Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer

Werbung
Vorlesung 1:
Roter Faden:
1.Ausblick
2.Literatur
3.Bahnbrecher der Kosmologie
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
1
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
2
Wahlpflichtfach - Prüfung Hauptdiplom
Astroteilchenphysik und Kosmologie
Vorlesung Einführung in die Kosmologie
de Boer
2 SWS
de Boer, Hörandel
1 SWS
Fr 11:30 – 13:00 kl. HS A
Übungen
Mi 14:00 - 15:30 Seminarraum 3.1
Vorlesung Einführung in die Astroteilchenphysik
Hörandel, Roth
2 SWS
Hörandel, Roth
1 SWS
Do 8:00 – 9:30 kl. HS B
Übungen
Mi 14:00 - 15:30 Seminarraum 3/1
6 SWS
Übungen auf: www-ik.fzk.de/~joerg/kos0607.html
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
3
Literatur
1. Vorlesungs-Skript:
http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/
2. Matts Roos: An Introduction to Cosmology
Wiley, 3th Edition, 2004
3. Lars Bergström and Ariel Goobar:
An Introduction to Cosmology
Springer, 2nd Edition, 2004
4. Bernstein: An Introduction to Cosmology
Prentice Hall, 1995
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
4
Literatur
Weitere Bücher:
Weigert + Wendker, Astronomie und Astrophysik
Populäre Bücher:
Silk: A short history of the universe
Weinberg: Die ersten drei Minuten
Hawking: A brief History of Time
Fang and Li: Creation of the Universe
Parker: Creation
Vindication of the Big Bang
Ledermann und Schramm: Vom Quark zum Kosmos
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
5
Literatur
Bibel der Kosmologie:
Börner: The early Universe
Kolb and Turner: The early Universe
Gönner: Einführung in die Kosmologie
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
6
Bahnbrecher der Kosmologie
Griechen: Bewegung der Himmelskörper
Kopernikus: Sonne im Mittelpunkt
Galilei:
Gravitation unabh. von Masse
Brahe:
Messungen der Bewegungen von Sternen
Kepler:
Keplersche Gesetze (Bahnen elliptisch!)
Newton:
Gravitationsgesetz
Halley:
Vorhersage des Halley Kometen
Einstein: Relativitätstheorie
Hubble:
Expansion des Universums ⇒ Urknall
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
7
Aristoteles
Erkannte:
Mondphasen enstehen
durch Umlauf des Mondes
um die Erde! (*384 v. Chr.)
Erkannte:
Sonnenfinsternis bedeutet
daß Mond näher an der
Erde ist als die Sonne.
Erkannte:
Mondfinsternis bedeutet
daß die Erde rund ist.
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
8
Erde dreht sich um ihre Achse
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
9
Kopernikus (geb. 1474)
Sonne statt Erde im Mittelpunkt (wurde von Aristoteles
verworfen, weil es keine Parallaxe gab (damals nicht messbar))
Kopernikus konnte hiermit retrograde Bewegungen erklären.
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
10
Galilei (geb. 1564)
Erdbeschleunigung universell und unabhängig von Masse
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
11
Brahe (geb. 1548)
Brahe mißt 30 Jahre Position von Sternen und Planeten
Verwirft wie Aristoteles heliozentrisches Model, weil er
keine Parallaxe beobachten konnte und sich nicht vorstellen
konnte dass, wenn die Sterne so weit entfernt wären, sie noch
sichtbar wären.
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
12
Kepler (geb. 1571)
Kepler konnte Brahes Daten nur erklären, wenn Bahnen nicht
die von jedem erwartete Kreissymmetrie aufwiesen UND
auch noch die Sonne statt die Erde umkreisten!!!!!!!!!!!!!!!
Elliptische Bahnen -> Keplersche Gesetze.
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
13
Newton (geb. 1642)
Newton entdeckte dass alle Bewegungen
im Universum durch die Gravitation
bestimmt sind -> Newtonsche Gesetze.
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
14
Rotationskurven
V ∝ 1 / √r
27. Oktober 2006
Flat rotation curves evidence
for dark matter!
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
15
Halley (geb. 1642)
Halley sagte Periode von 75 J für seinen Kometen vorher!
Wurde tatsächlich beobachtet und damit wurden
Newtonsche Gesetze weiter bestätigt.
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
16
Einstein (geb. 1879)
Allgemeine Relativitätstheorie:
Gravitation krümmt den Raum.
Licht und Planeten folgen
Raumkrümmung! Sonnenfinsternis
in 1919 brachten Beweis durch
Verschiebung der Sternpositionen.
Bei hoher Dichte kann
Raum so stark gekrümmt
sein, dass Licht nicht entkommen kann ⇒ Schwarzes Loch!
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
17
Hubble (geb. 1879)
Hubble entdeckte dass sogenannte Nebel auch variable Sterne
beinhalteten. Schlussfolgerung: Dies sind Galaxien.
Er entdeckte, dass die meisten Galaxien eine Rotverschiebung
aufwiesen, die mit dem Abstand d zunahm: H
ubblesches Gesetz: v=Hd.
Richtige Erklärung: es gab am Anfang einen Urknall. (und es gab
einen Anfang!!!!)
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
