Das neue Bild des Universums
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Das neue Bild des Universums Axel Lindner, DESY 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Fragen und Antworten (?): • Der Aufbau des Universums • Das dynamische Universum • Wieso ist alles so wie es ist? 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 1 Warum Astronomie? Anwendungen: – Kalender: • Vorhersage von Nilüberschwemmungen im alten Ägypten 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Warum Astronomie? Anwendungen: – Verständnis unserer Umwelt: • Wie beeinflusst die Sonne unser Klima? • Warum sind die Dinosaurier ausgestorben? 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 2 Warum Astronomie? Philosophie: – Woher kommt das „All“es? – Ist der Kosmos „göttlich“? 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Erkenntnisse der Astronomie Himmelsobjekte sind: • Nicht unveränderlich und ewig 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 3 Erkenntnisse der Astronomie Himmelsobjekte sind: • Nicht unveränderlich und ewig • Nicht perfekt 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Erkenntnisse der Astronomie Himmelsobjekte sind: • Nicht unveränderlich und ewig • Nicht perfekt • den „irdischen“ Naturgesetzen unterworfen Newton 1687 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 4 Erkenntnisse der Astronomie Himmelsobjekte sind: • Nicht unveränderlich und ewig • Nicht perfekt • den „irdischen“ Naturgesetzen unterworfen • und aus denselben Stoffen wie wir aufgebaut. Spektroskopie: Bunsen und Kirchhof 1858 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Erkenntnis I Himmel und Erde sind aus gleichem Stoff! 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 5 Unsere Position im Universum Wir sind • Nicht Mittelpunkt des Sonnensystems Kopernikus 1543 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Unsere Position im Universum Wir sind • Nicht Mittelpunkt des Sonnensystems • und nicht im Zentrum der Milchstraße 1920 Zentrum der Milchstraße Sonne 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 6 Unsere Milchstraße (Galaxie) Die Sonne ist einer von 100.000.000.000 Sternen 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Unsere Position im Universum Wir sind • Nicht Mittelpunkt des Sonnensystems • und nicht im Zentrum der Milchstraße • Es gibt nicht nur ein Planetensystem Nach 1995 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 7 Künstlerische Darstellung eines gemessenen Systems aus wenigstens drei Planeten (55 Cancri, Entf. 40 Lichtjahre) Stand17.01.2006 (Hauptreihensterne): 147 Planetensysteme mit 170 Planeten (17 Mehrplanetensysteme) 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Unsere Position im Universum Wir sind • Nicht Mittelpunkt des Sonnensystems • und nicht im Zentrum der Milchstraße • Es gibt nicht nur ein Planetensystem • Es gibt nicht nur eine Milchstraße Hubble 1924 Identifikation eines Cepheiden 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 8 Erkenntnis II • Unsere Sonne ist einer von 100.000.000.000 Sterne in unserer Milchstraße • Unsere Milchstraße ist eine von mehr als 125.000.000.000 Galaxien 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Entwicklung des Universums Wie könnten wir eine Entwicklung des Universums beobachten? Fundamentales Naturgesetz: Licht breitet sich aus mit einer Geschwindigkeit von rund 300.000 km/Sekunde Konsequenz: Weit entfernte Objekte sehen wir in der Vergangenheit! 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 9 Der derzeitige Rekord (z=10) 13.230.000.000 Lichtjahre (Laufzeit des Lichts: etwa das dreifache des Alters der Erde) Zeigt ein Universum, welches nur 3% des heutigen Alters hatte! Weit entfernte Galaxien zeigen uns ein früheres Universum 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Schlussfolgerung: Durch Beobachtung entfernter Objekte können wir die Entwicklung des Universums über die letzten etwa 14 Milliarden Jahre nachvollziehen. Beispiel: Sternentstehung (Nature 387) 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 10 Dynamik im Universum Hubble 1929: • Alle Galaxien entfernen sich voneinander. • Weiter entfernte Galaxien haben eine größere Geschwindigkeit Das Universum fliegt auseinander! 