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
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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
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Schwarze Löcher
WIMPS (weakly interacting massive particles)
Supersymmetrische Teilchen aus dem Urknall:
Neutralinos, Axions
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Gibt es weitere beobachtbare Hinweise auf die
dunkle Energie ?
Spekulationen über dunkle Energie
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Kosmologische Konstante ; A. Einstein:
meine größte Eselei (oder nicht?)
Quintessenz: zeitabhängiges skalares Feld;
impliziert ein neues ‚leichtes‘ Teilchen
und eine 5. Wechselwirkung
Supersymmetrische Feldenergien
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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!
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