Neues aus Kosmologie und Astrophysik
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Neues aus Kosmologie und Astrophysik T.Hebbeker 1.0 Unser Universum Sterne und Galaxien Hintergrundstrahlung Elemententstehung Das Big-Bang-Modell Prozesse im frühen Universum Fragen und Antworten (?) Dunkle Materie Dunkle Energie Schwarze Löcher Planetensysteme Thomas Hebbeker RWTH Aachen Januar 2003 Haus Overbach Blick ins Universum: Sterne und Galaxien T.Hebbeker Die Milchstrasse Nachbarstern „Proxima Centauri“ 4 Lichtjahre 1 Lichtjahr = 1016 m 25000 Lj Das Sonnensystem in der „Unsere“ Galaxie = Milchstrasse Milchstrasse Blick ins Universum: Sterne und Galaxien Andere Galaxien Nachbargalaxie „Andromeda“ 3 Millionen Lichtjahre „Whirlpool“ (HST) Palomar Observatory, E. Hubble (1949) 37 Millionen Lj T.Hebbeker Blick ins Universum: Sterne und Galaxien HST „deep field“ bis zu 10 Milliarden Lichtjahre Blick in die Vergangenheit! T.Hebbeker Rotverschiebung der Galaxien Doppler-Effekt: T.Hebbeker Hubble 1929: Universum expandiert v nm d v = H ⋅d H = 65 km / s / Mpc = 2 cm / s / Lj =1 / (15 ⋅109 a) T.Hebbeker Die kosmische Hintergrundstrahlung COBE Mikrowellenstrahlung aus allen Richtungen = „schwarzer Körper“ mit T = 2.7K Die Chemie des Universums Vor der Sternbildung: 75 % Wasserstoff T.Hebbeker Am Ende des Sternenlebens: 25 % Helium Wir bestehen aus Sternenasche ! T.Hebbeker T = 2.7 K Das heutige Universum Materie: • 1011 Galaxien mit je 1011 Sternen • dunkle Materie Strahlung: • Sternenlicht • Hintergrundstrahlung H,He Das Big-Bang - Modell Einsteins allgemeine Relativitätstheorie + = Astrophysikalische Beobachtungen Der Raum expandiert Anfang: „Big Bang“ Hintergrundstrahlung Rotverschiebung Chemie T.Hebbeker Prozesse im frühen Universum 10 10 a heute T.Hebbeker 300 000 a Atome 3 min Kerne 10 −10 s Ladungssumme = 0 T.Hebbeker Fragen und Antworten Dunkle Materie ? Evolution des Kosmos – dunkle Energie ? Schwarze Löcher ! Planetensysteme ! Dunkle Materie ? T.Hebbeker Gibt es große Mengen nichtleuchtender Materie im Kosmos ? Nachweis: Gravitation! Untersuchung von Spiralgalaxien: Messung der Rotationsgeschwindigkeit via Doppler-Effekt: v(r) ist Maß für eingeschlossene Masse ! Dunkle Materie ! T.Hebbeker Erwartung: außerhalb des leuchtenden Teils der Galaxie: vrot ~ 1 / r (wie Planeten im Sonnensystem) ρ ~ 1/ r 2 Eigenschaften der dunklen Materie ? T.Hebbeker Quantität: etwa 10 mal mehr dunkle als leuchtende Materie ! Beschaffenheit: • ausgebrannte Sterne (= Baryonen) ? passt nicht ins Urknall-Modell! • Neutrinos mit Masse ? aus Urknall ~ 300 / cm3 aber: zu leicht (< 0.1 eV) ! • „neue“ Elementarteilchen ? favorisierte Hypothese! Suche mit Teilchenbeschleunigern ! Evolution des Universums (a la Einstein) T.Hebbeker Geschwindigkeit nimmt ab! • Hubble-Konstante (kinetische Energie • mittlere Massendichte (potentielle Energie ρ Ωm = = ρ krit mittlere Massendichte Expansion) Kontraktion) Gravitation! nicht genau bekannt kritische Massendichte ≈ 3 H − Atome / m 3 Hubble-Konstante Ω m entscheidet über unser Schicksal ! = Abstand zwischen zwei entfernten Galaxien Evolution des Universums – „bisher“ T.Hebbeker Evolution wird durch Massendichte Urknall Alter des Universums ~ 10 Milliarden Jahre bestimmt: Ω m = ρ / ρ krit Aus Messung der Raumkrümmung: Ωm ~ 1 Evolution des Universums – „neu“ T.Hebbeker Messungen an Supernovae: beschleunigte Expansion ! Erweitertes Modell: Einsteins „kosmologische Konstante“ Λ ≠ 0 → ΩΛ „dunkle Energie“ Ωm + ΩΛ ≈ 1 wirkt abstossend! Supernovae Ia T.Hebbeker Explosion wenn Masse kritischen Wert ≈ 1.4mSonne erreicht! Helligkeit: gleich groß Entfernungsbestimmung Fluchtgeschwindigkeit Zeitskala: einige Wochen Energieformen im Universum Anteil in % 5 T.Hebbeker 1 25 dunkle Materie dunkle Energie baryonische Materie leuchtende Materie 70 Schwarze Löcher R T.Hebbeker v m R v M R ⋅c2 Falls M > : Fluchtgeschwindigkeit v > Lichtgeschwindigkeit c 2⋅G Weder Teilchen noch Licht kann entweichen! Schwarzschild 1915 Schwarze Löcher in Galaxienzentren infrarot T.Hebbeker Zentrum der Milchstrasse Radioquelle Sgr A Messung der Eigenbewegung der Sterne dicht am Zentrum (0.1 – 10 Lichtjahre): Eingeschlossene Masse = 3 Millionen Sonnenmassen Sgr A = Schwarzes Loch Schwarze Löcher aus Supernovae T.Hebbeker massive Supernovareste = schwarze Löcher ? wenig Licht Simulation: Schema viel Licht Todesspirale beobachtet: Cygnus XR-1 (Sternbild Schwan, 6000 Lichtjahre) Schwarze Löcher Evidenz für schwarze Löcher: • „klein“: ausgebrannte Sterne (Supernovae-Rest) • „groß“: Zentrum von (allen ?) Galaxien Bedeutung ? Noch nicht beobachtet: • Mini-Löcher • Verdampfende Schwarze Löcher • ... T.Hebbeker Planetensysteme „Unser“ Sonnensystem: Gibt es andere Planetensysteme ? Werden alle Sterne von Planeten umkreist ? Gibt es erdähnliche Planeten ? Gibt es extraterrestrisches Leben ? Ja! bereits ~ 100 Planeten gefunden ! T.Hebbeker Planetensysteme Nachweismethoden: a) Stern „wackelt“ periodisch: b) Stern wird periodisch verdunkelt: T.Hebbeker Planetensysteme Lebewesen wurden leider noch nicht gefunden.... Bisherige Beobachtungen zeigen: Planetensysteme eher Regel als Ausnahme Planeten groß und nahe am Stern (?) Kein erdähnlicher Planet T.Hebbeker Zusammenfassung „goldenes Zeitalter der Kosmologie“ Faszinierende neue Ergebnisse, die unser Weltbild prägen werden ABER: Viele Resultate neu und Interpretationen nicht eindeutig! ... often wrong but never in doubt... http://www physik rwth aachen de/~hebbeker/welcome html#presentations T.Hebbeker Anhang A: Big-Bang - Modell T.Hebbeker Hubble 1929: Universum expandiert v = H ⋅d H = 65 km / s / Mpc = 1 / (15 ⋅10 a ) 9 Hoyle 1950: „Big Bang“ Anhang B: Sagittarius A infrarot, Geschwindigkeiten bis 1000 km/s ! T.Hebbeker Anhang C: Messung der Expansion T.Hebbeker Entfernung ~ Alter Supernovae Typ Ia = „Standardkerze“ d = v ⋅t Helligkeit log d = log v + log t Fluchtgeschwindigkeit Anhang D: Supernova-Explosion Bild 1 Bild 2 (3 Wochen später) Bild 2 – Bild 1 T.Hebbeker Anhang E: Schwarzes Loch Cygnus XR-1 T.Hebbeker Anhang F: Berechnung der Evolution T.Hebbeker ohne kosmologische Konstante: d R(t ) m⋅M m⋅ = −GN ⋅ 2 2 dt R (t ) 2 4π ρ (t ) R 3 (t ) = const M= 3 mit kosmologischer Konstanten Λ: d R (t ) m⋅M + ⋅ Λ ⋅ m R (t ) / 3 m⋅ G = − ⋅ N 2 2 dt R(t ) 2 abstossend grosse Entferng! Anhang G: Evolution - Messungen Ergebnis: Beschleunigte Expansion ! Wie misst man R, und dR/dt und dR/dt(t) ? Relativ einfach: • dR/dt aus Rotverschiebung der Wellenlängen Schwierig: • absolute Entfernung R aus scheinbarer Helligkeit ( ~ 1/ R2 ) von „Standardkerzen“ = Supernovae vom Typ Ia Zeitabhängigkeit: • weit entfernte Galaxien = alt ! T.Hebbeker
