Urknall und Entwicklung des Universums
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T.Hebbeker Urknall und Entwicklung des Universums Thomas Hebbeker RWTH Aachen University Dies Academicus 11.06.2008 Grundlegende Beobachtungen Das Big-Bang – Modell Die Entwicklung des Universums 1.0 Blick ins Universum: Unser Sonnensystem 8 m t ch i L n e ut n i T.Hebbeker Blick ins Universum: Sterne und Galaxien T.Hebbeker Die Milchstrasse Nachbarstern „Proxima Centauri“ 4 Lichtjahre 1 Lichtjahr =70000 mal Abstand ErdeSonne 25000 Lj Aachen Das Sonnensystem in der „Unsere“ Galaxie = Milchstrasse Milchstrasse Blick ins Universum: Sterne und Galaxien T.Hebbeker AndromedaGalaxie Blick ins Universum: Sterne und Galaxien Andere Galaxien Nachbargalaxie „Andromeda“ 3 Millionen Lichtjahre „Whirlpool“ (Hubble Teleskop) Palomar Observatory, E. Hubble (1949) 37 Millionen Lj T.Hebbeker Blick ins Universum: Sterne und Galaxien T.Hebbeker Entfernte Galaxien Hubble-Teleskop bis zu einigen Milliarden Lichtjahren Blick in die Vergangenheit! Doppler-Effekt (Licht) Sonnenlicht: T.Hebbeker Atomare Spektrallinien: Wellenlänge T.Hebbeker Rotverschiebung der Spektrallinien E. Hubble 0.4 Universum expandiert ! μm 0.8 1 T.Hebbeker 2 Explosionsmodell 3 x r Hubble-Gesetz: v = H• r 1/H = 15 Milliarden Jahre = Weltalter v - 15 Milliarden Jahre Zeit 2008 Raum dicht „Big Bang“ heiss = Ur-“Knall“ T.Hebbeker T.Hebbeker Das heutige Universum Materie: • 1011 Galaxien mit je 1011 Sternen • dunkle Materie Strahlung: • Sternenlicht • Hintergrundstrahlung T.Hebbeker Zusammenfassung „Grundlegende Beobachtungen“ Universum = viele Galaxien Galaxien fliegen auseinander Big-Bang - Modell T.Hebbeker Adler-Nebel (M16) HubbleTeleskop Grundlegende Beobachtungen Das Big-Bang – Modell Die Entwicklung des Universums T.Hebbeker Ist das Urknall-Modell richtig ? Unsere Vorstellung: Universum früher dicht und heiß; Galaxien fliegen voneinander weg FRAGEN: Beobachtbare „Überbleibsel“ des heißen Urknalls ? Entstehung der Atome im frühen Universum ? Alter des Universums ? Zukunft ? Geht die Expansion immer weiter ? Sonne T.Hebbeker Licht von der Urexplosion Urexplosion: heißes Gas / Plasma (ähnlich Sonne) T = 6000 K Plancksche Strahlungskurve Sonne T.Hebbeker Licht von der Urexplosion Urexplosion: heißes Gas / Plasma (ähnlich Sonne) T = 6000 K Vorhersage von R. Alpher u.a.1948: Ur-Licht heute noch beobachtbar Wellenlängen ~ 1000 mal größer Spektrum gleiche Form Plancksche Strahlungskurve T.Hebbeker Die kosmische Hintergrundstrahlung 1% A. Penzias und Nobelpreis 2006 COBE R. Wilson 1965: T=3K Mikrowellenstrahlung aus dem Kosmos = Blitz der Urexplosion Nobelpreis 1978 Plancksche Strahlungskurve T.Hebbeker Ist das Urknall-Modell richtig ? Unsere Vorstellung: Universum früher dicht und heiß; Galaxien fliegen voneinander weg FRAGEN: Beobachtbare „Überbleibsel“ des heißen Urknalls ? Ja, kosmische „Hintergrundstrahlung“ = Mikrowellenstrahlung Nächste Frage: Entstehung der Atome im frühen Universum ? Prozesse im frühen Universum 10 10 a T.Hebbeker 11.06.2008 300 000 a Atome 3 min Kerne 10 −10 s Elementarteilchenphysik Nukleosynthese = Bildung der Atomkerne t = 3 min 2n+2p T.Hebbeker T = 1 000 000 000 K He-Kern p = H-Kern (stabil) (übriggebliebene Protonen) Schwere Kerne (C, O, U...) entstanden erst in Sternen/Supernovae ! T.Hebbeker Bildung von Atomen t = 300 000 a T = 3000 K 3 min He-Kern + 2 e H-Kern + e He-Atom H-Atom Kerne 25% Masse 75% Weltall ohne freie Ladung! Licht kann sich ungehindert ausbreiten! Atome bilden Sterne und Galaxien „kosmische Hintergrundstrahlung“ Die Chemie des Universums