Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 25.10,2012

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Einteilung der VL
0. Einführung
HEUTE
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
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1
Die Säulen der Urknalltheorie
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Sloan Sky Survey: ⅓ million galaxies
Doppler Verschiebungen ->
Geschwindigkeiten der Galaxien
Universum: 1011 Galaxien
1 Galaxie: 1011 Sterne
Unsere Galaxie ist hier
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3
3
Ausblick
Roter Faden:
1.Hubblesches Gesetz: v = H d
2
2.Wie
Wie mißt man Geschwindigkeiten?
3.Wie mißt man Abstände?
4. Wie alt ist das Universum?
5. Wie groß ist das Universum?
6. Woraus besteht das Universum?
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Entdeckung der Rotverschiebung
1929 entdeckte Ewdin Hubble die
Rotverschiebung von Galaxien,
welche er auf die Expansion des
Universums zurückführt. Die
Rotverschiebung ist proportional
zum Abstand zwischen der Erde
und den beobachteten Galaxien.
v=Hd
Der Proportionalitätsfaktor
zwischen Rotverschiebung
und Entfernung wird HubbleKonstante genannt und in
Einheiten von 100km/s/Mpc
angegeben
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Rotverschiebung
Galaxien bewegen sich
nicht selbst, sondern
werden mit der Raum-Zeit
mitgetragen.
Rosinenkuchenmodell
Da sich alle Galaxien voneinander
entfernen ist keine Aussage zu
treffen, wo sich der Mittelpunkt
des Universums befindet
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Hubblesches Gesetz in “comoving coordinates
d
DD
D = S(t) 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)
S(t) = zeitabhängige Skalenfaktor, die die Expansion berücksichtigt.
Durch am Ende alle Koordinaten mit dem Skalenfaktor zu multiplizieren, kann ich
mit einem festen, mitbewegendem (comoving) Koordinatensystem rechnen.
Es wird zu einem bestimmten Zeitpunkt festgelegt („time slice“). Die Abstände
heute („proper distances“ ) ändern sich mit der Zeit. „Comoving observers“
bewegen sich mit dem „Hubble flow“ der Expansion und sehen keine
Koordinatenänderungen. Nur für Betrachter in diesem mitbewegenden
Koordinatensystem ist das Universum isotrop und der Abstand konstant.
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Bestimmung der Geschwindigkeiten
Relative Geschwindigkeit v der Galaxien
aus Dopplerverschiebung
Blauverschiebung
Vrel
Absorptionslinien->
relative Geschwindigkeit
Keine Verschiebung
Rotverschiebung
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Relativistische Dopplerverschiebung
Relative Geschwindigkeit v der Galaxien aus Dopplerverschiebung.
Quelle bewegt sich, aber Frequenz konstant. In einer Periode t´=T
vergrößert sich Abstand von λrest = cT auf λobs = (c+v)T´.
Die relativistische Zeitdilatation ergibt: T´/ T =  oder
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Relativistische Rotverschiebung
Unabh. ob Quelle
oder Detektor sich
bewegt. Nur relative
Geschwindigk. v wichtig
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Zeitabhängigkeit des Skalenfaktors S(t) bei =1
r  S(t) und   1/r3 
E=0 (flaches Universum) 
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Abstände und Zeiten im expandierenden Univ.
Nicht nur Abstand, sondern auch ZEIT skaliert mit S(t)!
Beweis (mit comoving coor.):
Betrachte sphärische Koor. (R,θ,,t) und mitbewegende
Koor. (,θ,,) und Lichtstrahl in Ri. =θ=0.
Dann gilt: R = c t und  = c , weil c = unabh.
vom Koor. System
Aus R = S(t)  folgt dann: R = c S(t)  = ct, .
Daraus folgt: t=S(t) oder auch =dt/S(t)
( ist Eigenzeit oder conformal time
(keine Information kann weiter gereist sein als
„comoving horizon“ c )
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Wie groß ist das sichtbare Universum für =1?
Naiv: R = ct0 ist Radius des sichtbaren Universums.
Dies ist richtig für ein statisches Universum
ohne Expansion. Mit Expansion: R = 3ct0.
Beweis:
p
Koor. (R,θ,,t)
( , ,, ) und
Betrachte wieder sphärische
mitbewegende Koor. (,θ,,) und Lichtstrahl in Ri. =θ=0.
Dann gilt:  =  d =  dt / S(t) oder mit S(t) = kt2/3
 = c d = c (1/kt2/3)dt = (3c/k) t1/3
Oder R0= S(t)  = 3 c t0 = 3 x 3.108x14.109 x3.107
= 3.7x1026 cm = 3.7x1026/3.1x1016=12 Gpc
DURCH DUNKLE ENERGIE ca. 30% größer.
