Die beschleunigte Expansion
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Die beschleunigte Expansion Franz Embacher Fakultät für Physik Universität Wien Vortrag im Rahmen von University Meets Public VHS Meidling, 12. 3. 2012 Nobelpreis 2011 … an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt und Adam G. Riess „für die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums durch Beobachtungen weit entfernter Supernovae“. Die beschleunigte Expansion des Universums • • • • Die Expansion des Universums in der Theorie Einsteins „kosmologische Kontante“ Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als Standardkerzen • Das moderne Standardmodell des Universums Andromeda-Nebel M31 mit M32 und M110 HST Deep Field Die Expansion des Universums in der Theorie • Albert Einstein 1915: Allgemeine Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation • Gravitation ist die dominierende Kraft im Universum Beschreibung des Universums als Ganzes? • Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf großen Skalen homogen und isotrop Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die „Bewegung“ des Universums im Großen ist eine Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor) • Was sagte die Theorie zunächst voraus? Die Expansion des Universums in der Theorie „Newtonsche“ Argumentation: Die Expansion des Universums in der Theorie Die Expansion des Universums in der Theorie Die Expansion des Universums in der Theorie Die Expansion des Universums in der Theorie Masse M gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse im Gravitationsfeld einer Punktmasse M ! Die beschleunigte Expansion des Universums • Demnach kann das Universum expandieren oder kontrahieren. Es kann sich nicht in einem statischen Zustand befinden! • Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische Konstante“ Λ. Ihre Bedeutung ist die einer Energiedichte des Vakuums. Energiedichte des Vakuums • Was ist das Vakuum? • Das Vakuum könnte eine Energie besitzen! In diesem Fall besitzt das Vakuum einen negativen Druck! Materie normales Verhalten (z.B. Gas) Energieinhalt wird vergrößert. Energieinhalt wird verkleinert. positiver Druck Vakuum E~V Energieinhalt wird verkleinert. Energieinhalt wird vergrößert. negativer Druck Energiedichte des Vakuums • Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben ein statisches Universum. • Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten lassen es kollabieren! • Überlegungen zu einem expandierenden Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre) werden zunächst wenig beachtet… Die Galaxienflucht • 1912 Vesto Slipher: Erste Messungen zur Rotverschiebung einzelner Objekte Geschwindigkeiten von Galaxien! • 1912 Henrietta Swan Leavitt: Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden erste Methoden der Entfernungsbestimmung (Cepheiden) • 1920er Jahre: Edwin Hubble kann erste Sterne im „Andromeda-Nebel“ auflösen. Die Galaxienflucht • 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns weg sind! Hubble-Gesetz: v = H0 D Hubble-Konstante (Hubble-Parameter) heutiger Wert: H0 = 71 km/s Mpc (1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre) Das Universum dehnt sich aus Das Universum ist heute (fast) flach. Das Universum war früher kleiner Urknall ! Wo fand der Urknall statt? Wo? Wo fand der Urknall statt? Überall ! Das Universum dehnt sich aus • Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen „Dehnung“ aller Längen. • Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird • fix markierte Punkte: Galaxien • Spielzeugautos: Licht • Quantitative Beschreibung der Expansion: der Skalenfaktor Länge zur Zeit t a(t) = Länge heute Das expandierende Universum • Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“ als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus seinen Gleichungen! at 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 2 4 6 8 10 t Mrd Jahre Kosmologie bis in die 1990er Jahre • Die Details der Expansion des Universums hängen von seinem Inhalt ab. • frühes Universum: strahlungsdominiert • heutiges Universum: materiedominiert • Kosmologische Probleme: • Horizontenproblem • Flachheitsproblem • Lösung: • sehr frühes Universum: Inflation (rapide exponentielle Expansion)! • Entdeckung der dunklen Materie • Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung Dunkle Materie Dunkle Materie • Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie umgeben! • Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der Galaxiengröße!) • Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält, ist sichtbar! • Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält, kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein! • Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie (fast) nur durch die Schwerkraft. Kosmische Hintergrundstrahlung 1990er Jahre: Blick in die Tiefe! • Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte gemessen werden? Standardkerzen: Supernovae Ia als Standardkerzen • Wie können sehr große Entfernungen gemessen werden? • Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd „Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt: Doppelsternsystem weißer Zwerg Materiefluss „Zündung“ bei Erreichen einer kritischen Masse Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die Entfernung abgeschätzt werden. Supernova September 2011 in M101 Das Universum dehnt sich aus • Vergleich verschiedener Theorien: • Falls Strahlung oder Materie dominiert die Expansion verläuft gebremst. (Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes Universum) • Falls die Vakuumenergie dominiert die Expansion verläuft beschleunigt! (Vakuumdominiertes Universum, Energiedichte des Vakuums = „kosmologische Konstante“ = Dunkle Energie) • Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie irgendwann einmal dominant! Modell: Materiedominiertes Universum at 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 2 4 6 8 10 t Mrd Jahre Modell: Universum mit Vakuumenergie at 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 2 4 6 8 10 12 14 t Mrd Jahre Überprüfung von Weltmodellen • Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen überprüft werden? • Rotverschiebung Geschwindigkeit der Quelle nicht messbar • Hubble-Gesetz v = H0 D Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc) • Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation Beziehung zwischen direkt messbar • z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts • D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der Aussendung des Lichts indirekt messbar Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation D Mpc 2000 vakuumdominiertes Modell 1500 1000 500 0 0 materiedominiertes Modell 1 2 3 4 5 6 z Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998) D Mpc 2000 1500 1000 500 0 0 1 2 3 4 5 6 z Ergebnisse Supernova Cosmology Project High-Z SN Search Zusammenführung verschiedener Beobachtungen Das moderne Standardmodell der Kosmologie • Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie (Dunkle Energie, kosmologische Konstante). 10−26 kg/m 3 bzw. 10−9 J/m 3 • Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt expandiert. • Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70% der gesamten Energie des Universums. • Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen gestützt: • Großräumige Galaxienverteilung • Verteilung der leichten Elemente im Universum • Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung Woraus besteht das Universum? Energieinhalt des Universums − vorläufiges Bild: Danke... ... für Ihre Aufmerksamkeit! Diese Präsentation finden Sie im Web unter http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/
