Das expandierende Universum
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Das moderne Universum Max Camenzind – Bad Kissingen - 2017 Vom Universum der Kristallsphären … zum Universum der Galaxien Vor 100 Jahren endete das Universum bei Milchstraße Ist dies ganze Universum? Schlüsselfrage um 1910: Ist der Andromeda-Nebel innerhalb oder außerhalb der Milchstraße ? … unsere Themen • Die Große Debatte von 1920: ist Andromeda galaktisch oder extragalaktisch? 1924 • Henrietta Leavitt findet eine Methode, Distanzen zu messen Cepheiden. • Rotverschiebung und Hubble-Gesetz. • Lemaître findet die Erklärung bereits 1927. • Das Universum als RaumZeit Interpretation der Hubble-Konstanten. • Das heute beobachtbare Universum Kosmische Sphären und Urknall. Große Debatten wurden auch … … in der Astronomie geführt - 1920 Heber Curtis: Lick Observatory Mount Wilson: Harlow Shapley Lick Observatorium Mount Hamilton 1888 Lick Refraktor – 1300 müM Lick Observatorium um 1900 Lick Refraktor 91 cm Öffnung f = 17,37 m Mount Wilson Observatorium 1904 gegründet – 1700 müM Mount Wilson Observatory 1917 - 1948 2,5-Meter Hooker Teleskop Neuartige Teleskope mussten gebaut werden Spiegelteleskope Ein neuer Standort musste erkundet Vision von George Ellery Hale Tonnen von Material mussten auf den Berg auf 1700 müM transportiert werden Hunderte von Tonnen Stahl mussten auf den Berg transportiert werden Bisherige Teleskope verwendeten Glaslinsen, die sich durchbogen Hale erinnerte sich an Isaac Newton Hale führte eine radikal neue Technologie ein Glasspiegel Durchmesser: 2,5 m; Gewicht: 4,5 t; * 1917 Das Teleskop wurde 1917 eingeweiht Das Teleskop auf Andromeda gerichtet Könnte dies ein Island-Universe sein? Hale holte die besten Astronomen Insbesondere auch jungen Hubble Hubble beobachtet Nacht für Nacht den Andromeda-Nebel Fundamentale Frage: Wie weit entfernt? Edwin Hubble Milton Humason Albert Einstein, Edwin Hubble 1930 Das Mysterium der Spiralnebel Ende des 19. Jahrhunderts wurde langsam klar, dass die Nebel im Messier- Katalog unterschiedlicher Natur waren. Einige zeigten Linien-Spektren von richtigen Gasnebeln, andere wiesen kontinuierliche Spektren auf, wie sie typisch für Sterne waren. Was war insbesondere mit den sog. Spiralneblen los, allen voran dem Andromeda-Nebel (M31)? M51, M81? Ein Nebel mitten in den Sternen ? Isaac Roberts' photograph of M31 (1888) Ende des 19. Jahrhunderts ist es gelungen, die Spiralstruktur zu photografieren. Roberts hat 1888 eine erste Aufnahme vom Andromeda-Nebel angefertigt und schrieb dazu: "No verbal description can add much to the information which the eye at a glance sees on the photograph. . . Here we (apparently) see a new solar system in the process of condensation from a nebula - the central sun is now seen in the midst of nebulous matter which in time will be either absorbed or further separated into rings." Ohne Distanzmessung hat Roberts angenommen, dass dieses Objekt relativ nahe zur Sonne liegt und dass er damit ein neues Sonnensystem beobachtet hat. weit gefehlt, wie wir heute wissen! Erst 100 Jahre später