Warum fliegt die Milchstrasse nicht auseinander? - Physik

Warum fliegt die Milchstrasse nicht auseinander?
Prof. Laura Baudis, Physik Institut, Universität Zürich
Kinder-Universität, Frühjahrsemester 2010
Vorlesung vom 7. April
Friday, April 23, 2010
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Wer von euch ist schon mal Karussell gefahren?
• Man muss sich gut festhalten!
• Kettenkarussell:
➡die Ketten halten euren
Sitzplatz auf der Kreisbahn
fest
• Alles was nicht nagelfest ist,
fliegt weg!
➡ das Himbeereis
➡ der lockere Hut
➡ das Trambillet
➡ ...
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Aber wer hält die Planeten auf ihren Bahnen?
• Im Weltall gibt es keine Ketten!
• Frage: fliegen die Planeten also wild durcheinander?
• NEIN! Sie bleiben ganz brav auf ihren Bahnen...
• Warum
wohl???
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Die Schwerkraft (oder Gravitation)
• Dem genialen englischen Physiker Isaac Newton gelang es vor etwa 300
Jahren, die Bewegung der Planeten um die Sonne zu erklären
➡ Eine Anekdote besagt, dass Newton 1666 in seinem Garten in Lincolnshire sass, als er
einen Apfel zu Boden fallen sah...
➡ Dies inspirierte ihn, über die Schwerkraft nachzudenken....
• hm ... warum fällt der Apfel
eigentlich auf den Boden?... es
muss eine Kraft geben, die ihn
beschleunigt ...
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Isaac Newton’s Gravitationsgesetz
• Zwei Körper ziehen sich gegenseitig an!
➡ egal welche Körper: (Sonne - Erde); (Erde - Mond); (Erde - Fussball); usw
• Je mehr Materie die Körper haben, desto stärker die Anziehungskraft
• Je weiter die Körper voneindander entfernt sind, desto kleiner ist die
Anziehungskraft
➡ also desto weniger merken sie voneinander...
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Die Gravitation wirkt überall, auf der Erde und im Weltall
• Mit Hilfe dieser Gesetze konnte Newton die Form der Planetenbahnen berechnen
➡ und vorhersagen, warum die Erde ein Jahr braucht, um die Sonne zu umkreisen,
während Mars zB fast zwei Jahre benötigt
• Mars ist weiter weg als die Erde
Erde
• seine Bahn ist länger
Sonne
Mars
• seine Bewegung ist langsamer
(sonst würde ihn die Fliehkraft aus dem
Sonnensystem schleudern)
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Die Gravitation wirkt auch in der Milchstrasse
• Und in allen anderen Galaxien im Universum...
Dies ist Andromeda, unsere Nachbargalaxie
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Die Gravitation wirkt auch zwischen Galaxien
• Galaxien auf Kollisionskurs
➡ durch die gegenseitige Anziehungskraft, werden sie miteinander verschmelzen
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Aber zurück zu unserer Milchstrasse...
• Die Gravitation hält die Sterne auf ihren Bahnen um das Zentrum der Milchstrasse
• Die Sonne braucht 250 Millionen Jahren, um das Galaktische Zentrum einmal zu
umkreisen; sie bewegt sich mit 220 Kilometer/Sekunde
100 000 Lichtjahre
1 Lichtjahr = Distanz, die Licht in einem Jahr zurücklegt = 9.5 Billionen Kilometer
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Aber Moment mal, die Sterne sind
doch viel zu schnell!?
• In den 70er Jahren konnte die amerikanische Astronomin Vera Rubin die
Geschwindigkeiten der Sterne in Galaxien sehr genau vermessen
Geschwindigkeit
Beobachtet
Erwartet
Entfernung
Sie fand heraus, dass die Sterne sich viel zu schnell auf ihren Bahnen bewegten!
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Und wie sieht es mit den Galaxien selbst aus?
• Ein ähnlicher Effekt ist schon vom Schweizer Astronom Fritz Zwicky im Jahr
1933 beobachtet worden
• Jedoch in Galaxienhaufen!