18
Hubblesche Gesetz: v=Hd
Analogie: Rosinen im Brot
sind wie Galaxien im Universum.
Auch hier relative Geschwindigk.
der Rosinen ∝ Abstand bei
der Expansion des Teiches,
d.h. v=Hd.
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
19
Hubblesches Gesetz
Roter Faden:
1.Hubblesches Gesetz: v = H d
2.Wie mißt man Geschwindigkeiten?
3.Wie mißt man Abstände?
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
20
Bestimmung der Hubble Konstante aus H=v/D
Relative Geschwindigkeit v der Galaxien aus Dopplerverschiebung.
(Redshift Simulation).
Blauverschiebung
Vrel
Keine Verschiebung
Rotverschiebung
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
21
Bestimmung der Hubble Konstante aus H=v/D
Relative Geschwindigkeit v der Galaxien aus Dopplerverschiebung.
(Redshift Simulation).
Quelle bewegt sich, aber Frequenz konstant. In einer Periode Δt´=T
vergrößert sich Abstand von λrest = cT auf λobs = (c+v)T´.
Die relativistische Zeitdilatation ergibt: T´/ T = γ =
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
22
Relativistische Rotverschiebung
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
23
Bestimmung der Abstände zwischen Galaxien
Trigonometrie:
r = Astronomische Einheit (AE) =
= 1.496 108 km = 1/(206265) pc.
π
d
r
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
24
Einheiten
Abstand zur Sonne: 8 Lichtminuten. Nächster Stern: 1,3 pc.
Zentrum der Milchstraße: 8 kpc. Nächste Galaxy: 55 kpc
Andromeda Nebel: 770 kpc.
Milchstraße
27. Oktober 2006
Cluster (1 Mpc)
Supercluster (100 Mpc)
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
Universum (3000Mpc
25
Bestimmung der Abstände durch Spektroskopie
Leuchtkraft L = Oberflächenhelligkeit F x Fläche πR2
oder Energieströme messen:
Scheinbare Helligkeit m = gemessene Strahlungsstrom,
d.h. pro Zeiteinheit vom Empfänger registrierte Energie.
Absolute Helligkeit M = scheinbare Helligkeit auf Abstand
von r0 = 10 pc und m ∝ 1/4πR2.
L oder m messbar mit Photoplatte, digitale Kamera …..
F oder M aus
a) Spektrum plus Hertzsprung-Russel Diagram
b) Cepheiden (absolute Leuchtkraft M aus Periode)
c) Supernovae Ia ( M bekannt)
d) Tully-Fisher Relation (Rotationsgeschwindigkeit ∝ M)
e) hellsten Sterne einer Galaxie
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
26
Leuchtkraft der Sterne
Leuchtkraft der Sonne
LS = 3.9 1026 W = 4.75m
27. Oktober 2006
Antike: 6 Größenklassen der
scheinbaren Helligkeiten m,
angegeben mit 1m .. 6m.
Sterne sechster Größe kaum
mit Auge sichtbar. Sonne: 4,75m
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
27
Leuchtkraft und Entfernungsmodul
Die Leuchtkraft L (engl. luminosity) eines Sterns ist die abgestrahlte Energie
integriert über alle Wellenlängen. Aus der Helligkeit in unterschiedlichen
Frequenzbändern (U=UV, B=Blau, V=Visuell) kann man die Leuchtkraft
(oder bolometrische Helligkeit) rekonstruieren.
Die bolometrische Helligkeit der Sonne wird festgelegt auf M☼ = 4,75
(stimmt ungefähr mit Skale 1-6 der Antiken).
Die Helligkeit (engl. magnitude) in einem bestimmten Spektralbereich
hängt vom Abstand und Durchsichtigkeit des Universums für die Strahlung ab.
Man definiert die absolute Helligkeit M als die Helligkeit auf einem Abstand
von 10 pc and die scheinbare Helligkeit m (= gemessener Strahlungsstrom S, d.h.
pro Zeit und Flächeneinheit vom Empfänger registrierte Energie)
für einem Abstand d als m = M + 5 log (d/10pc).
Der logarithmische Term m-M nennt man Entfernungsmodul (distance modulus)
und kann benutzt werden um Abstände zu bestimmen, wenn m und M bekannt s
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.
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
28
Herzsprung-Russell Diagramm
Oh
27. Oktober 2006
Be
A
Fine
Girl
Kiss
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
Me
Right No
29
Herzsprung-Russel Diagramm
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
30
Cepheiden (veränderliche Sterne)
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
31
Tully-Fisher : max. Rotationsgeschwindigkeit
der Spiralgalaxien prop. Leuchtkraft
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
32
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)
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
33
Abstandsmessungen
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
34
Zum Mitnehmen:
1. Gravitation bestimmt Geschehen im Weltall
2. Auch Licht empfindet Gravitation, die bei einem
schwarzen Loch so stark ist, dass Licht nicht
die Fluchtgeschwindigkeit erreicht.
3. Hubblesches Gesetz: v=HD
v aus Rotverschiebung
D aus Entfernungsleiter
H = Expansionsrate = v/D
= h 100 km/s/Mpc
h = 0.71+-0.04
= Hubblekonstante in
Einheiten von 100 km/s/Mpc
27. Oktober 2006
Kosmologie, WS 2006/07, Prof. W. de Boer
35
Herunterladen
Random flashcards
Laser

2 Karten anel1973

Erstellen Lernkarten