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Expansion des Universums Der „Raum“ dehnt sich: • Galaxien entfernen sich voneinander • Die Wellenlänge von Licht wird gestreckt Licht verliert Energie! 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 11 Das Universum … … ist wie ein Rosinenbrot … 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums … mit Galaxien statt Rosinen. 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 12 Schlussfolgerungen Das Universum dehnt sich aus: • Morgen ist es größer als heute. • Gestern war es kleiner als heute. • Vor etwa 14 Milliarden Jahren passte es auf dieses Bild: Ein Universum 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Zurück zum Anfang Das Universum ist in einem Urknall entstanden 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 13 Das Urknall-Modell 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Das Urknall-Modell Notwendig zum Verständnis des Urknalls: Wie verhält sich Materie bei höchsten Energien? Dazu muss bekannt sein: Welches sind die elementaren Bausteine der Materie? Ergebnisse der Teilchenphysik (DESY)! 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 14 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Stimmt den das alles? 1: Das Echo des Urknalls Licht aus der Zeit der Entstehung der Atome müsste als Mikrowellenstrahlung messbar sein! 300.000 Jahre nach Urknall Penzias und Wilson 9 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 15 Stimmt den das alles? 2: Entstehung von Strukturen im Universum Es muss kleine Schwankungen im Echo des Urknalls geben WMAP 2003 Schwankungen: 0,001% 9 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 16 Aber die Details! Zwei Revolutionen in der Kosmologie in den letzten etwa 10 Jahren durch neue Instrumente 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Aber die Details! Zwei Revolutionen in der Kosmologie in den letzten etwa 10 Jahren durch neue Instrumente 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 17 Revolution I: Masse im Universum Bisherige Vorstellung:: Die bekannten Massen halten Planetensysteme, Galaxien und Galaxienhaufen zusammen. Newton 1687 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Revolution I: Masse im Universum Galaxien drehen sich zu schnell Es muss eine neue Form von „Dunkler Materie“ geben 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 18 Revolution I: Masse im Universum Galaxienhaufen müssen von „Dunkler Materie“ zusammengehalten werden 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Revolution I: Masse im Universum Strukturbildung im Universum benötigt „Dunkle Materie“ . Die Massenanziehung der bekannten Materie reicht nicht aus, um in nur 14 Milliarden Jahren Galaxien, Sterne oder Planeten zu bilden. 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 19 Revolution I: Masse im Universum Schlussfolgerung: 85% der Materie im Universum besteht aus völlig unbekannten Substanzen: „Dunkle Materie“ 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Galaxien „schwimmen“ in einem Halo aus Dunkler Materie Sind dann auch „Galaxien ohne Sterne“ denkbar? 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 20 Was passiert mit NGC 4254? Welche Kraft zieht an dem einen Spiralarm von NGC 4254? 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Was passiert mit NGC 4254? Welche Kraft zieht an dem einen Spiralarm von NGC 4254? Beobachtung: schwache Radiostrahlung (Wasserstoff-Gas) aus einem sonst leeren Gebiet! 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 21 Die erste „dunkle Galaxie“! Beobachtung Erwartung 10.000.000.000 M☼ 99% DM, 1% Gas 12.01.2006 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Kandidaten für Dunkle Materie Weakly Interacting Massive Particle (WIMPs) WIMPs • sind Elementarteilchen, • etwa so schwer wie etwa ein Eisenatom, • machen sich nur durch Gravitation und die schwache Wechselwirkung bemerkbar (also keine Reaktion mit Licht!), • werden von Theorien der Elementarteilchenphysik vorhergesagt, • und sind bisher völlig hypothetisch! Es gibt bisher keinen direkten experimentellen Nachweis. 