ist der Nachweis von Sonnensystemen gelungen! Ist dieser Nebel galaktisch? außergal? Die Shapley-Curtis Debatte von 1920 Shapley Curtis Spiral-Nebel Galaxis Galaxis Große Milchstraße enthält Spiralnebel … wäre das ganze Universum! Die Debatte ergab kein brauchbares Ergebnis! “Wissenschaftliche Fragen werden nicht durch Debatten gelöst, sondern durch Beobachtungen & Experimente” Distanzen von Galaxien ? • Geometrische Distanzen (selten möglich, z.B. Supernova 1987A). • Eichkerzen: d² = L / 4p f ; L bekannt, f gem. • (i) RR-Lyrae Sterne (~ 0,5 Sonnenmassen), Riesensterne der Spektralklasse A, F, Pulsationsveränderliche (Horizontalast-Bereich) • (ii) Delta Cephei Sterne ( < 25 Mpc, seit 1912) • (iii) hellste Sterne (nicht gut definiert) • (iv) Zentralsterne Planetarischer Nebel • (v) Supernovae vom Typ Ia ( z < 2, seit 1990 ) Kosmische Eichkerzen Je weiter entfernt, umso schwächer Der Stern d Cephei veränderlicher Stern im Sternbild Kepheus, dessen Veränderlichkeit 1784 vom englischen Astronomen John Goodricke entdeckt wurde Variable Sterne - Cepheiden Einige Sterne zeigen intrinsische Helligkeitsvariationen, die nicht auf Verdunklung im Doppelsternsystem zurückgehen Sägezahn-artig Wichtigstes Beispiel: d Cephei Lichtkurve von d Cephei Henrietta Leavitt Cepheiden 1912 Henrietta Swan Leavitt in ihrem Büro am Harvard College Observatory. Sie machte eine der wichtigsten Entdeckungen in der Geschichte der Astronomie: wie kann man Distanzen mit hellen variablen Sternen messen. Helligkeit Pulsierender Sterne Die Helligkeit der Cepheiden geht periodisch auf und ab im Laufe von Tagen bis Wochen. Dies ist die Lichtkurve für den Stern Delta Cephei, welcher die Helligkeit in 5,4 Tagen wechselt. Dies ist das Resultat der Radiusänderung des Sterns. Der Stern delta Cephei P = 4,5 d Photografische Helligkeit Korrelation: 1912: Cepheiden in den Magellanschen Wolken Maximum Minimum Periode in Tagen Periode in log Tagen Henrietta Leavitt Publikation 1912 “The two resulting curves, one for maxima and one for minima, are surprisingly smooth, and of remarkable form. In Figure 2 ... a straight line can readily be drawn among each of the two series of points corresponding to maxima and minima, thus showing that there is a simple relation between the brightness of the variables and their periods ... Since the variables are probably at nearly the same distance from the Earth, their periods are apparently associated with their actual emission of light, as determined by their mass, density, and surface brightness.” Leavitt-Relation mit Spitzer 2012 Cepheiden in Nachbargalaxien Am 6.10.1923 findet Hubble eine Cepheide in Androemda Hubble entdeckt Cepheiden in M 31 Debatte gelöst! 