Vortrag

Die Urknalltheorie
Hauptseminar von Tobias Buehler
Inhaltsverzeichnis
1 Historische Entwicklung
3 Was man sich daraus herleitet
2 Was man Messen kann
3.1 Planck Ära
2.1 Rotverschiebung und Expansion
3.2 Gut Ära
2.2 Kosmischer
Mikrowellenhintergrund
3.3 Baryogenese
2.3 Häuffigkeit
3.4 Materie
leichter
3.5 Primordinale Nukleosynthese
Beobachtbarer
3.6 Rekombination
Elemente
3.7 Inflationäre Phase
Historie
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1922 Friedmann expandierende Universum
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1927 Lemaître Idee der Urknalltheorie (Uratom)
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1929 Hubble Zusammenhang zwischen Entfernung
und Fluchtgeschwindigkeit
1948 Alpher. Gamow, Herman Theorie des heißen
Anfangszustandes
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1964 Penzias, Wilson Entdeckung der CMB
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1981 Guth Inflationäres Universum
Hubble-Gesetz
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allgemeine zeitlichen Zunahme von Abständen
im Universum
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Expansion da positives Vorzeichen
Fluchtgeschwindikeit proportional zur
Entfernung
Bei sehr großen Entfernungen v größer als c
Entfernungsbestimmung
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Parallaxe: Scheinbare Änderung der Position
eines Objekts, wenn der Beobachter seine
eigene Position ändert
Cepheiden: Periodische Änderung der
absoluten Helligkeit bzgl. der
Pulsationsfrequenz.
Distanzgleichung
Cepheiden
Rotverschiebung
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spezieller Fall des Doppler-Effekts
entfernende Lichtquelle in den roten
Spektralbereich verschoben
Absorbiertes und emittiertes Licht
Bestimmung der Fluchtgeschwindigkeit anhand
der Rotverschiebung
Charakteristische Spektrallinien zur
Bestimmung der Rotverschiebung
Kosmischer Mikrowellenhintergrund
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Stammt aus der Zeit der Rekombination
Aufgrund von thermischen Gleichgewicht von
Materie und Strahlung zum Zeitpunkt der
Entkopplung der Strahlung, nahezu perfekte
Schwarzkörperstrahlung
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Isotropie über das gesamte Sichtbare Universum
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Temperatur des Universums T = 2,725K
Neutronenzahl
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Umwandlung von Proton zu Neutron bei hohen
Temperaturen im Gleichgewicht.
Boltzmann-Verteilung:
Gilt solange
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Ab jetzt überwiegt Protonenzahl
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Prozess läuft bis etwa
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Zu dem Zeitpunkt liegt das Verhältnis bei
Zeitpunkt des Ausfrierens
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Neutronen zerfallen mit einer Halbwertszeit von
t = 614s
Bildung von Deuterium theoretisch ab 2,2MeV
Jedoch effektiv erst ab 0.1MeV da 9
Größenordnungen mehr Photonen als Baryonen
existieren
Bis zu dem Zeitpunkt sind ca. 400s vergangen
Fusion zu Helium 4 (stabil)
Nahezu komplette Umwandlung
Häufigkeit leichter Elemente
Heliumhäufigkeit
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Helium wird sowohl aus
Wasserstoff fusioniert,
sowie zu schweren Teilchen
weiter fusioniert
Gemessen wird die
Häufigkeit anhand der
Häufigkeit bzgl Wasserstoff
und mit der Metalizität der
Umgebung verglichen
Diese bilden einen linearen
Zusammenhang
(Izotov-Thuan)
Deuteriumhäufigkeit
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Deuterium wird fast nur zerstört. nahezu alles
momentan vorhandene Deuterium stammt aus
der Primordinalen Nukleosynthese
Man betrachtet eine hoch rotverschobene
Wasserstoffwolke gegen einen Quasar
Betrachte die neben der 1. Lymanlinie liegende
entsprechende Deuterium Linie
Der Urknall
Planck Ära
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Das Universum ist kleiner als die Plancklänge
Wegen der Heisenbergschen Unschärfe lässt
sich keine Raumstruktur festlegen.
