Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012
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Einführung in die Kosmologie 13.7 Milliarden Jahre Beobachtungen 95% der Energie des Universums unbekannter Natur Teleskope: Galaxien Mini-Urknall im Labor mit Teilchenbeschleuniger hergestellt 380.000Jahre 102s WMAP Satellit: Fernsehschüssel, womit man das Licht des Urknalls “gesehen“ hat. 10-12 s 10-34 s Urknall Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 1 Einteilung der VL 0. Einführung 1. Hubblesche Gesetz 2. Gravitation 3. Evolution des Universum 4. Temperaturentwicklung/Kernsynthese 5. Kosmische Hintergrundstrahlung 6. CMB kombiniert mit SN1a 7. Strukturbildung 8. Neutrinos 9. Grand Unified Theories 10.-13 Suche nach DM Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 2 Literatur 1. Vorlesungs-Skript: http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/ 2. Matts Roos: An Introduction to Cosmology Wiley, 3th Edition, 2004 hauptsächlich benutzt 3. Lars Bergström and Ariel Goobar: An Introduction to Cosmology Springer, 2nd Edition, 2004 4. Bernstein: An Introduction to Cosmology Prentice Hall, 1995 5. Dodelson: Modern Cosmology Academic Press 2003 6. Ryden: Introduction to cosmology Addison 2003 Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 3 Literatur Weitere Bücher: Weigert + Wendker, Astronomie und Astrophysik Populäre Bücher: Silk: A short history of the universe Weinberg: Die ersten drei Minuten Hawking: A brief History of Time Fang and Li: Creation of the Universe Parker: Creation Vindication of the Big Bang Ledermann und Schramm: Vom Quark zum Kosmos Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 4 Literatur Bibel der Kosmologie: Börner: The early Universe Kolb and Turner: The early Universe Gönner: Einführung in die Kosmologie Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 5 Übungen Kosmologie Vorlesung : Einführung in die Kosmologie de Boer 2 SWS Do 14:00 – 15:30 Seminarraum 10.1, PHH (ÄNDERUNG!!!) Übungen de Boer, Iris Gebauer 1 SWS Di.14:00 - 15:30 Sem. 8.2 PHH 30.23 (ab. 30.10 ) Folien auf: http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/Lehre Übungen auf: http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~gebauer/ Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 6 Die Säulen der Urknalltheorie Die Urknalltheorie ist eine wohl definierte Theorie, die an Hand von DATEN entwickelt wurde! Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 7 Väter der Urknalltheorie Albert Einstein Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt Entwicklung von Raum und Zeit Auch Licht empfindet Schwerkraft Alexander Friedmann Georges Lemaître löst 1922 die Feldgleichungen der ART für eine isotrope und homogene Massenverteilung Lösung zeitabhängig! Wim de Boer, Karlsruhe entwickelt 1927 eine Theorie, der zufolge das Universum einst als einziges Teilchen begann. George Gamow zeigt 1948, wie sich der Kosmos aus einem heißen Anfangszustand entwickelt haben könnte und sagt die kosmische Hintergrundstrahlung voraus. Kosmologie VL, 18.10,2012 8 Universum ist homogen und isotrop auf großen Skalen Dichte bei großen z nimmt ab, weil viele Galaxien nicht mehr sichtbar. homogen, nicht isotrop Wim de Boer, Karlsruhe nicht homogen, isotrop Kosmologie VL, 18.10,2012 9 Wichtigste Errungenschaft der Kosmologie 96% der Energie UNBEKANNTER NATUR! Zwei Komponenten: DM mit anziehender Gravitation und DE mit abstoßender Gravitation Gesamtenergie = kin. Energie+ pot. Energie =0 (Welt aus einer Quantenfluktuation hervorgegangen? Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 10 Sloan Sky Survey: ⅓ million galaxies Doppler Verschiebungen -> Geschwindigkeiten der Galaxien Universum: 1011 Galaxien 1 Galaxie: 1011 Sterne Unsere Galaxie ist hier Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 11 Sloan Digital Sky Survey Teleskop in Arizona, USA Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 12 12 Hubble mit dem 2.5m Teleskop in Palomar (ca. 1920) und der heutige Hubble Space Telescope (HTS) Palomar, Kalifornien, USA Hubble Space Telescope Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 13 Expansion des Universums Rosinenkuchenmodell Messungen ergeben, dass sich scheinbar alle Galaxien von uns wegbewegen. Galaxien bewegen sich nicht selbst, sondern werden mit der Raum-Zeit mitgetragen. Da sich alle Galaxien voneinander entfernen, ist keine Aussage zu treffen, wo sich der Mittelpunkt des Universums befindet Wim de Boer, Karlsruhe Je weiter die Rosinen voneinander entfernt sind, je schneller fliegen sie aus einander: v=Hd (v=Geschwindigkeit zwischen 2 Rosinen auf Abstand d, H=Konstante) Kosmologie VL, 18.10,2012 14 Geschwindigkeitsmessung Um das Hubble-Gesetz verifizieren zu können, kann man die Geschwindigkeit und den Abstand entfernter Galaxien messen. Die Geschwindigkeit einer Galaxie ergibt sich aus der Rotverschiebung der Wasserstoffspektrallinien (wie bei Radarmessungen der Polizei -> Geschwindigkeit) Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 15 Abstandsmessung Entfernungsmessungen beruhen darauf, dass man gemessene Helligkeit mit ihrer Strahlungsleistung vergleicht. Beispiele für sogenannte „Standardkerzen“: (Details VL2) RR-Lyrae-Sterne Cepheiden (pulsierende Sterne) Supernovae vom Typ la Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 16 Messdaten Proportionalitätsfaktor zwischen v und D wird nach Entdecker HubbleKonstante genannt. H = Expansionsrate = v/D = h 100 km/s/Mpc (VL2) h = 0.71+-0.03 = Hubblekonstante in Einheiten von 100 km/s/Mpc Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 17 Das Universum EXPANDIERT Starkster Beweis für den Urknall! Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 18 Hubblesches Gesetz in “comoving coordinates” d D Beispiel: D = S(t) d (1) Diff, nach Zeit D = S(t) d (2) oder D = v = S(t)/S(t) D Oder v = HD mit H = S(t)/S(t) D = S(t) d S(t) = zeitabhängige Skalenfaktor, die die Expansion berücksichtigt. Durch am Ende alle Koordinaten mit Skalenfaktor zu multiplizieren, kann ich mit einem festen (comoving) Koordinatensystem rechnen. Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 19 Alter des Universums aus v=HD H=v/D=71.4 (km/s)/Mpc=71400 (m/s)/(3.1*1022m) T=1/H=D/v=1/71400(m/s)*3.1*1022 (m)= 4.3*1017 s/(3.15*107 s/Jahr)=1.38 1010 Jahre = 13.8 Milliarden Jahre (= 13.8 Gyr) Problem bei dieser Abschätzung: v nicht konstant, sondern nimmt ab durch gravitative Abbremsung Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 20 Wie groß ist das (sichtbare) Universum? Licht ist die schnellste Kommunikation (Lichtgeschwindigkeit c), so ein Lichtstrahl kann maximal 13,8 Milliarden Lichtjahre zurückgelegt haben. Dies entspricht einem Abstand D=ct=3.108 m/s x 13.7 109 Jahre x 3,15 x107 s/Jahr= ca. 1026m Dieses sichtbare Teil ist vermutlich ein sehr kleiner Teil unseres Universums Zum Vergleich: unsere Galaxie ist ca. 6.1020 m groß, Das sind ca.100.000 Lichtjahre. Raumschiff mit Lichtgeschwindigkeit braucht also 100.000 Jahre um durch unsere Galaxie zu fliegen! Es ist gut möglich, dass es schon sehr viel ältere Universen gibt, denn vermutlich gab es viele “Big Bangs” Problem bei dieser Abschätzung: Universum expandiert gleichzeitig, also größer, siehe VL2 Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 21 Die kritische Energie nach Newton M m v Dimensionslose Dichteparameter: Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 22 Einfluss des Dichteparameters auf die Expansion Offenes Univ. (T>U) Flaches Univ. (U=T, E=0) Geschlossenes Univ. (T<U) Vergleich mit einer Rakete mit U<T, U=T und U>T Radius des sichtbaren Universum S, d.h. S(t) bestimmt Zukunft des Universums! Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 23 Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 24 Zeitabhängigkeit des Skalenfaktors S(t) bei =1 r S(t) und 1/r3 E=0 (flaches Universum) Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 25 Altersabschätzung des Universum für =1 Oder dS/dt = H S oder mit S = kt2/3 2/3 k t-1/3 = H kt2/3 oder t0 = 2/(3H0)10.109 a Richtige Antwort: t0 1/H0 14 . 