100-inch Hooker Telescope, Mt. Wilson Edwin Hubble 1924 löst Edwin Hubble die Debatte auf Andromeda ist 1 Mio. Lichtjahre entfernt ! Cepheide V1 Lichtkurve Hubble-Cepheide V1 Originalplot von Edwin Hubble 1923 Hubble Cepheide V1 in M31 Nachbeobachtung HST 2010 Lichtkurve der Cepheide V1 Moderne Distanz zu Andromeda Adam G. Riess et al. 2011 arXiv:1110.3769 / HST 68 Cepheiden F160W µ0 = 24,42(0,05) mag D = 765 +/- 28 kpc = 2,5 Mio. Lichtjahre F110W µ = m - M = 5 log(D/10 pc) Jenseits der Milchstraße Lokale Gruppe = Lokales Universum Halo der Milchstraße Andromeda bildet mit der Milchstraße zusammen die Lokale Gruppe Methode der Cepheiden mit HST bis zum Virgo-Haufen in 50 Mio LJ M 86 M 88 M 84 NGC 4477 NGC 4473 M 91 M 87 M 90 M 89 Image: Rogelio Bernal Andreo Virgo-Haufen 50 Mio. LJ entfernt NGC 4438/Augen Cepheiden in Messier 100 HST Cepheiden in Nachbargalaxien Wie weit entfernt sind Galaxien Kosmische Distanz-Leiter Skala: Megaparsec = 3,26 Mio. Lichtjahre Kosmische Distanz-Leiter • • • • • Parallaxe: < 1000 LJ (Hipparcos), < 100.000 LJ (GAIA) Spektroskopische Parallaxe (über Distanzmodul): 10 kpc RR Lyrae Sterne: < 300.000 Lichtjahre Cepheiden (10.000 LS): < 100 Mio. Lichtjahre Typ Ia Supernovae (1 Mrd. LS): < 10 Mrd. Lichtjahre GAIA Vesto Slipher, Wirtz, Hubble 1920er je weiter entfernt um so stärker rotverschoben - Weit entfernte Galaxie - Entfernte Galaxie - NachbarGalaxie - Stern - Labor z = (l B – l 0)/l 0 Astronom: V = c z Die Kosmische Rotverschiebung Vesto Slipher 1915: Alle Spiralnebel zeigen ein nach rot verschobenes Absorptionsspektrum Von Hubble und Humason übernommen Der Slipher Spektrograph Lemaître 1927 & Hubble 1929 fanden, dass entfernte Galaxien scheinbar größere Rotverschiebung aufweisen. z l l • Messe die Rotverschiebung z, leite daraus die “Fluchtgeschwindigkeit” her v cz 1-dimensionales expandierendes Universum: Je mehr Raum, umso schneller Interpretation kosm. Rotverschiebung Galaxien bewegen sich voneinander weg, da der Raum zwischen den Galaxien sich ausdehnt. Das war eine revolutionäre Entdeckung! Lemaître 1927 Raum expandiert Der Raum zwischen Galaxien expandiert Mehr Raum zwischen den Galaxien Lemaître 1927 – Hubble 1929 „Hubble-Gesetz“ cz = H0D Eigenbewegung der Galaxien im Virgo-Haufen Hubble 1929 Virgo-Haufen H0: Hubble-Konstante Hubble-Gesetz bis 500 Mpc Die lange Geschichte von H0 1200 Compilation by John Huchra H0 (km/s/Mpc) 1000 800 Baade identifies Pop. I and II Cepheids 600 “Brightest stars” identified as H II regions 400 200 Jan Oort 0 1920 1930 1940 1950 1960 Date 1970 1980 1990 2000 “Der 20-jährige Krieg” Sandage, Tammann vs de Vaucouleurs general 140 cosmology dependent Key project Sandage camp H0 (km/s/Mpc) 120 de Vaucouleurs camp 100 80 60 40 20 0 1970 1980 1990 2000 Date Compilation by John Huchra Vernünftige Konvergenz erst seit 1996 ! Konvergenz Hubble-Konstante H0 Riess et al. 2011 73,8 +/- 2,3 de Vaucouleurs Sandage & Tammann Jahr arXiv:1112.3108 Bedeutung der Hubble-Konstanten • 1. H0 bestimmt die Skala des Universums: RH = c/H0 = 4222 Mpc : Hubble-Radius beobachtbares Universum bekommt damit eine absolute Skala Radius des Universums = 50 RH. • 2. H0 bestimmt das Alter des Universums: tH = 1/H0 = 13,7 Mrd. Jahre : HubbleAlter, effektives Alter hängt von Dichte ab. • Beachte: Das Hubble-Alter ist nur eine grobe Schätzung für das Alter des heutigen Universums. • 3. „Kritische Dichte“ Dichteskalierung: rcrit = 3H0²/8pG ~ 1 Galaxie / Mpc³ Albert Einstein postulierte 