• Er konnte die Geschwindigkeiten der einzelnen Galaxien in einem grossen Haufen
genau bestimmen
Der Coma Galaxienhaufen
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Gibt es also noch mehr, als wir mit dem
Auge (Teleskop) sehen können?
• Zwicky: die Anziehungskraft der Galaxien im Coma-Haufen reicht bei weitem nicht
aus, um den Schwarm zusammenzuhalten!
• Vermutung: es gibt noch viel mehr Materie im Haufen, als wir sehen können
• Zwicky nannte diese Materie: Dunkle Materie
Zwei Galaxienhaufen, die
zusammengestossen sind
Rot: heisses Gas im Haufen
Blau: dunkle Materie
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Buildings—
Aber zuerst: was meinen wir eigentlich mit
“sichtbarer Materie”?
• Die Welt um uns herum
5
➡ also Planzen, Tiere, Menschen, Gebäude, Wolken, Planeten, Monde etc.
• besteht aus Atomen und Molekülen (H, C, O, Fe, usw)
Our home planet—
6
• diese bestehen wiederum aus
• Protonen
• Neutronen
hm... so viele
winzige Teilchen...
Dr. Boris Kayser, Fermilab (KITP Public Lecture 4/30/03)
• Elektronen
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Ist die Milchstrasse auch “sichtbar”?
• JA: auch die Sterne und das Gas in der Milchstrasse und in
allen anderen Galaxien bestehen aus Atomen und Molekülen
• Diese können Strahlung (Licht) aussenden oder einfangen
Also können wir sie mit geeigneten Teleskopen direkt “sehen”
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Und was ist die Dunkle Materie???
• Wir merken, dass sie da ist,
über ihre Gravitationskraft
➡ genauso wie ihr es in einem
dunklen Raum spürt, wenn
ihr mit einem anderen Kind
zusammestosst
• Ihre Anziehungskraft reicht
aus, um die Sterne in der
Milchstrasse auf festen
Bahnen zu halten
• Die Milchstrasse ist von einer
riesigen Wolke (Halo) aus
dieser dunklen Materie
umgeben
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Wolke (Halo) aus
dunkler Materie
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Was weiss man von dieser mysteriösen, dunklen
Materie?
• Es gibt im Universum viel mehr davon, als von der altbekannten Materie
➡ nur etwa ein Fünftel der Gesamtmaterie besteht aus Atomen und Molekülen
• Sie enthält kein einziges Atom!
• Man kann sie nicht einfach fangen:
➡ sie hält nichts von geschlossenen Türen
➡ sie fliegt einfach durch uns
und durch die Erde hindurch
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our Skin
Aus der Sicht der dunklen Materie...
• sind wir unsichtbar!
r view
unsere
Sicht
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! View
die Sicht der
dunklen Materie
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Eine Welt ohne dunkle Materie?
• In riesigen Computersimulationen auf superschnellen Rechnern kann man die
Entstehung aller Galaxien und Galaxienhaufen im Universum nachrechnen
• Man findet heraus, dass ohne dunkle Materie überhaupt keine Galaxien
entstanden wären!
Urknall
Der Raum expandiert
Galaxien bilden sich
Heute
Unser Universum ist etwa 14 Milliarden Jahre alt (14 x 109 Jahren)
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Eine Welt ohne dunkle Materie?
Unser Universum wäre also ziemlich langweilig!
(keine Galaxien, keine Sterne, keine Planeten, kein Schokoladeneis...)
mit dunkler Materie...
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ohne dunkler Materie...
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Aber WAS IST nun diese dunkle Materie?
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• Ganz genau wissen wir es
noch nicht!
• Aber wir denken, dass sie
aus einer neuen
Teilchensorte besteht
• Ein Teilchen, das sehr
schwer ist
• Sich aber durch elektrische
Felder und Strahlung nicht
stören lässt
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Ein neues Teilchen im
Teilchenzoo?
Erstmal:
solch ein Teilchen kennen wir schon, das Neutrino!
Es entsteht zB. in Kernreaktionen in der Sonne
Aber: das Neutrino ist etwa 1/1000000000000
zu leicht, um die dunkle Materie ausmachen zu
können
Wie soll man also dieses
neue Teilchen entdecken?