109 a = 14 Gyr, da durch Vakuumenergie nicht-lineare Terme im Hubbleschen Gesetz auftreten (entsprechend abstoßende Gravitation). 0=1/H0, da tan α = dS / dt = S0 / t0 uni = 2 / 3H0 Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 26 Zum Mitnehmen: 1. Gravitation bestimmt Geschehen im Weltall 2. Comoving coordinates erlauben Rechnungen OHNE die Expansion zu berücksichtigen. Nachher werden alle Abstände (und auch die Zeit, siehe VL2) mit dem Skalenfaktor S(t) multipliziert. 3. Zeitabhängigkeit des Skalenfaktors: S = kt2/3 4. Hubblesches Gesetz: v=HD H = Expansionsrate = v/D = h 100 km/s/Mpc (VL2) h = 0.71+-0.03 = Hubblekonstante in Einheiten von 100 km/s/Mpc Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 27 Zum Mitnehmen: 5. Alter des Universums für = 1 und ohne Vakuumenergie: t0 = 2/(3H0) 10 . 109 a Dieser Wert ist zu niedrig, weil die beschleunigte Expansion durch die Vakuumenergie vernachlässigt wird. Korrekter Wert: 1/H0 = 14 Milliarden Jahre = 14 Gyr Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 28 Kosmologie und Studienplan Schwerpunktfach Ergänzungsfach Nebenfach 20 ECTS =v4u2+v2u1+v2u1 14 ECTS= v2u2 +v2u1 8 ECTS= v2u2 Einschränkungen: •eins der Fächer muss theoretisch und eins muss experimentell sein. •Ergänzungsfach darf nicht aus dem Bereich der Nebenfächer (Elektronik, Datenanalyse) sein, es sei denn dieses Fach ist auch in einer der 7 Themenbereiche vermerkt. •Ergänzungsfach darf nicht im gleichen Bereich wie Schwerpunktfach sein. Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 29 Beispiel: Fächer für Teilchenphysiker Schwerpunktfach (benotet im Abschluss) exp. Teilchenphysik I (v2u2=8P), eine der exp. Teilchenphysik II VL (v2u1=6P) Datenanalyse (v2u1=6P) Total=20ECTS Ergänzungsfach: (benotet im Abschluss) (darf keine Module aus dem Schwerpunktfach enthalten) Kombination aus Astroteilchenphysik I (v2u2=8P) Kosmologie (v2u1=6P) Detektoren oder Elektronik oder eine der weiteren Astroteilchenphysik VL (v2u1=6P) Total=14 ECTS Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 30 Beispiel: Fächer für Teilchenphysiker Nebenfach: (NICHT benotet im Abschluss) Theoretische Teilchenphysik (v4,u2) (=12 ECTS) Obwohl nur 8 gebraucht werden, bekommt man 50% mehr ECTS bei TTP, aber es gibt kein Theorie-light in der Teilchenphysik. Man kann natürlich ein nicht theoretisches Nebenfach nehmen (Elektronik, Datenanalyse) und TTP1 als Ergänzungsfach nehmen, aber dann wird es benotet. Aber man sollte als Detektorbauer eine sehr gute Note bei TTP1 als Ergänzungsfach bekommen, wenn man nachher promovieren möchte. Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 31 Zukunftschancen für Teilchenphysiker Datenanalyse: umgehen mit großen Datenmenge Analysetechniken,wie neuronale Netze Ergebnisse der Datenanalysen können sein: • Absatzprognosen •Risikovorhersagen •Produktempfehlungen •Bestellmengenoptimierungen •Beschaffungsvorschläge •Kündigungsverhinderungen •Social-Media-Aktivitäten • Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 32 Zukunftschancen für Teilchenphysiker Kenntnisse über Halbleitertechnology: •CMS Detektor hat 200 m2 Si verbaut, • Strahlungshärte unserer Elektronik VIEL besser als die des Militärs Berufschancen: Raumfahrttechnik, Autoindustrie (z.B. bei Bosch, herausfinden warum Auto-Elektronik so anfällig ist…) Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 33 Zukunftschancen für Teilchenphysiker Kenntnisse über Strahlung: Berufschancen: Strahlungsmonitore, Bestrahlungen in Industrie und Medizintechnik Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 34 Beispiel: Fächer für Astroteilchenphysiker Schwerpunktfach (benotet im Abschluss) Astroteilchenphysik I (v2u2=8P), Astroteilchenphysik II (v2u1=6P), Kosmologie (v2u1=6P) Total=20ECTS Ergänzungsfach: (benotet im Abschluss) (darf keine Module aus dem Schwerpunktfach enthalten) Datenanalyse(v4u2=8P) (v4u2=8P) Detektoren oder Beschleunigerphysik (v2u1=6P) Total=14 ECTS Nebenfach: (NICHT benotet im Abschluss) Theoretische Teilchenphysik (v4,u2) (=12 ECTS) Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 18.10,2012 35