1917 ein statisches Universum als 3-Sphäre und erfand die Kosmologische Konst. Einstein: Radius des Universums 50 Mio. Lichtjahre ! Modell instabil! Die Expansion des Universums Alexander Friedmann 1922 Georges Lemaître 1927 Das Universum war früher kleiner ! t1 t0 Nie mehr vergessen … Hubble Parameter H(t) = rel. Expansionsgeschwindigkeit Hubble-Gesetz mit Supernovae cz = H0 D • H0 ist die “Hubble Konstante”, • H0 = 63 +/- 10 km/s/Mpc Calán/Tololo Daten 1989 - 1995 Moderne Messungen Hubble Konstante Diskrepanz zwischen kosmolog. & lokalen Messungen Was ist wahr ? Was ist falsch ? • Falsch: „Hubble hat die Expansion des Raumes 1929 gefunden.“ Hubble hat nur die Rotverschiebungen von Vesto Slipher, die er nicht mal zitierte, mit seinen Cepheiden-Distanzen von Galaxien zufällig korreliert! Hubble glaubte nie an die Expansion des Raumes dachte an Doppler! • Wahr: Lemaître hat die Expansion des Raumes theoretisch 1927 postuliert und daraus den Ursprung der kosmischen Rotverschiebung von Galaxien erklärt, sowie das Hubble-Gesetz theoretisch hergeleitet und empirisch untermauert. Das war absolut genial! De Sitter hat dies verpasst • Vorschlag: E-ELT als Lemaître-Telescope Wer war Georges Lemaître ? *1894 in Belgien / 1927 / 1931 / 1933 / 1951 1930 Georges Lemaître postuliert das “Ur-Atom” Die Expansion des Universums muss einen Anfang haben Einstein findet Lemaîtres Ur-Atom abscheulich (“abominable”) Universum ist eine 4D RaumZeit Universum ist eine 4D Fläche Dunkle Energie & Dunkle Materie treiben Expansion des Universums Beobachtbare Universum = Kugelschalen Big Bang Wir sind scheinbar im Zentrum des Universums r=0 Jede KugelSchale: r = const Kugelschalen expandieren mit der Zeit r a(t)r Photosphäre Universum 3000 K 2,725 K GalaxienSphäre Rotverschiebung z Kosmische Sphären werden durch z nummeriert Interessant ist es, Verteilung für z > 1 zu bestimmen ! Mrd. von Galaxien Lichtlaufzeit in Mrd. Jahren Wir sind hier Strahlungs-Sphäre Das Universum ist isotrop Sphären Photosphäre Universum CMB r=0 ? Je weiter entfernt umso jünger 381.000 a Alter des Universums in Mrd. Jahren 0 ? z = 1088 z=∞ z = 100 z=1 Das Universum aus unserer Sicht z=0 Wikipedia/ Beob. Universum Wie weit können wir zurückblicken? The James Webb Space Telescope JWST 2018 Die Epochen des Universums Dunkle Epoche CMB Frühes Universum Erstes Licht Galaxien Epoche Heutige Epoche Geschichte des Universums ? ? Physik ist bekannt Die Expansion des Universums Planck-Zeit: t_P = 10-43 s; Planck-Länge: L_P = 10-35 m Ursuppe Grafik: Camenzind Grafik: Camenzind Die Ursuppe – Quark-Gluon Plasma kBT > 200 MeV : q,lep,g,ph,W,Z,h Dichte-Parameter LCDM Universum W DE + W M = 1 Das Beobachtbare Univ Durchmusterung des Universums mit Sloan Offene Fragen 1. Wer hat dieses Universum erschaffen ? Vor dem Big Bang gibt es weder Zeit noch Raum 2. Gibt es ein Vor-dem-Big-Bang ? 3. Was ist Dunkle Materie ? Dunkle Materie ist exp. nicht nachgewiesen 4. Wie entstehen Galaxien wirklich ? 5. Was ist Dunkle Energie ? 6. Leben wir in einem Multiversum? Unser Universum ist nur eines von vielen möglichen