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Rotverschiebung und Skalenfaktor
Wenn die Zeiten mit S(t) skalieren, dann skalieren auch
Wellenlängen von Licht (=cT) mit S(t), da c wieder konstant ist,
oder S(t0)/S(t) = (t0)/(t)
Kombiniert mit Rotverschiebung (t)/(t0) = ((t0)+)/(t0) = 1+z gilt:
S(t)/S0 =1/(1+z) (Rotverschiebungsformel)
z=1 bedeutet: S(t)/S0 =1/(1+z) oder sichtbare Univ
Univ.
bei z=1 nur die Hälfte von heute!
Beachte: die Rotverschiebung entsteht auch wenn Galaxien ruhen bezüglich
der Umgebung, denn Änderung der Wellenlänge durch
Expansion des Raumes und nicht durch relat. Geschwindigkeiten
Anschaulich:
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
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Leuchtkraftabstand (luminosity distance)
Quelle mit Leuchtkraft L=nh strahlt auf Abstand d mit Energiefluss F:
F=L/A=L/4d2 (für Kugelfläche A= 4d2)
Wie ändert sich F in einem expandierden Universum?
In comoving coordinates: F=L/A=L/42 (=S(t)d)=d/(1+z)
In bewegenden Koordinaten verringert sich der Fluss, weil
Abstand zunimmt mit Faktor 1+z:
F=L/(42 (1+z)2) L/4dL2
Here dL   (1+z) = /S(t) ist der Leuchtkraftabstand.
(Hier wurde angenommen, dass alle Photonen gemessen werden,
ansonsten muß man berücksichtigen, dass Energie h der Photonen
auch noch um einen Faktor 1+z reduziert wird!)
See http://nedwww.ipac.caltech.edu für Details.
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Abstandsmessungen
SNIa sind Supernovae
die aus Doppelsternen entstehen,
sehr hell leuchten und immer
praktisch gleiche Anfangshelligkeit haben.
Perfekte Standardkerzen, auch auf sehr
große Entfernungen (z=1) sichtbar
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Kleine Abstände
Trigonometrie:

d/2
r
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Astronomische Einheit (AE) =
mittlere Abstand Erde-Sonne =
= 1.496 108 km = 1/(206265) pc.
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Einheiten
Abstand zur Sonne: 8 Lichtminuten. Nächster Stern: 1,3 pc.
Zentrum der Milchstraße: 8 kpc. Nächste Galaxie: 55 kpc
Andromeda Nebel: 770 kpc.
Milchstraße
Cluster (1 Mpc) Supercluster (100 Mpc)Universum (1000Mpc)
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Mittlere und große Abstände durch Spektroskopie
Leuchtkraft aus:
a) Spektrum plus Hertzsprung-Russel Diagramm
b) Cepheiden (absolute Leuchtkraft M aus Periode)
c) Supernovae Ia (abs. Leuchtkraft M bekannt, M=-19.6)
d) Tully-Fisher Relation (Rotationsgeschwindigkeit  M)
e) hellsten Sterne einer Galaxie
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Leuchtkraft der Sterne
Antike: 6 Größenklassen der
scheinbaren Helligkeiten m,
angegeben mit 1m .. 6m.
Sterne sechster Größe kaum
mit Auge sichtbar.
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Leuchtkraft der Sonne
L=T4
(Stefan-Boltzmann Gesetz)
T=5800 an Oberfläche ->
LS = 3.9 1026 W = 4.75m
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Leuchtkraft und Entfernungsmodul
Die bolometrische Helligkeit der Sonne wird festgelegt auf M☼ = 4,75
(stimmt ungefähr mit Skale 1-6 der Antiken).
M=1 sehr hell, M<0 für Supernovae!!!!
absolute Helligkeit M = Helligkeit auf einem Abstand von 10 pc
scheinbare Helligkeit m (= gemessener Strahlungsstrom S, d.h.
pro Zeit und Flächeneinheit vom Empfänger registrierte Energie)
für einem Abstand d als
m = M + 5 llog (d/10
(d/10pc)) oder
d m-M
M = 5l
5log(d)-5
(d) 5 (d iin pc))
Der logarithmische Term m-M nennt man Entfernungsmodul
(distance modulus) Abstand, wenn m und M bekannt sind
Oder man kann die Helligkeiten von Sternen vergleichen bei gleichem
Abstand: M1 - M2 = 2.5 log S1/S2 , wenn die Strahlungsströme S1 und S2
bekannt sind. Eine Supernova Ia hat M= -19.6, die Sonne 4.75, so die
Helligkeiten unterscheiden sich um einen Faktor 10 (4,75+19,6)/ 2.5  10
Größenordnungen.
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Sternentwicklung
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sternentwicklung.png
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Nukleare Brennphasen
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23
Herzsprung-Russel Diagramm
Oh Be
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A
Fine
Girl
Kiss
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Me Right Now
24
Herzsprung-Russell Diagramm
Die meisten Sterne befinden sich in der Hauptreihe
(H-Brennen, langsam!)
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Weißer Zwerg, Supernovae, Schwarzes Loch
Ein weißer Zwerg ist ein ausgebrannter Stern, dessen Masse nicht ausgereicht
hat um das Kohlenstoffbrennen zu starten.