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 22 Revolution II: Dynamik Fortsetzung der Messung der Fluchtgeschwindigkeit von Galaxien zu größeren Entfernung über die Analyse von Supernova-Explosionen. 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Revolution II: Dynamik Das Universum dehnt sich heute beschleunigt aus! Es gibt eine unbekannte Kraft, die stärker als die gegenseitige Anziehungskraft der Galaxien ist! 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 23 Was ist die Ursache? Was treibt eine beschleunigte Expansion an? • Leerer Raum enthält Energie • Die Energiedichte ist konstant (auch wenn der Raum expandiert) • Diese Energiedichte verursacht einen negativen Druck: Antigravitation durch Dunkle Energie 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Bestandteile des Universums Dunkle Energie Dunkle Materie Warme Dunkle Materie? Staub und Gas Sterne • 70% des Universums besteht aus „Dunkler Energie“ • Von den verbleibenden 30% sind nur 4% bekannte Materie (Sterne, Staub, Gas), der Rest „Dunkle Materie“. 96% der Bestandteile des Universums sind von einer uns völlig unbekannten Natur! 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 24 Präzisionskosmologie ! • Geometrie des Universums: • Alter: • Hubble Konstante: flach 13.6 ± 0,2 Milliarden Jahre 71 ± 4 km s-1 Mpc-1 • • • • 1,02 ± 0,02 0,27 ± 0,04 0,044 ± 0,004 0,73 ± 0,04 Ω (Masse + Energie): Ωm (Masse): Ωb (Baryonen): ΩΛ (Dunkle Energie): Verschiedenste Messungen stimmen hervorragend überein: Analysen der kosmische Hintergrundstrahlung, Anordnung der Galaxien, Entstehung der Elemente, älteste Sterne, … 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums DM und DE hier im Raum Warum hat die Physik bisher nichts bemerkt von Dunkler Materie und Dunkler Energie? Dichten: • Materie (Erdkruste): 3 g/cm3 • Dunkle Materie: 0,0000000000000000000000005 g/cm3 • Dunkle Energie: 0,00000000000000000000000000001 g/cm3 Warum dominiert hier Materie und im Kosmos DM und DE? • Materie „klumpt“ (wechselwirkt) sehr stark: Planeten • Dunkle Materie wechselwirkt nur sehr schwach: Halos um Galaxien • Dunkle Energie ist überall gleichmäßig verteilt 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 25 DM und DE hier im Raum Warum hat die Physik bisher nichts bemerkt von Dunkler Materie und Dunkler Energie? Dichten: • Materie (Erdkruste): 3 g/cm3 • Dunkle Materie: 0,0000000000000000000000005 g/cm3 • Dunkle Energie: 0,00000000000000000000000000001 g/cm3 Warum dominiert hier Materie und im Kosmos DM und DE? • Materie „klumpt“ (wechselwirkt) sehr stark: Planeten • Dunkle Materie wechselwirkt nur sehr schwach: Halos um Galaxien • Dunkle Energie ist überall gleichmäßig verteilt 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Erfolg: Geschichte des Universums • Das Urknall-Modell wird durch viele genaue Messungen bestätigt. • In Übereinstimmung mit der Physik der kleinsten Teilchen • Aber wir haben einen hohen „Preis“ bezahlt: 96% der Bestandteile des Universums kennen wir nicht! 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 26 … und (ewige) Herausforderungen • Was ist „hinter“ dem beobachtbaren Universum? • Was war „vor“ dem Urknall? • Warum sind wir hier? • Wieso ist alles so wie es ist? • Warum ist überhaupt etwas und nicht nur Nichts? Kann sich die Wissenschaft mit solchen Fragen auseinander setzen? 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Das Problem I Warum sind Materie, Dunkle Materie und Dunkle Energie in etwa gleich großen Anteilen vorhanden? Dunkle Energie Dunkle Materie Warme Dunkle Materie? Staub und Gas Sterne Die theoretischen Physik (naiv angewendet) überschätzt die Dunklen Energie um den Faktor 10120: 10000000000000000000000000000000000000000 0000000000000000000000000000000000000000 0000000000000000000000000000000000000000 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 27 Das Problem II • Wenn sich das Universum nur etwas schnell ausgedehnt hätte, hätten sich keine Atomkerne bilden können. • Wenn sich das Universum nur etwas langsamer ausgedehnt hätte, wäre es für die Entstehung von Atomkernen viel zu heiß geblieben. • Ganz ähnliche Argumente gelten für die Stärke aller Naturkräfte, z.B. für die Stärke des Elektromagnetismus. Ein kosmisches Finetuning Problem! 