Die Ökologie des Universums
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Die Ökologie des Universums Es gibt eine beobachtende Lebensform ! Wie sieht das dazugehörige Universum aus ? Astronomie ist der Versuch eine Antwort zu finden Faszinierend ! 19.12.2003 A.W.A. Pauldrach 1 Die Ökologie des Universums Leben braucht als Grundlage seines Entstehens chemische Elemente Ökologisches Basissystem 19.12.2003 A.W.A. Pauldrach 2 Woher kommt die Materie ? oder präziser Wie wurden die Elemente produziert? 19.12.2003 A.W.A. Pauldrach 3 Häufigkeit der Elemente in der Sonne 19.12.2003 A.W.A. Pauldrach 4 T > 300 000 Millionen Kelvin Starke Wechselwirkung dominiert Reichweite 10-13 cm Suppe aus Quark-Materie The Particle History of the Universe Das Universum expandiert seit dem Big Bang ! Æ Alle Teilchen verlieren aufgrund der Expansion kontinuierlich Energie ! High Energy Photon Ein während der ersten Nanosekunde entstandenes Photon hat bis jetzt 99.999999999999999999% seiner Energie verloren Low Energy Photon Das Universum 1 Mikrosekunde nach dem Urknall 19.12.2003 A.W.A. Pauldrach 5 Energiedichte 3.8·109 mal der Energiedichte von Wasser T = 100 000 Millionen Kelvin Undifferenzierte Suppe von Materie und Strahlung 1/109 Umfang 4 Lichtjahre bei jetzigem Umfang 125·109 Lichtjahre T2 = T1 Quarks Quarks werden zu Baryonen und Mesonen T2 < T1 Wegen der Expansion sinkt die Temperatur stetig Das Universum 1/100 Sekunde nach dem Urknall 19.12.2003 A.W.A. Pauldrach 6 Energiedichte 30·106 mal der Energiedichte von Wasser T = 30 000 Millionen Kelvin Undifferenzierte Suppe von Materie und Strahlung 1/109 Proton und Elektron 38% n 62% p + - Wird zu Neutron und Neutrino Wegen der Ausdehnung des Raums sinkt die Dichte stetig Im Zeitraum zwischen der ersten Nanosekunde und der ersten Sekunde sank die Dichte um den Faktor 0.00000000000000000000000000001 Das Universum 1/10 Sekunde nach dem Urknall 19.12.2003 A.W.A. Pauldrach 7 Energiedichte 100·103 mal der Energiedichte von Wasser T = 5 000 Millionen Kelvin Nach 10s haben die Photonen nicht mehr genug Energie um Elektron-Positron Paare zu produzieren verbleibende Elektron-Positron Paare annihilieren + Photon High Energy State: Neutron 25% n 75% p Low Energy State: Proton - Positron Elektron Proton und Elektron + + Die Zeit vergeht! - 20 Sekunden 60 Sekunden n, T und ρ sinken! - Wird zu Neutron und Neutrino Die Zeit vergeht! 120 Sekunden 180 Sekunden ... Mit Deuterium entsteht erstes Element! T und ρ passt Æ alles wird nun zu Eisen verkocht (?) Das Universum 3 Sekunden nach dem Urknall : Primordiale Elemententstehung 19.12.2003 A.W.A. Pauldrach 8 Ära der Kernsynthese T < 1 000 Millionen Kelvin Jetzt geht die Post ab Æ Eisen (?) Es ist zu spät !!! ρ zu niedrig für das geplante Fertiggericht ! Deuterium wird in Helium umgewandelt Materie/Strahlung 1/109 14% n 86% p 10 Deuterium : 1 Tritium Helium 3 Wasserstoff Helium 4 Helium 4 Deuterium ist jetzt stabil ! Alle verbliebenen Neutronen werden sofort gebunden ! Das Universum 3 ¾ Minuten nach dem Urknall : Primordiale Elemententstehung 19.12.2003 A.W.A. Pauldrach 9 Für weitergehende Produktion von Elementen muss Materie wieder komprimiert werden ! 19.12.2003 A.W.A. Pauldrach 10 T = 3000 Kelvin Wasserstoff rekombiniert! Beginn der materiedominierten Ära durch Expansion verliert die Strahlung ihre ungeheure Energiedichte! Grundvoraussetzung dafür, dass die in geringem Maße beigemischte Materie Sterne ausbilden kann Die Gravitation bekommt ihre Chance! Start von Fluktuationen! Das Universum 5000 Jahre nach dem Urknall : Entstehung der 3°K-Strahlung 19.12.2003 A.W.A. Pauldrach 11 Das Universum 200 000 Jahre nach dem Urknall : Verstärkung der Fluktuationen 19.12.2003 A.W.A. Pauldrach 12 30 Millionen Jahre nach dem Urknall : Fragmentierung eines Galaxienhaufens, Protogalaxien 19.12.2003 A.W.A. Pauldrach 1 Zustand einer Spiralgalaxie vor ~14-15 Milliarden Jahren (Bild: Sombrero-Galaxie) 19.12.2003 A.W.A. Pauldrach 2 Lieferant von schwereren Elementen ? Kugelsternhaufen NGC 6093 aus der Frühzeit der Milchstraße (~ 14 - 15 Gyr alt) 19.12.2003 A.W.A. Pauldrach 3 Das Interstellare Medium wird immer mehr mit schweren Elementen aus thermonuklearen Prozessen aus dem Inneren der Sterne angereichert aber das dauert zu lange ! Universum ~ 15 Gyr alt Sonne wird ~ 10 Gyr alt Ring Nebula Stars Low Mass Brauchen Motor ! 19.12.2003 A.W.A. Pauldrach 4 CNO WR 124 Megasonnen Sterne und Galaxien entwickeln sich in Generationen zunehmender Metallhäufigkeiten Beteigeuze : Sonne : Arcturus: 1∗10-4 3∗10-5 5∗10-6 Fe/H Fe/H Fe/H Eta Carinae leuchtkräftig 106 L~ massereich 20 - 150 M ~ jung 106 yr ≤ 10 -4 M ~ /yr M v ∞ ≤ 4000 km/s Crab Nebula Mg Al Fe 19.12.2003 A.W.A. Pauldrach 5 trägt sofort zur chemischen Entwicklung bei ~106 Sterne * 104 Generationen ~ 1010 Sterne in 1010 Jahren Nur 0.001% aller Sterne werden Megasonnen in unserer Galaxie ! H He CNO Mg Fe trägt erst nach 1010 Jahren zur chemischen Entwicklung bei H He S Ca Fe Ni in unserer Galaxie pro Generation ~1010 Sterne in 1010 Jahren Nur 5% aller Sterne produzieren schwerere Elemente als He ! 19.12.2003 A.W.A. Pauldrach 6 PPlanets 19.12.2003 A.W.A. Pauldrach 7 Metallverseuchung Starburst Galaxien Starbursts are dominated by Massive Stars 19.12.2003 A.W.A. Pauldrach 8 vom Staub zur Asche ! 19.12.2003 A.W.A. Pauldrach 9
