Verhalten der FriedmannModelle (Lemaître) experimentelle Stützen unsere „Nachbarschaft“ sieht keineswegs isotrop aus! zu je größeren Entfernungen wir beobachten, desto isotroper wird das Universum im Mittel ist das Universum offenbar wirklich isotrop experimentelle Stützen Universum dehnt sich aus: es war früher kleiner und heißer es muss aus einem „Urknall“ entstanden sein bis etwa 3 Minuten danach konnte Kernfusion stattfinden leichte Elemente entstanden (v.a. D, He, Li) deren gemessene Häufigkeiten stimmen sehr gut mit den erwarteten überein kosmischer Schall frühes, heißes Universum war undurchsichtig 400000 Jahre nach dem Urknall: Atome entstanden, es wurde durchsichtig Licht konnte sich danach frei ausbreiten es verlor Energie wegen der Abkühlung: Temperatur heute etwa 3K Mikrowellenhintergrund, entdeckt 1965 kosmischer Schall heutige kosmische Strukturen müssen sehr früh angelegt worden sein der Mikrowellenhintergrund sollte ebenfalls Strukturen zeigen Temperaturschwankungen im Bereich von etwa 10 Millionstel Grad erwartet sie wurden 1992 von dem amerikanischen CobeSatelliten entdeckt kosmischer Schall drei Mechanismen haben diese Strukturen erzeugt: Licht lief in „hügeligem Gelände“ los (Sachs-WolfeEffekt) Wechselspiel von Druck und Schwerkraft erzeugte Schwingungen: Schallwellen Licht trieb kleine Strukturen auseinander (Silk-Dämpfung) kosmischer Schall Wie ausgeprägt sind Strukturen welcher Größe? Schallwellen breiten sich mit Schallgeschwindigkeit aus nach etwa 400000 Jahren trennten sich Strahlung und Materie Schallgeschwindigkeit x 400000 Jahre = Schallhorizont was größer war, konnte nicht zu schwingen anfangen kosmischer Schall kosmischer Schall Wilkinson-MAP: Bestätigung der Theorie; viele Eigenschaften des Universums lassen sich erstmals genau bestimmen weiter erheblich verbesserte Ergebnisse vom europäischen Satelliten Planck erwartet kosmischer Schall wir wissen, wie groß der Schallhorizont wirklich war wir wissen, wie groß er uns erscheint das Verhältnis von beiden hängt von der Raumkrümmung ab Das Universum ist flach! 30% des kosmischen Materials ist Dunkle Materie den Rest trägt die Dunkle Energie bei kosmischer Zusammenklang manche Sterne explodieren am Ende ihres Daseins: Supernovae zwei Arten von Explosionen: ausgelöst entweder durch Kollaps wegen Übergewichts (Typ Ib, II), oder durch Überfütterung eines Weißen Zwergs (Typ Ia) kosmischer Zusammenklang Typ Ia: Weißer Zwerg und Riesenstern bilden Doppelsternsystem Masse fließt vom normalen Stern auf den Weißen Zwerg Weißer Zwerg darf höchstens 1.4 Sonnenmassen haben Explosion immer derselben Menge „Sprengstoffs“: Typ-IaSupernovae sind Standardkerzen kosmischer Zusammenklang wirkliche und scheinbare Helligkeit von SN-Ia ergeben deren Entfernung aus dem Spektrum lässt sich bestimmen, vor wie langer Zeit die Supernova explodierte Entfernungen nehmen mit der Zeit immer schneller zu! Supernovae vom Typ Ia bestätigen die Kosmologische Konstante kosmischer Zusammenklang Massen lenken Licht ab Lichtablenkung ist differentiell Verzerrung Verstärkung Dunkle Materie wird sichtbar Galaxienhaufen: direkter Nachweis Kartierung großräumige Strukturen: statistischer Nachweis kosmischer Zusammenklang Universum ist von Strukturen durchzogen; Gravitationslinseneffekt ist unvermeidlich Stärke der Verzerrung hängt von der Materiemenge im Universum und seiner Geometrie ab Messungen der kosmischen Lichtablenkung bestätigen Mikrowellenhintergrund und Supernovae kosmischer Zusammenklang völlig verschiedene kosmologische Messungen ergeben erstmals ein einheitliches Bild: einfache Weltmodelle bestätigt Urknall vor 14 Milliarden Jahren leichte Elemente entstanden innerhalb von etwa drei Minuten nach 400000 Jahren wurde das Universum durchsichtig das Universum ist flach es besteht aus 4% „normaler“, 27% dunkler Materie und 69% Kosmologischer Konstante („dunkler Energie“) die Ausdehnung des Universums beschleunigt sich Inflation Ist die Kosmologie damit beendet? große Fragen werden damit erst gestellt: Was sind Dunkle Materie und Dunkle Energie? Warum sieht der Mikrowellenhimmel überall fast gleich aus? Wo kamen die kosmischen Strukturen her? Inflation Die letzten zwei Fragen können gelöst werden, wenn das Universum sehr früh sehr stark „aufgeblasen“ wurde: kosmische Inflation kleine, zusammenhängende Gebiete können die Größe des gesamten beobachtbaren Universums erreicht haben Strukturen können aus sehr frühen Quantenfluktuationen entstanden sein! Ausklang Zum ersten Mal in der Geschichte der Kosmologie gibt es ein präzise vermessenes, einfaches Weltmodell. Damit steht der theoretische Rahmen der Kosmologie fest. Dunkle Materie und Dunkle Energie sind rätselhaft. Kosmologische Inflation bietet eine mögliche Antwort auf ein Bündel kosmologischer Fragen Dafür muss sie sehr frühe, sehr heftige, beschleunigte Ausdehnung des Universums fordern. Wir leben jetzt in einer Phase beschleunigter kosmologischer Ausdehnung!
