Vom Urknall zur Dunklen Energie

Vom Urknall zur Dunklen Energie
Heinz Oberhummer
Einleitung
• Das Universum entstand vor ungefähr 15
Milliarden Jahren.
Damals war das Universum eine Ansammlung
von Materie mit unglaublich hoher Dichte und
Temperatur. Diese gewaltigste Explosion aller
Zeiten wird Urknall genannt.
Rotverschiebung: In diesem weit
entfernten Galaxiencluster sind die
Farben von gelb zu rot verschoben,
weil sich die Galaxien von uns mit
großer Geschwindigkeit wegbewegen.
• Woher weiß man, dass es einen Urknall
gegeben hat?
1. Auseinanderbewegung der Galaxien:
Rotverschiebung
2. Hintergrundstrahlung: Reststrahlung des
Urknalls
3. Entstehung der leichten Elemente drei
Minuten nach dem Urknall
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Entwicklung der Sterne
• Sterne werden wie Lebewesen geboren, leben
eine Zeit lang und sterben dann.
• Die Lebensdauer der Sterne beträgt jedoch
Millionen bis Milliarden Jahre.
• Die Energiequelle der Sterne und der Grund
warum sie leuchten ist das nukleare Brennen
(Kernfusion).
Der Kugelsternhaufen M11 in unserer
Milchstraße enthält über 1000 Sterne
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Geburt der Sterne
• Die Geburt eines Sterns erfolgt durch die
Kontraktion von interstellaren Gas- und
Staubwolken auf Grund der Schwerkraft.
• Schließlich wird die Dichte und Temperatur im
Zentrum so groß dass die Kernreaktionen
zünden.
In der gigantischen interstellaren
Wolke Orion A werden laufend neue
Sterne gebildet.
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Hauptreihensterne
• Im Leben eines Sterns erfolgen gewaltige
Veränderungen.
• Während er meisten Zeit seines Lebens
werden im Zentrum des Stern Wasserstoffkerne
(Protonen) zu Heliumkernen (Alpha-Teilchen)
verbrannt (Wasserstoffbrennen).
• Diese Wasserstoff verbrennenden Sterne
werden auch Hauptreihensterne genannt.
Ein Kugelsternhaufen in der Großen
Magellanschen Wolke. Die gelben
Sterne sind Hauptreihensterne.
• Auch unsere Sonne ist ein Hauptreihenstern
und verbrennt derzeit Wasserstoff.
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Rote Riesen
• Die Sterne brennen von innen nach außen.
Dabei wird das im Wasserstoffbrennen erzeugte
Helium weiter zu Kohlenstoff und Sauerstoff
verbrannt (Heliumbrennen). Dann folgen noch
das Kohlenstoff-, Sauerstoff- und
Siliziumbrennen.
• Nach dem Wasserstoffbrennen bläht sich der
Stern gigantisch auf und wird zu einem so
genannten Roten Riesen, der ungefähr 200-300
mal so groß ist wie der ursprüngliche Stern und
rötlich leuchtet.
Der Rote Riese Betegeuze
im Sternbild des Orion.
• Auch unsere Sonne wird sich in etwa 5
Milliarden Jahren zu einem Roten Riesen
aufblähen.
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Tod der Sterne
• Im Stadium des Roten Riesen ist der Stern
bereits sehr alt.
• Auf welche Weise ein Stern dann durch Verlust
seiner äußeren Hülle durch Winde oder
Explosion stirbt hängt von seiner Masse ab.
Schematische Darstellung des
Verlusts der äußeren Hülle beim
Tod von Roten Riesen.
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Tod von Sternen mit mehr als
etwa 8 Sonnenmassen
Der Helixnebel ist ein planetarischen
Nebel. Genau in der Mitte des
planetarischen Nebels sieht man den
Weißen Zwerg.
•Gewaltsamer Tod, Explosion katastrophalen
Ausmaßes: Supernova
•Übrig bleibt eine sich ausdehnende
und ein Himmelskörper großer Dichte,
entweder ein:
– Neutronenstern von etwa 10 km
oder ein
– Schwarzes Loch mit einer so großen Masse,
dass nicht einmal Licht daraus entkommen
kann.
•Supernovaexplosionen gab es in unserer
Milchstraße in den Jahren: 1054, 1181, 1572,
1604 und in der Großen Magellanschen Wolke
am 24. 2. 1987 (SN1987A).
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Tod von Sternen mit weniger als
etwa 8 Sonnenmassen
•Absprengung der Außenschicht des Sterns
(Planetarischer Ringnebel).
•Vom Roten Riesen bleibt dann nur der innerste
Teil übrig (Weißer Zwerg)
– Größe: vergleichbar mit Erde
– Dichte: 1 Löffel wiegt auf der Erde etwa eine
Tonne
– Langsame Abkühlung des Weißen Zwergs
Die Supernova 1987A in der
Großen Magellanschen Wolke
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Der Lebensweg der Sterne
• Geburt der Sterne aus interstellaren Wolken
• Lebensstadium: Hauptreihensterne
• Altersstadium: Rote Riesen
• Tod des Sterns:
– Sterne unter etwa 8 Sonnenmassen: Die
äußere Hülle wird als Planetarischer Nebel
abgestoßen. Im Zentrum bleibt ein so
genannter Weißer Zwerg zurück.
– Sterne über etwa 8 Sonnenmassen: Der Stern
explodiert als so genannte Supernova. Im
Zentrum bleibt ein Neutronenstern oder ein
Schwarzes Loch zurück.
