d - Alice

Kosmologie,
Struktur und Geschichte
unseres Universums
Teil 2
• Entwicklung der Sterne
• Bewegung der Galaxien
• Kosmische Dynamik und Horizonte
Vortrag 13.10.2008 Albrecht von der Decken
Sterne
klassifizeren
mit dem
HertzsprungRusselDiagramm
http://qgp.unimuenster.de/~jowessel/pages/teachi
ng/ss04/seminar/renius_universum.
ppt#308,38,Folie 38
Metzler Physik, S. 538
Hertzsprung-Russel-Diagramme
Entwicklungsgeschichte eines Sterns
Beispiel: unsere Sonne im Hertzsprung-Russel-Diagramm
Entfernungsbestimmung im Kosmos:
http://www.ari.uniheidelberg.de/mitarbeit
er/wambsganss/VEntfernungsbestimmun
g-7.pdf
blau
gelb
rot
Schalenbrennen in großen Sternen
Kernfusion in Sternen funktioniert nur bis zum Element Eisen.
Alle Schalen können gleichzeitig brennen.
http://www.astro.unibonn.de/~uklein/teaching/PPT/
SNe_pop.ppt#367,26,Folie 26
Die Sonne
Wie lange braucht Licht
(Photonen) vom Kern der
Sonne zur Oberfläche?
A: 2 sec
C: 12 Monate
B: 8 min
D: 100,000
100.000 Jahre
Neutrinos brauchen nur 2 sec
vom Inneren an die Oberfläche!
Der
SternGasSternZyklus
http://www.cyberma
ze.com/astro/chapt
er19.ppt#264,5,The
Star–Gas–Star
Cycle
Der
kosmische
Materiekreislauf
http://www.aip.de/People/MSteinmetz/
classes/SoSe08/PDF/Kapitel%20X.pdf
Viel Bewegung in unserer Galaxie
Zusätzlich
rotieren die
Spiralarme.
Die Sterne
und der
Wasserstoff
haben
neben der
Rotation
auch radiale
Bewegung.
http://www.cybe
rmaze.com/astr
o/chapter19.ppt
#270,15,Stellar
Orbits in the
Galaxy
Dynamik der Sterne um das Schwarzes
Loch im Zentrum der Milchstrasse
• Die Masse vom schwarzen Loch läßt sich mit dem 3. Keplerschen
Gesetz berechnen: Masse = 3.6 Mio. Sonnenmassen
• Sgr A* ( Sagittarius = Sternbild Schütze )
S2 ist der Stern mit der
kleinsten blauen Ellipse
Umlaufzeit 15,2 Jahre
http://www.mpe.mpg.de/ir/GC/index.php
http://www.mpe.mpg.d
e/ir/GC/res_s2orbit.ph
p?lang=en
Ein Schwarzes Loch mit
Aggregationsscheibe
und Jets kann über 20 %
der in die Scheibe
einströmenden Materie
als Energie abstrahlen
Artist's concept of a black hole
with torus and jets.
Galaxien und aktive Kerne
Welche
Galaxie
mit
Balken
ist das?
http://www.spitzer.caltech
.edu/Media/releases/ssc2
008-10/ssc200810b.shtml
Spitzer Press Release
http://www.aip.de/People/
MSteinmetz/classes/SoS
e08/PPT/Kapitel%20XI.p
pt#316,14,Welche
Galaxie ist das?
http://www.aip.
de/People/MSt
einmetz/class
es/SoSe08/PP
T/Kapitel%20
XI.ppt#298,12,
Folie 12
Kollision und Vereinigung
von zwei Galaxien
The simulation
follows dark matter,
gas and stellar
components,
but only the baryonic
component is
visualized.
Volker Springel MPI für
Astrophysik Garching
http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/data_vis/galaxy.avi
Galaxien(gruppen) entsprechen Münzen auf dem expandierenden Luftballon ???
Beobachtbarer
Teil des
Universums
ist ≈ flach
LuftballonOberfläche
als 2-dim
Modell des
Universums
~ flach bedeutet:
Über große Bereiche
gemittelt ist das
Universum flach.