Vor der Sternbildung: 75 % Wasserstoff Am Ende des Sternenlebens: 25 % Helium BIG BANGModell sagt Messdaten richtig voraus! T.Hebbeker Wir bestehen aus Sternenasche ! T.Hebbeker Ist das Urknall-Modell richtig ? Unsere Vorstellung: Universum früher dicht und heiß; Galaxien fliegen voneinander weg FRAGEN: Entstehung der Atome im frühen Universum ? Ja, Wasserstoff und Helium, im Urknallmodell richtig berechnet Nächste Frage: Alter des Universums ? T.Hebbeker Wie alt ist das Universum ? a) Objekte im Universum: S o n n e n s y s t e m ~ 4 Milliarden Jahre ~ 14 Milliarden Jahre a u s g e b r a n n t e b) Zeitpunkt des Urknalls Hubble-Gesetz: v = H •r 1/H ~ 15 Milliarden Jahre = Weltalter S t e r n e T.Hebbeker Ist das Urknall-Modell richtig ? Unsere Vorstellung: Universum früher dicht und heiß; Galaxien fliegen voneinander weg FRAGEN: Alter des Universums ? Ungefähr 15 Milliarden Jahre Nächste Frage: Zukunft ? Geht die Expansion immer weiter ? T.Hebbeker Zusammenfassung „Big-Bang - Modell“ Universum entstand aus heißem Urknall vor ~15 Milliarden Jahren Mit Abkühlung entstanden Atome (Wasserstoff + Helium) und später Galaxien Die kosmische Hintergrundstrahlung zeugt vom „Explosionsblitz“ T.Hebbeker Adler-Nebel Grundlegende Beobachtungen Das Big-Bang – Modell Die Entwicklung des Universums Kollaps Entwicklung des Universums ? Hat Einstein Recht ? Z e i t In jedem Szenarium: Urknall ! T.Hebbeker Kollaps Entwicklung des Universums ? Hat Einstein Recht ? T.Hebbeker Beschleunigte Expansion Z e i t In jedem Szenarium: Urknall ! Evolution des Universums (a la Einstein) Geschwindigkeit nimmt ab, da Gravitation anziehend Galaxie proportional zur Massendichte (Unbekannter) Parameter Oberhand gewinnt: schwer zu messen Ω m gibt an, welcher Effekt die Ω m > 1: Schwerkraft „gewinnt“ Ωm T.Hebbeker entscheidet über unser Schicksal ! T.Hebbeker entfernten Galaxien = Abstand zwischen zwei Evolution des Universums (Einstein) Big Bang =Urknall „Big Crunch“ Alter des Universums ~ 15 Milliarden Jahre Welche Kurve ist richtig ? T.Hebbeker Wie kann man die Evolution messen ? Bestimmung der Geschwindigkeitsänderung der Galaxien mit der Zeit s ell n ch langsam Idee: weit entfernte Objekte = Blick in die Vergangenheit (Lichtlaufzeit !) Geschwindigkeitsmessung mit Dopplereffekt ne ga tiv T.Hebbeker Supernovae Ia Explosion wenn Masse ≈ 1.4mSonne Helligkeit: gleich groß Entfernung Blick in Vergangenheit ! Fluchtgeschwindigkeit Zeitskala: einige Wochen Messung der Geschwindigkeitsänderung mit Supernovae T.Hebbeker Ergebnis: Neue Kraft, neue Energieform: „dunkle Energie“ wirkt abstoßend! Erweitertes Modell: Einsteins „kosmologische Konstante“ Λ Messung der Geschwindigkeitsänderung mit Supernovae Ergebnis: Geschwindigkeit zwischen Galaxien heute höher als früher! Abstoßung, beschleunigte Expansion ! Konsequenz: modifiziertes Gravitationsgesetz neue Energieform: „dunkle Energie“ T.Hebbeker Energieformen im Universum T.Hebbeker unbekannt ! Anteil in % 45 1 1 23 25 ? dunkle Materie (nichtleuchtend) dunkle Energie [kosmol. Konst.] ??? baryonische Materie (Atome) leuchtende Materie 7370 unverstanden ! T.Hebbeker Zusammenfassung „Entwicklung des Universums“ Urknall-Modell qualitativ erfolgreich Messungen zeigen Abweichung von berechneter Entwicklung der Galaxiengeschwindigkeiten ! Mögliche Erklärung: Erweiterung des Gravitationsgesetzes, „dunkle Energie“ Zusammenfassung „goldenes Zeitalter der Kosmologie“ .... Messungen....Theorie.... Revolution in der Physik !? http://www.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/welcome.html#presentations T.Hebbeker