Der Lebensweg der Sterne
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Entstehung der Elemente
(Nukleosynthese)
•Es gibt drei astrophysikalische Szenarien in denen
die Entstehung der chemischen Elemente
(Nukleosynthese) statt findet:
• Primordiale Nukleosynthese: Erzeugung von H, He
und Li etwa drei Minuten nach dem Urknall.
• Interstellare Nukleosynthese: Erzeugung von Li, Be
und B
durch kosmische Strahlung in der interstellaren
Materie.
• Stellare Nukleosynthese: Erzeugung der Elemente
von C bis U in Sternen.
Der Lebensweg der Sterne
• Die häufigsten Elemente in unserem Universum
sind die in der primordialen Nukleosynthes erzeugte
Wassrstoff (76%) und Helium (23%). Alle anderen in
den Sternenerzeugten machen nur etwa 1% aus.
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Entstehung der Elemente
In Sternen
Der Trifid Nebel: Hier werden Sterne aus
interstellaren Wolken geboren und
verschwinden durch Sternenwinde und
Sternexplosionen (Supernovae) wieder.
• In den Sternen werden die für das Leben wichtigen
chemischen Elemente (vor allem Kohlenstoff,
Sauerstoff, ...) erzeugt.
• Am Ende des Lebens der Sterne die in den Sternen
gebildeten chemischen Elemente durch Sternenwinde
und -explosionen in die interstellaren Wolken
geschleudert.
• Dadurch wurden die interstellaren Wolken immer
mehr mit den in den Sternen gebildeten chemischen
Elementen angereichert.
• Schließlich entstand dann vor etwa 5 Milliarden
Jahren unser Sonnensystem mit der Sonne und der
Erde mit den in früheren Generationen von Sternen
erzeugten chemischen Elementen.
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Woraus ist das Universum aufgebaut?
Unser Universum setzt sich aus folgende Komponenten zusammen:
• Nur etwa 4 % ist normale Materie, davon sind etwa 1/10 Sterne, der
Rest ist interstellare Materie, d.h. Materie zwischen den Sternen.
• Der größte Teil des Universums besteht jedoch aus Unbekannten: etwa
zu 1/3 aus der so genannten Dunkle Materie und zu etwa 2/3 aus der so
genannten Dunkle Energie.
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Dunkle Materie
•Die so genannte Dunkle Materie ergibt sich aus der
Diskrepanz zwischen beobachteten und berechneten
Massen in Galaxien und Galaxienhaufen.
•Die Sterne bewegen sich wesentlich rascher um die
Zentren der Galaxien als sich durch die normale
Materie erklären lässt. Weiters würden sich
Galaxienhaufen in ihre Bestandteile (Galaxien, Gas)
auflösen, wenn es nicht eine Anziehung durch
zusätzliche Materie geben würde.
•Man kann diese Bewegung nur dies durch die
zusätzliche Gravitationsanziehung erklären, welche
die Dunkle Materie auf diese Sterne ausübt.
Dunkle Materie
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Dunkle Energie
•Die Dunkle Energie bewirkt eine Beschleunigung der
Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums.
•Normalerweise müsste man annehmen das auf
Grund der Gravitationsanziehung der Materie die
Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums
abgebremst wird.
•Man beobachtet jedoch auf Grund aus der Stärke der
Leuchtkraft von Sternexplosionen (Supernovae) in der
weit entfernten Vergangenheit, dass das Universum
sich immer schneller ausdehnt.
•Der Grund dafür ist die so genannte Dunkle Energie.
Dunkle Energie
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Was ist Dunkle Materie und Dunkle Energie ?
•Woraus die Dunkle Materie in unseren Universum wirklich besteht ist uns
heute unbekannt.
•Ein möglicher Kandidat für diese Dunkle Materie sind die so genannten
supersymmetrische Teilchen, für die es in der modernen
Elementarteilchenphysik zumindest schon Hinweise gibt.
•Etwa 2/3 des Materie- und Energieinhalts des Universums besteht aus der
so genannten Dunklen Energie. Diese wirkt der Schwerkraft entgegen und
bremst somit die Expansion des Universums nicht ab, sondern
beschleunigt diese sogar.
•Wegen der Dunklen Energie wird sich unser Universum immer schneller
ausdehnen und alle Galaxien sich immer weiter voneinander entfernen.
•Es gibt bisher keine überzeugende Theorie, woraus die Dunkle Energie
besteht und wodurch sie entstehen könnte
•Eine Möglichkeit ist die Energie des Vakuums, eine andere ein
zusätzliches Feld, die so genannte Quintessenz.
•Wenn man die gut bekannten Beiträge zur Vakuumenergie berechnet
erhält man einen Beitrag der um einen Faktor 1055 zu großen Beitrag zur
Dunklen Energie liefert. Das ist der größte Irrtum der Theoretischen
Physik!
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Heinz Oberhummer
Zukunft des Universums
• Entstehung des Universums im Urknall vor etwa 15 Milliarden Jahren
• Entstehung der Elemente in den Sternen während der letzten 14
Milliarden Jahre
• Entstehung des Sonnensystems vor etwa 4,5 Milliarden Jahren
• Entstehung der ersten Lebensform auf der Erde vor etwa 4 Milliarden
Jahren
• Entwicklung des Lebens von der einfachsten Lebensform bis zu einer
technischen Zivilisation während der letzten 4 Milliarden Jahre
• In Zukunft wird sich das Universums durch die Dunkle Energie immer
schneller ausdehnen