Expansion:
http://www.ucolick.org/~mountain/AAA/030209.html#expansion
http://tpe.physik.rwthaachen.de/jersak/Expan
sion+Dunkle-Energiekurz.ppt#268,20,APOD
Die Hubble-Expansion ist nicht
messbar im Sonnensystem ?
• Durch Gravitation gebundene Objekte wie
Galaxien erfahren keine Hubble-Expansion
• Ho = 72 km / ( s * Mpc ) = 7,2 * 106 cm / ( 3,3 * 106 LJ * sec )
= 2 cm / ( s * LJ )
• Die derzeitige Expansion entspricht einer Verdopplung der
Entfernung zwischen Galaxien in 14 Mrd Jahren
• Expansion pro Jahr nur 1 / 14 Mrd = 0,7 * 10-10 ~ 10-10
Würde die Hubble-Expansion innerhalb der Milchstrasse gelten,
• expandiert 1 m um ein Ångström im Jahr
• entfernt sich die Sonne um 10 m im Jahr
• entfernt sich der Mond um 2,7 cm im Jahr (3,8 cm ApolloLaser NASA)
Die Reibung der Gezeitenströme auf der Erde ist die Erklärung für die
3,8 cm Abstandsvergrößerung pro Jahr. Ein Tag verlängert sich
entsprechend um 2,1 msec pro Jahrhundert oder 21 µsec pro Jahr bis
ein Tag einen Monat dauert. Gebundene Bewegung wie der Mond.
http://eclipse.gsfc.nasa.gov/SEhelp/ApolloLaser.html
Die simulierte
Libration des
Mondes
Laser Reflektor
von Apollo 11
auf dem Mond
Expansion des Universums
Der Raum expandiert,
aber bleibt lokal immer gleich.
Galaxien entfernen sich voneinander,
aber sie ruhen im Raum und expandieren nicht.
t
Doppler
redshift
1+ z =
1+ v / c
1− v / c
Doppler-Effekt
Rotverschiebung
Relativistic
Doppler
Cosmological
redshift
Gravitational
redshift
z=0: not moving
z=2: v=0.8c
z=∞: v=c
http://www.aip.de/People/MSteinmetz/classes/SoSe06
/PPT/Kapitel%20XIII.ppt#474,9,Doppler-Effekt Folie 9
http://en.wikipedia.org/wiki/Redshift
Kosmische
Entfernungsmaße sind nicht
eindeutig durch die
zu Grunde liegende
raumzeitliche ARTGeometrie und
Dynamik des
Kosmos.
http://www.atlasofthe
universe.com/redshift.
html
z
D_prop
0,1
0,5
1,280
4,970
1,0
7,600
3,0
6,0
11,190
12,370
D_com
1,340
6,070
10,620
20,430
26,510
D_ang
1,220
4,050
5,310
5,110
3,790
D_lum
1,480
9,110
21,240
81,710
185,540
Wikipedia: Entfernungsmaße
Ned Wright UCLA
http://www.astro.ucla.edu/~wright
/cosmolog.htm
http://www.astro.ucla.edu/~wright
/CosmoCalc.html
Kosmische Entfernungsmaße
• DL = Luminosity Distance
Leuchtkraftentfernung
Die Photonen werden abgeschwächt
• DC = Comoving Distance
Mitbewegte Entfernung
Teilchen-Horizont 47 GLY
Die Galaxien haben sich zwischenzeitlich entfernt mit v > 3c
• DT = Light Travel Time Distance Hubbelradius 14 GLY
Laufzeitentfernung
• DA = Angular Diameter Distance max. 6 GLY
Winkeldurchmesserentfernung
http://www.atlasoftheuniverse.com/redshift.html
..Mitbewegte
Entf.
Leuchtkraftentf.
Hubble
Laufzeitentf.
Kosmische
Entfernungsmaße
divergieren
ab z = 0,1
Winkeldurchmesserentf.
Wikipedia:
Distance_Measures
_Cosmology
Leuchtkraftentf.
Mitbewegte Entf.
Kosmische
Entfernun.