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Lösungsmöglichkeiten 1. Es gibt uns noch nicht bekannte Naturgesetze, die die Größe der Naturkonstanten festlegen. Der heilige Graal der theoretischen Physik: Gemeinsame Theorie der Quantenmechanik („Kleinstes“) und der allgemeinen Relativitätstheorie („Größtes“) Viel versprechend: „String“-Theorie Aber trotz intensiver weltweiter Arbeit von 20 Jahren: Die „String“-Theorie bietet zu viele Lösungsmöglichkeiten für ein Universum. Es könnte 10500 Universen geben. Nature 439 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 28 Lösungsmöglichkeiten 2. Es ist alles Zufall Das Universum ist nur zufällig so, wie wir es beobachten. Das Universum ist nur zufällig so, dass es Beobachter gibt. Das Universum ist wie es ist, weil wir es beobachten können (anthropische Prinzip). Wie kann das sein? Die Chancen stehen 1:10120 dagegen! 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Ein historischer Vergleich Kepler verbrachte Jahre damit, eine Erklärung für die Anordnung der Planeten im Sonnensystem zu finden. Moderne Anmerkung: wenn die Bahn der Erde nur wenig anders wäre, hätte sich kein höheres Leben entwickelt. 1596: Mysterium Cosmographicum Die Bemühungen Keplers waren vergebens: • Die genaue Anordnung der Planeten ist Zufall. • Alleine in unserer Galaxie gibt es sehr viele Planetensysteme. So ist es nicht unwahrscheinlich, dass es Anordnungen gibt, die Leben ermöglichen. 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 29 Lösungsmöglichkeiten 2. Es ist alles Zufall Das Universum ist wie es ist, weil wir es beobachten können. Analog zu Kepler: - Der genaue Wert der Naturkonstanten ist bedeutungslos. - Es gibt eine Vielzahl von Universen, so dass es auch solche gibt, in denen Leben entstehen kann. (10500 Universen) · (10-120 für Leben) = 10380 Universen mit Leben Nature 439 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Experimentelle Tests • Wir können die Existenz andere Universen nicht beweisen. • Indirekter Ansatz: Suche nach weiteren Hinweisen für den Zufall in der Größe der Naturkonstanten. Vorhersage: An den zukünftigen Teilchenphysikexperimenten am LHC und ILC werden trotz der Entdeckung neuer Teilchen („Dunkle Materie“) keine Lösungsmöglichkeiten für die Finetuning Effekte in der Teilchenphysik gefunden. 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 30 Die nächsten Schritte • Ziele der Forschung: – Verständnis der „Dunklen Materie“ – Verständnis der „Dunklen Energie“ • Dazu neue Präzisionsexperimente der – Teilchenphysik – Astrophysik DESY-Vorschlag für einen Internationalen Linear Collider 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Anstelle einer Zusammenfassung viele Planeten viele Sterne viele Galaxien viele Universen ???? 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 31 Anstelle einer Zusammenfassung 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Anstelle einer Zusammenfassung Es gibt eine Theorie, welche besagt, dass, wenn je jemand herausfindet, zu welchem Zwecke das Universum dient und warum es da ist, dieses sofort verschwindet und durch etwas noch bizarreres und noch unerklärlicheres ersetzt wird. Eine andere Theorie besagt, dass das schon passiert ist. Ich halte die zweite Theorie für die wahrscheinlichere. Douglas Adams 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 32 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 33 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 34 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 35 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 36 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 37 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 25.01.2006 Axel Lindner Das neue Bild des Universums 38