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Die Suche nach den neuen Teilchen....
• Durch den Zusammenprall mit
Atomen!
• Eine Million (106) Teilchen fliegen
jede Sekunde durch eure
Daumen, ohne dass ihr etwas
davon merkt
• Tausend Billionen (1015) Teilchen
fliegen jeden Tag durch euren
Körper
• Davon wird vielleicht nur ein
einziges Teilchen mit einem Atom
zusammenstossen
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Suchgeräte (Detektoren) für dunkle Materie?
• Es ist so, als ob man eine Nadel in einem Heuhaufen suchen würde!
➡ Detektoren: sie müssen ultra-empfindlich sein,
um die extrem seltenen Kollisionen nachweisen zu können
➡ und die winzigen Energien, die bei einem Stoss freigesetzt werden, messen zu können
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Suchgeräte für dunkle Materie?
• Sie müssen tief unter der Erde aufgebaut werden
➡damit die störende kosmische Strahlung “abgeschaltet” werden kann
Kosmische
Strahlung???
Elektrisch geladene Teilchen, die
aus dem Weltall kommen...
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Detektoren tief unter der Erde
• Zum Beispiel im Gran Sasso Untergrundlabor in Italien
• Dieses wird von einem 1400 m hohen Fels abgeschirmt
Der “Corno Grande”
in den Abruzzen
Ein riesiges Physiklabor,
tief unter dem Fels
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Ein Suchgerät mit flüssigem Xenon
unsichtbares
Dunkle-Materie
Teilchen
Xe-Atom
Die winzigen Lichtblitze
werden mit Photodetektoren
nachgewiesen
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Aha, (indirekt) kann man die
dunkle Materie also doch
photographieren???
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Warum fliegt die Milchstrasse nicht auseinander?
Sie wird von der Anziehungskraft der dunklen Materie
zusammengehalten!
Was ist die dunkle Materie?
Neue Teilchen, die sich von der normalen Materie kaum
beeinflussen lassen
Wurden diese Teilchen schon nachgewiesen?
Bisher noch nicht!
Jedoch gibt es weltweit viele hochempfindliche Detektoren,
mit denen die Astrophysiker fieberhaft danach suchen
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Empfohlene Literatur
1.Der geheime Schlüssel zum Universum, Lucy und Stephen Hawking
2.Die unglaubliche Reise ins Universum, Lucy und Stephen Hawking
3.Hat der Weltraum eine Tür? Die Kinder-Uni erklärt die Geheimnisse des Universums,
U. Janssen, K. Werner, K. Ensikat
4.Galilei und der erste Krieg der Sterne, Luca Novelli
5.Marie Curie und das Rätsel der Atome, Luca Novelli
6.Einstein und die Zeitmaschinen, Luca Novelli
7.Die überaus fantastische Reise zum Urknall, J. Teilchmann, K. Wehner
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Ende
Fra!n?
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Kosmische Entfernungen: Sonnensystem
Sonne-Pluto
6 Lichtstunden
Erde-Sonne
8 Lichtminuten
Erde-Mond: 384 000 km
1.3 Lichtsekunden
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Kosmische Entfernungen: lokale Umgebung
• Der nächste Stern: Proxima Centauri, 4.2 Lichtjahre
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Suche nach dunkler Materie mit Germanium-Kristallen
• Germanium-Kristalle werden bei -273.13 º Celsius gehalten/
• Stösst an Teilchen an einem Germanium Atom
➡ so erhöht sich die Temperatur der Kristalle
Diese Temperaturänderung kann mit hochempfindlichen Thermometer
gemessen werden
dunkle Materie
Teilchen
T0
Ge
Thermometer
Kältebad
dunkel Materie
Teilchen
Germanium-Kristall (250 g)
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Andromeda (M31), unsere Nachbargalaxie
• Ist etwa 2 Millionen Lichtjahre von der Milchstrasse entfernt; beide Galaxien
bewegen sich aufeinander zu, mit v ≈ 100 km/s; in etwa 5 Milliarden Jahren werden
sie verschmelzen
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