Maße
divergieren
ab z=0,1
47,1 Gly 13,9 Gly Laufzeitentf.
hier:
Log-Skalen
Winkeldurchmesserentf.
Wikipedia:
Distance_Measures
_Cosmology
Wie groß ist das Universum
• Kann nicht beantwortet werden.
Wir sehen nur den Teil des Universums, aus dem
das Licht zu uns reisen konnte.
• Wir können aber bestimmen, wie groß das
beobachtbare Universum ist:
c
d Hubble = ct Hubble =
H0
http://www.aip.de/People/MSteinmetz/
classes/SoSe06/PPT/Kapitel%20XIII.ppt
#489,47,Wie groß ist das Universum
dHubble ist der Hubble-Radius
Für H0 = 72 km/s/Mpc ist dHubble = 14 Mrd LJ
DC = Comoving Distance
Teilchen Horizont 47 Mrd LJ
Mitbewegte Entfernung: Die Galaxien haben sich zwischenzeitlich mit v > 3c entfernt
Hubbelsche Expansion vH(r)
(bei Beobachtung des Lichts)
v-z Abhängigkeit
Bestes Modell
Unser Universum im Multiversum
Ist unser
Universum
unendlich?
Das beobachtbare
Universum
ist endlich.
http://universe-review.ca/index.htm
http://universe-review.ca/F02-cosmicbg.htm
Lichtausbreitung von 1 Mrd bis 14 Mrd
Jahre nach dem Urkall
• Das Licht braucht 13 Mrd Jahre
Abstand am Anfang 2 Mrd LJ
Abstand am Ende 26 Mrd LJ
Licht reiste 14 Mrd LJ weit ???
Exel-Tabelle erstellen !!! oder ??? Net Wright
http://www.astro.ucla.edu/~wright/DlttCalc.html
http://www.atlasoftheuniverse.com/redshift.html
Distance measures in cosmology
Hogg
http://arxiv.org/PS_cache/astro-ph/pdf/9905/9905116v4.pdf
Können wir
Galaxien
sehen,
die sich
schneller
als Licht
entfernen ?
nein !!!
http://dark.darkcosmology.dk/~tamarad/
/papers/SciAm_BigBang
.pdf
Können wir
Galaxien
sehen,
die sich
schneller
als Licht
entfernen ?
ja !!!
http://dark.darkcosmology.dk/~tamarad/
/papers/SciAm_BigBang
.pdf
Hubble ultra deep field etwa 10.000 Galaxien
Ausschnitt
von links oben
Gravitationslinsen erzeugen viele Bögen
von dahinter liegenden Galaxien oder Pulsaren
http://www.sarahbridle.net/talks/oucde_we_darkmatter_20080401.pp
Dark matter mass
~ 10 times mass in gas
~100 times mass in stars
~0.01 degrees
The biggest magnifying glass in the universe!
Seeing the most distant - and youngest - galaxies in the universe
Lensing on a cosmic scale
http://cfawww.harvard.edu/seuforum/einstein/resources/JourneyBlackHole/
EinsteinsLens_PC.ppt#264,12,Lensing on a cosmic scale
What shape is your lens?
Spherical lens gives an Einstein ring
What shape is your lens?