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Die 4 Naturkräfte sind in einer Urkraft vereinigt
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Man vermutet das die Zeit vor der Planckzeit
noch keine kontinuierliche Zeit war
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früheste sinnvolle Angaben
GUT Ära
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Die Gravitation Spaltet sich von der Urkraft ab
Die Austauschteilchen dieser sogenannten
GUT-Kraft sind die Leptoquarks (X/Y-Bosonen)
X- und Y- Bosonen sind sehr schwere Teilchen
welche sich in Quarks und Leptonen aufspalten
Nach etwa
Kernkraft ab.
spaltet sich die Starke
Baryogenese
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Erklärung des kleinen
Materieüberschuss
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Sacharowkriterien:
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Baryonenzahl ist variabel
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Es findet eine C- und CPVerletzung statt
Es herrscht kein Thermisches
Gleichgewicht mehr
Materie Ära
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Nach
ist das Universum nur noch
Aus der Strahlung entstehen Quark und
Leptonen sowie Antiteilchen
Nach
s spaltet sich jetzt auch die
elektroschwache Kraft auf
Nach etwa
bei
ist die Energie klein
genug das sich aus Quarks Hadronen bilden
können
Nach etwa 1s ist die Mittlere frei Weglänge von
Neutrinos so sehr gestiegen, das sie Entkoppeln
Primordinale Nukleosynthese
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Das Universum ist inzwischen
und
heiß
Das Verhältnis Protonen Neutronen verschiebt
sich in Richtung Protonen
Elektronen zerstrahlen, da die Neutrinos schon
entkoppelt sind sind diese nun etwa 8% kälter
Hadronen fusionieren zu Atomkernen
Es werden quasi keine Komplexeren Elemente
gebildet als Lithium, da die Temperatur nicht
mehr groß genug ist um die Coulombbarriere zu
überwinden
Rekombination
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Nach etwa 300.000 Jahren fällt die Temperatur
unter die Ionisierungsenergie von Wasserstoff
(eV Bereich)
Die Aufgrund von Tompsonstreuung
eingeschränkte Strahlung kann jetzt entkoppeln
Geburt der Hintergrundstrahlung
Inflation Motivation
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Probleme des Standardmodells:
Homogenität und Isotropie ist nicht erklärt, da
nach Standardmodell Bereiche nie in kausalem
Kontakt standen
Auch die kleinen Inhomogenitäten aus denen
Galaxien und Sterne hervorgegangen sind sind
nicht erklärt
Exotische Teilchen wurden nicht entdeckt
Der gemessene Krümmungsradius passt nicht
zu dem postulierten des Standardmodells
Inflation Ablauf
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Notwendig zur Beschreibung der Inflation ist ein
skalares Potentialfeld (Inflatonfeld)
Man geht davon aus, dass die Inflation in der
Nähe der Planckskala begann
Der Wert des Skalarfeldes nimmt ab, Dichte
wird kleiner, die Temperatur des Universums
fällt sehr stark ab (3K)
Um das Minimum des Feldes findet eine
Schwingung statt, Teilchen und Strahlung wird
gebildet, Das Universum Heizt sich wieder auf
Quellen
Steven Weinberg: Die ersten drei Minuten
A. Weigert, H.J. Wendker, L. Wisotzzki: Astronomie und Astrophysik
http://www.physik.uni-regensburg.de/forschung/wegscheider/gebhardt
_les/skripten/Nukleosynthese.pdf
http://pauli.uni-muenster.de/tp/leadmin/lehre/teilchen/ws0809/InationaeresUniversum.pdf
http://www.astro.uni-wuerzburg.de/~niemeyer/lectures/cosmo_new.pdf
http://homepages.uni-regensburg.de/~lea22257/astroteil0809/Hubble-Gesetz.pdf
http://pauli.uni-muenster.de/Seminare/teilchen/teilchen_ws06/Baryogenese.pdf
http://abenteuer-universum.de/kosmos/k1.html
http://pauli.uni-muenster.de/tp/fileadmin/lehre/teilchen/ws0809/Nukleosynthese.pdf