Moderne Kosmologie - Physik am Samstag

Moderne Kosmologie
Michael H Soffel
Lohrmann Observatorium TU Dresden
Die Expansion des Weltalls
NGC 1300
1 Nanometer = 1 Millionstel mm ; 10 Å = 1 nm
Fraunhofer Spektrum
Klar erkennbare Absorptionslinien - z.B.: Na D Linien
bei 5896 und 5890Å, die Ca H, K Linien bei 3968 und 3934Å
Der Doppler Effekt bei Licht
Edwin Hubble auf dem Mt. Wilson
Hubble am 100 Inch Hooker
Teleskop, 1923.
Das Hooker Teleskop auf dem Mt. Wilson
(bei Pasadena, CA) war das größte Teleskop
der Erde zwischen 1917-1947.
Ca
Na
Kosmische Rotverschiebungen (Nanometer)
Das Hubble Gesetz
V = H0 d
H0
: Hubble Konstante
Bestimmung der Hubble Konstante:
Messung der kosmischen Distanz
Methoden: (Beispiele)
-- trigonometrische Parallaxen
-- Cepheid Variable
-- andere Standardkerzen (Supernovae)
1 pc = 3,2 ly
Hubble Space Telescope
und Cepheid Variable
Helligkeits - Perioden Relation bei Cepheiden
Cepheidvariable im Virgo
Das Prinzip einer Standardkerze
H_0 = 50 - 100 km/s/Mpc
70 +/- 7 (neuer Wert)
Rechnet man die Expansion des Alls
zurück in der Zeit so ergibt sich:
das All ist vor endlicher Zeit im Rahmen
einer gigantischen Explosion (Big Bang)
entstanden
Das Alter der Welt
Methoden zur Bestimmung des Weltalters
-- Temperatur Weisser Zwergsterne
-- HR-Diagramm von Kugelstenhaufen
T_uni = 13 - 30 Milliarden Jahre
Isochrone für M30
Einsteinsche Gravitationstheorie
A. Einstein:
Gravitation kann als Phänomen der
Krümmung von Raum und Zeit verstanden
werden
Gravitation
als
Phänomen
der Krümmung
von Raum
und Zeit
anomale Periheldrehung des Merkur:
43‘‘ pro Jhd. kann die Newtonsche Theorie
nicht erklären, wohl aber die Einsteinsche
Bild mit Sonne
Bild ohne Sonne
Ablenkungswinkel: 1,75“
am Sonnenrand
gravitative
Lichtablenkung
Geometrie der Welt im Grossen
Viele theoretische Überlegungen basieren auf dem
Kosmologischen Prinzip: das Universum ist
auf sehr großen Längenskalen homogen und isotrop
d.h.
aller Örter und alle Richtungen
sind gleichberechtigt, wenn man über
kosmische Volumina mittelt
Gilt dieses KP?
Faktum:
Das Universum ist sehr strukturiert
bis zu Skalen von einigen 100 Mpc
1 pc = 1 Parsec = 3,26 Lichtjahre = 3 x 10**(18) cm
1 Mpc = 1 Million pc = 3 x 10**(24) cm
-10
Sonnensystem: 2 x 10
Mpc :
Milchstrasse: 0.03 Mpc
Die lokale Gruppe: 1 - 3 Mpc
Der lokale
Supercluster:
20 - 30 Mpc
Dimensionen der
grossen Mauer:
150 x 70 x 5 Mpc
Distanz: 100 Mpc
Δρ/ρ < 10
-4
für
R > 1000 (Mpc/h)
(O.Lahav, 2000)
Kosmische Dynamik
Es gibt eine kritisch
Dichte mit Parameter
Die 3 möglichen Geometrien unserer Welt im Grossen
Die Expansion des Alls
im geschlossenen Weltraum
Ist unser All offen, geschlossen
oder flach ?
Man muss die mittlere kosmische Dichte
(bzw. den Dichteparameter bestimmen)
Sichtbare Materie: Ω < 0,05 (sehr geringe Dichte)
ABER:
Rotationskurve des Andromeda Nebels:
der größte Teil der kosmischen Masse ist unsichtbar (dunkel)
Dunkler Halo um eine Spiralgalaxie
Nachweis
dunkler
Materie
durch
den
Gravitationslinseneffekt
Das Problem der dunklen Energie
Der Casimir Effekt:
Das Vakuum trägt
Energiedichte und
bewirkt Kräfte
Kosmologie mit dunkler Energie
(kosmologischer Konstante)
Auch mit kosmologischer bestimmt der totale
Dichteparameter
ΩT = ΩM + ΩΛ
die Geometrie des Alls:
ΩT = 1
Weltall ist flach
ΩT < 1
Weltall ist offen
ΩT > 1
Weltall ist geschlossen
Kosmologie und Supernovae vom Typ I
Weisser Zwergstern: explodiert wenn Masse einen
kritischen Wert übersteigt
Befund:
Weltall scheint
beschleunigt zu expandieren!
Die kosmische
Hintergrundstrahlung
3K
Penzias und Wilson
Temperatur
schwankungen
Geometrie: flach
WMAP: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe
1995 WMAP wird der NASA vorgeschlagen
2001 30.Juni: Start mit Hilfe einer Delta Rakete
WMAP
CMBR + Supernova I Daten:
Weltalter 13,7 Milliarden Jahre
4% leuchtende Materie
23% dunkle Materie
73% Vakuumenergie
erste Sterne bereits 200 Millionen Jahre nach dem
Urknall
Frühes Universum
Bildung der ersten Sterne und Galaxien
mögl. bereits nach einigen 100 Millionen
Jahren nach dem Urknall (Reionisation und
Polarisation der CMBR)
Das dunkle Zeitalter des Alls:
300 000 J bis 1 Milliarde Jahre
Computersimulation der kosmischen Strukturbildung
Andromeda
FIN