Elongated lens gives multiple images – Einstein Cross
Wirkung von Gravitationslinsen
Simulation
von Bögen
mit Gravitationslinsen
http://people.sissa.it/~bacci/w
ork/workshop%20talks/Beyon
d%20Einstein,%20Stanford,
%20California,%20USA,%20
%20May%202004/Nbody%20Simulations%20and
%20Gravitational%20Lensing
%20with%20Dark%20Energy
.ppt#268,17,Simulating Arcs
Simulation der Lichtablenkung
an einem Neutronenstern
Mikrolinsen in der Milchstraße
und nahen Galaxien
Hier können Sie Einsteinringe simulieren
(mit 11,1 Mio.Sonnenmassen probieren)
http://www.tempolimit-lichtgeschwindigkeit.de/isl/isl.html
10 Einsteinringe 1998 bis 2005
Doppelter
Einsteinring
und
Simulation dazu
Original
Rekonstruktion
http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0801/0801.1555v1.pdf
Restgröße=residual
Radius vom Einsteinring
im Bogenmaß
G Gravitationskonstante,
M Masse des als Linse wirkenden Objekts
C Lichtgeschwindigkeit
dL Entfernung zum als Linse wirkenden Objekt
dS Entfernung zum abgebildeten Objekt
dLS Entfernung von der Linse zum abgebildeten
Objekt
2 „Dunkle-Materie“-Scheiben
unter und über der Milchstraße
http://www.mediadesk.uzh.ch/mitteilung.php?text_id=322&grp=aktuell Uni Zürich Medienbericht 15.9.2008
Quintessence and Dark Energy
http://snap.lbl.gov/multimedia/presentations/DUII.ppt
#852,21,Quintessence
Quintessence is
log ρ
another theory for dark
energy that involves a
dynamic, time-evolving
and spatially dependent
form of energy.
The energy of the
vacuum has the negative
pressure required to be
the Dark Energy.
http://www.perimeterinstitute.ca/pifiles
/dark_matter_and_dark_energy.ppt#1754,
48,Vacuum Energy as Dark Energy
log a
http://dark.darkcosmology.dk/~tam
arad//papers/SciA
m_BigBang.pdf
Even
astronomers
frequently
get it wrong
Artikel: March 2005
Spektrum der
Wissenschaft
Artikel: Mai 2005
http://homepage.univie.ac.at/Mi
chael.Berger/lit/urknall.pdf
http://dark.darkcosmology.dk/~t
amarad//astro/in
dex.html
cosmo
logical
horizons
and the
superluminal
expansion
http://www.m
so.anu.edu.a
u/~charley/p
apers/Davis
Lineweave
r04.pdf
http://arxiv.or
g/PS_cache/
astroph/pdf/0402/
0402278v1.p
df
Scalefactor a=1 now
= heute beim Urknall Scalefactor a=0
particle horizon = 46 Glyr z = 1100
event horizon = 17 Glyr z = 1,8
= 62 Glyr (comoving distance) z=2000
Hubble sphere = 14 Glyr z = 1,5
Time t = 14 Glyr
Light cone maximum at Proper Distance of 6 Glyr
.
and at Comoving Distance of 46 Glyr
Scalefactor a=1 now
= heute beim Urknall Scalefactor a=0
particle horizon = 46 Glyr z = 1100
event horizon = 17 Glyr z = 1,8
= 62 Glyr (comoving distance) z=2000
Hubble sphere = 14 Glyr z = 1,5
Conformal Time = 46 Glyr
Conformal Time and light cone siehe: http://star-www.st-and.ac.uk/~kdh1/cos/cos02c.pdf
Conformal time and lightcone
stretch time to make light rays at 45°
http://star-www.st-and.ac.uk/~kdh1/cos/cos02c.pdf
In etwa 3 Milliarden Jahren
Andromeda-Nebel
... wird der Himmel über „Hamburg“ so aussehen !
Milchstraße
Prof Hasinger bei DESY 31.1.2008
Hasinger_Allgemein.ppt
Die sehr ferne Zukunft
In etwa 1014 Jahren, wenn die letzten Sterne aus Resten
interstellarer Gaswolken kollabieren, wird die normale
Sternentstehung zu Ende gehen. Danach bleiben nur noch die
ausgebrannten Reste von Sternen übrig, also Weiße Zwerge,
Neutronensterne und Schwarze Löcher, sowie die
Himmelskörper, die ihre unverbrauchte Materie erhalten
konnten: Braune Zwerge und Planeten. Der größte Teil der
Sternmasse liegt nun in Form von entarteter Materie in den
Weißen Zwergen, die sich mit der Zeit immer weiter abkühlen.
Nach grob 10100 Jahren sind also sämtliche Strukturen
aus unserem Universum verschwunden, das dann ein
„Tohuwabohu“ vor allem aus Vakuumenergie, Strahlung und
leichten Teilchen, wie Neutrinos, Elektronen, Positronen etc. ist.
G.Hasinger