Universität Wien

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Slide 1

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

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10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 2

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

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z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 3

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 4

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 5

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 6

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 7

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 8

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

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z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 9

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 10

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 11

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

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10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

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z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 12

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 13

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

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8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

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14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 14

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

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t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

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8

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12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

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z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

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6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 15

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

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8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 16

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

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8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

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14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

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materiedominiertes
Modell
1

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Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

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2

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z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 17

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

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10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

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12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

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Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

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z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 19

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 20

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 21

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

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6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 22

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 23

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 24

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

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t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

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14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

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z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 25

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 26

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 27

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

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t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

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8

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12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

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z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

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5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 28

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 29

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

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10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

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14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 30

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

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t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

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0.4

0.2

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2

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t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
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materiedominiertes
Modell
1

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z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

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z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 31

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

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t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

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6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 32

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

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10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

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t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

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t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

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materiedominiertes
Modell
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Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

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Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 33

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 34

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 35

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 36

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 37

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 38

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


Slide 39

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Fakultät für Physik
Universität Wien

Vortrag im Rahmen von University Meets Public
VHS Meidling, 12. 3. 2012

Nobelpreis 2011
… an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt
und Adam G. Riess

„für die Entdeckung der beschleunigten
Expansion des Universums durch
Beobachtungen weit entfernter Supernovae“.

Die beschleunigte Expansion des Universums





Die Expansion des Universums in der Theorie
Einsteins „kosmologische Kontante“
Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110

HST Deep Field

Die Expansion des Universums in der Theorie
• Albert Einstein 1915: Allgemeine
Relativitätstheorie = Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
Universum  Beschreibung des Universums als
Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip: Das Universum ist auf
großen Skalen homogen und isotrop
Daraus folgt: Die einzige Freiheit für die
„Bewegung“ des Universums im Großen ist eine
Skalierung aller Abstände ( Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

Die Expansion des Universums in der Theorie
„Newtonsche“ Argumentation:

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

 gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse
im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

Die beschleunigte Expansion des Universums
• Demnach kann das Universum expandieren oder
kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
statischen Zustand befinden!
• Einstein „repariert“ seine Theorie, indem er eine
abstoßende Kraft einführt: die „kosmologische
Konstante“ L. Ihre Bedeutung ist die einer
Energiedichte des Vakuums.

Energiedichte des Vakuums
• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!
In diesem Fall besitzt das Vakuum einen
negativen Druck!
Materie
normales
Verhalten
(z.B. Gas)


Energieinhalt
wird vergrößert.


Energieinhalt
wird verkleinert.

positiver Druck

Vakuum

E~V


Energieinhalt
wird verkleinert.


Energieinhalt
wird vergrößert.

negativer Druck

Energiedichte des Vakuums
• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste Inhomogenitäten
lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden
Universum (Willem de Sitter, Georges Lemaitre)
werden zunächst wenig beachtet…

Die Galaxienflucht
• 1912 Vesto Slipher: Erste
Messungen zur
Rotverschiebung einzelner
Objekte  Geschwindigkeiten
von Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan Leavitt:
Perioden-LeuchtkraftBeziehung von Cepheiden
 erste Methoden der
Entfernungsbestimmung
(Cepheiden)
• 1920er Jahre: Edwin Hubble
kann erste Sterne im
„Andromeda-Nebel“ auflösen.

Die Galaxienflucht
• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien umso
schneller von uns fortbewegen je weiter sie von uns
weg sind!
Hubble-Gesetz: v = H0 D

Hubble-Konstante
(Hubble-Parameter)
heutiger Wert:

H0 = 71

km/s
Mpc

(1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum ist
heute (fast) flach.

Das Universum war früher kleiner  Urknall !

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

Wo fand der Urknall statt?

Überall !

Das Universum dehnt sich aus
• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
„Dehnung“ aller Längen.
• Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte: Galaxien
• Spielzeugautos: Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansion:
der Skalenfaktor
Länge zur Zeit t
a(t) =

Länge heute

Das expandierende Universum
• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“
als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus
seinen Gleichungen!
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Kosmologie bis in die 1990er Jahre
• Die Details der Expansion des Universums hängen
von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum: strahlungsdominiert
• heutiges Universum: materiedominiert
• Kosmologische Probleme:
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung:
• sehr frühes Universum: Inflation (rapide
exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Dunkle Materie

Dunkle Materie
• Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie
umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält,
ist sichtbar!
• Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält,
kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
(fast) nur durch die Schwerkraft.

Kosmische Hintergrundstrahlung

1990er Jahre: Blick in die Tiefe!
• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
gemessen werden?
Standardkerzen:

Supernovae Ia als Standardkerzen
• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
„Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten
sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt:
Doppelsternsystem

weißer Zwerg

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen
einer kritischen Masse

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die
Entfernung abgeschätzt werden.

Supernova September 2011 in M101

Das Universum dehnt sich aus
• Vergleich verschiedener Theorien:
• Falls Strahlung oder Materie dominiert
 die Expansion verläuft gebremst.
(Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes
Universum)

• Falls die Vakuumenergie dominiert
 die Expansion verläuft beschleunigt!
(Vakuumdominiertes Universum,
Energiedichte des Vakuums = „kosmologische
Konstante“ = Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie
irgendwann einmal dominant!

Modell: Materiedominiertes Universum

at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

t Mrd Jahre

Modell: Universum mit Vakuumenergie
at
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

2

4

6

8

10

12

14

t Mrd Jahre

Überprüfung von Weltmodellen
• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
überprüft werden?
• Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle
nicht messbar
• Hubble-Gesetz
v = H0 D
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
Beziehung zwischen

direkt messbar

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
Aussendung des Lichts

indirekt messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
2000

vakuumdominiertes
Modell
1500

1000

500

0
0

materiedominiertes
Modell
1

2

3

4

5

6

z

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000

1500

1000

500

0
0

1

2

3

4

5

6

z

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project

High-Z SN Search

Zusammenführung
verschiedener
Beobachtungen

Das moderne Standardmodell der Kosmologie
• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
(Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
10-26 kg/m 3

bzw.

10-9 J/m 3

• Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt
expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70%
der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
gestützt:
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/


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