Grund: der Kern ist zu leicht um den Elektronen Degenerationsdruck zu
überwinden und der Kohlenstoffkern kühlt langsam ab. Wenn der
Gravitationsdruck den Elektronen-Degenerationsdruck überwinden kann,
entsteht ein Neutronenstern, weil der inverste beta-Zerfall alle Protonen und
Elektronen in Neutronen und Neutrinos umwandelt.
Diese Massengrenze zwischen einem Weißen Zwerg und Neutronenstern wird
Chandrasekhargrenze genannt und entspricht 1,4 Sonnenmassen. So unsere
Sonne wird in ca. 4 Milliarden Jahren als Weißer Zwerg enden (und nicht als
Neutronenstern). Bei dem Übergang zum Neutronenstern entsteht ein sehr
dichter Kern mit hoher Gravitationskraft. Die hereinfallende Hülle wird
zurückgeschleudert als Schockwelle. Das Leuchten dieser Hülle sieht man als
Supernovae Explosion
Ist der Neutronenstern so schwer, dass Licht nicht mehr entweichen kann,
entsteht ein Schwarzes Loch
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Altersbestimmung unabh. von Expansion
Drei Methoden:
“nucleocosmochronology”: Concentration von Uranium und Thorium in
Sternen: Sonne (4.47 0.02 Gyr), Scheibe der Milchstraße (8.3 2 Gyr),
Halo der Milchstraße (~12.5 Gyr).
“Hertzsprung-Russell Diagram”. In alten Sternenhaufen (“globular
cluster”) entstehen viele Sterne zum gleichen Zeitpunkt. Schwere Sterne
sind schnell ausgebrannt, d.h. HS-Diagram links oben leer.
Abschneidepunkt gibt Alter des Haufens
Haufens. Beobachtet: von einigen Myr
(Orion) bis 13 Gyr (z.B. M13). Sternhaufen in Scheibe der Milchstraße jung
(0 – 8 Gyr), im Halo 8 – 13 Gyr. So, Halo bildete sich zuerst!
Weiße Zwerge kühlen und werden röter als Fkt. der Zeit. Dies führt zu
Altersbestimminung von Sternenhaufen zwischen 8-13 Myr.
Zusammenfassend: Alter der Sterne im Einklang mit 1/H0`=14 Myr, aber
nicht mit 10 Myr, die aus der Expansion ohne dunkle Energie folgen
würde!
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Cepheiden (veränderliche Sterne)
Sterne, die ihre Helligkeit periodisch ändern, nennt man Cepheiden.
Periode hängt von der Masse und damit von der Leuchtkraft ab. Grund:
dies sind leichte Sterne, wo der Druck nicht ausreicht um Kohlenstoff zu
verbrennen. Nach He-Fusion expandiert der Stern, kühlt ab, He-Fusion
hört wegen geringeren Druck auf, Stern kühlt und kollabiert, He-Fusion
fängt wieder an, Leuchtkraft nimmt zu und Kreislauf fängt wieder an.
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Tully-Fisher : max. Rotationsgeschwindigkeit
der Spiralgalaxien prop. Leuchtkraft
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SN 1a
Eine Supernova Ia hat M=
-19.6, die Sonne 4.75, so
die Helligkeiten
unterscheiden
sich um einen Faktor
10 (4,75+19,6)/ 2.5  10
Größenordnungen.
Darum
kann sie auch bei sehr
großen Abständen
gesehen werden. Die
konstante Helligkeit
erlaubt eine genaue
Abstandsmessung aus
der scheinbare Helligkeit
http://www.pha.jhu.edu/~bf
alck/SeminarPres.html
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SN erkennbar an Leuchtkurve
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Supernovae
Supernovae
Leuchtkurven
Supernovae Ia, die entstehen durch Doppelsterne, die sich
gegenseitig fressen bis Masse ausreicht für SN-Explosion,
haben alle fast gleiche Leuchtkraft ( M = -19.5m)
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Hubble Diagramm aus SN Ia Daten
Meiste SN weiter weg
als erwartet vom linearen
Hubbleschen Gesetz->
Beschleunigte Expansion!
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Zum Mitnehmen:
1. Hubblesche Gesetz messbar durch
Rotverschiebungsmessungen von „standard“
Lichtkerzen (Cepheiden, SN1a, Galaxien..)
2. Entfernungsmodul: m - M = 5 log (d/10pc)=5 log(d)-5
Scheinbare Helligkeit=absolute Helligkeit (m=M) für d=10
pc
p
3. Größe des sichtbaren Universums für  = 1 und ohne
Vakuumenergie: 3ct0 (ohne Expansion: ct0)
4. S(t)/S0 =1/(1+z) (Rotverschiebungsformel)
z=1 bedeutet: S(t)/S0 =1/(1+z) oder sichtbare Univ.
bei z=1 nur die Hälfte von heute!
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