Das Vermächtnis des Urknalls – Die Hintergrundstrahlung
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Das Vermächtnis des Urknalls – Die Hintergrundstrahlung • Elementare Kräfte • Der Urknall und die Expansion des Universums • Wie mißt man die Temperatur von Sternen? • Hintergrundstrahlung und Isotropie des Universums • Dunkle Materie und dunkle Energie Illustrationen: J. Bublath-Geheimnisse unseres Universums Konventionen in der Physik • • • • • • • • • • • • • • 1 mm = 0.001 m = 10-3 m 1 µm = 0.000001 m = 10-6 m 1 nm = 0.000000001 m = 10-9 m 1 fm = 0.000000000000001 m = 10-15 m 1 km = 1000 m = 103 m ------------ Länge = Geschwindigkeit x Zeit ----------------1 Lichtsekunde (LS) = 3.105 km 1 Lichtminute (LM) = 1,8.107 km 1 Lichtjahr (LJ) = 9,1.1012 km ------------------------ Typische Skalen ------------------------Radius des Protons: 1 fm Radius der Erde: 6,4.103 km Durchmesser der Milchstraße : 105 LJ = 9,1.1017 km Lichtgeschwindigkeit c = 3.105 km/sec = 1,08.109 km/h Aufbau der Materie Atom Atomkern Meteorit Nukleon Quarks Siliziumscheibe u d Wechselwirkungen der Materie Bei sehr kleinen Abständen gibt es nur 1 Wechselwirkung! Astrophysikalische Beobachtungen Satelliten messen die Lichtstärkeverteilung am Himmel und deren Farbe: Frequenz ν ÅAusschnitt aus der Milchstraße Geschwindigkeitsmessung Über die ‚Rotverschiebung‘ der Strahlung von Sternen messen wir deren Geschwindigkeit und Ausbreitungsrichtung Die Objekte des Universums Sonne: 8.5 Lichtminuten Eta-Carinae: 8000 Lichtjahre Galaxie M33: 2,7 Mill. Lichtjahre Galaxie: 14 Milliarden Lichtjahre Expansion des Universums Die Galaxien bewegen sich kontinuierlich auseinander! Rechnet man ihre Bahnen zurück, so entsteht die Vorstellung vom Urknall Die ersten 10-10 Sekunden Die Energiefluktuation expandiert exponentiell! Teilchen und Antiteilchen ÅÆ Strahlung Nach 10-10 Sekunden überlebt ein relativer Anteil von 10-9 Elektronen und Quarks Æ es entsteht ein Übergewicht von Materie relativ zur Antimaterie Die ersten 3 Minuten Quarks und Gluonen werden in Nukleonen gebunden <-> Proton+Neutron <-> Deuteron <-> Leichte Kerne enstehen Nach 300000 Jahren Protonen und Elektronen werden zu Wasserstoff gebunden; die Materie wird elektrisch neutral ! Die Photonen entkoppeln Æ Hintergrundstrahlung Wie mißt man die Temperatur von Licht? Nobelpreis für Physik in 1911 Prof. für Physik in Giessen von 1899 – 1900 als Nachfolger Röntgens Wilhelm Wien 1864-1928 Das Wien‘sche Verschiebungsgesetz: Messe die spektrale Intensität des Lichts: u(<) = const. <3 exp(-h</T) Intensität 5 T1 < T2 4 3T 2 3 2 1 3T 1 0 0 5 Frequenz ν 10 Maximum für h< = 3 T ! Beispiel: Temperatur der Sonnenoberfläche: 5800 Kelvin Nobelpreis für Physik 2006 George Smoot John Mather Für die Entdeckung des Schwarz-Körper-Spektrums und die Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung Wilkinson Microwave Anisotropy Probe A partnership between NASA/GSFC and Princeton Science Team: NASA/GSFC Chuck Bennett (PI) Michael Greason Bob Hill Gary Hinshaw Al Kogut Michele Limon Nils Odegard Janet Weiland Ed Wollack Brown UCLA Greg Tucker Ned Wright UBC Mark Halpern Chicago Stephan Meyer Princeton Chris Barnes Norm Jarosik Eiichiro Komatsu Michael Nolta Lyman Page Hiranya Peiris David Spergel Licia Verde WMAP Foto des Universums nach 300000 Jahren Die Hintergrundstrahlung ist isotrop mit Temperatur 2.726 K! Schwankungen sind kleiner als 1/10000 K! Anisotropien der Hintergrundstrahlung Winkel Amplitude der Fluktuationen => Räumlich flaches Universum: Ωtot = 1 Beobachtung ( WMAP ): Ωtot = ρtot/ρc =1.02 (+/-0.02) Kritische Energiedichte des Universums : ρc =3 H² M² ( M = 2.44x1018 GeV: reduzierte Planck-Masse , H : Hubble Parameter ) •Ωb=ρb/ρc : Anteil der Baryonen an der Energiedichte ρc Anteil der Baryonen • Staub, Planeten, Sonnen und ausgebrannte Sterne • Ωb= 4-5% • Nur etwa 4-5% bestehen aus bekannter Materie ! ~60,000 von >300,000 Galaxien Ermittelt aus Elementsynthese und kosmischer Hintergrundstrahlung Weitere Hinweise auf dunkle Materie Galaxien rotieren zu schnell in den Spiralarmen! Verteilung der Materie dunkel sichtbar Zusammensetzung des Universums Unsichtbarer klumpender Anteil: Dunkle Materie Unsichtbarer homogener Anteil: Dunkle Energie Spekulationen über dunkle Materie ????????????????????????????????????? Schwarze Löcher WIMPS (weakly interacting massive particles) Supersymmetrische Teilchen aus dem Urknall: Neutralinos, Axions ????????????????????????????????????? Gibt es weitere beobachtbare Hinweise auf die dunkle Energie ? Spekulationen über dunkle Energie ????????????????????????????????????? Kosmologische Konstante ; A. Einstein: meine größte Eselei (oder nicht?) Quintessenz: zeitabhängiges skalares Feld; impliziert ein neues ‚leichtes‘ Teilchen und eine 5. Wechselwirkung Supersymmetrische Feldenergien ????????????????????????????????????? Pessimistische Zusammenfassung Conclusions. Zwei Dinge sind unendlich, das Universum und die menschliche Dummheit; aber bei dem Universum bin ich mir noch nicht ganz sicher. A. Einstein “ There is no darkness, only ignorance.” W. Shakespeare Optimistische Zusammenfassung Wir haben ein Bild des Universums etwa 300000 Jahre nach der Entstehung ... und viele junge Menschen, die Spass am Lösen von Rätseln haben!
