Die Entwicklung des Universums - Server der Fachgruppe Physik
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T.Hebbeker Die Entwicklung des Universums Thomas Hebbeker RWTH Aachen September 2003 Grundlegende Beobachtungen Das Big-Bang – Modell Die Entwicklung des Universums 1.1 Blick ins Universum: Sterne und Galaxien T.Hebbeker Die Milchstrasse Nachbarstern „Proxima Centauri“ 4 Lichtjahre 1 Lichtjahr =70000 mal Abstand ErdeSonne 25000 Lj Monschau Das Sonnensystem in der „Unsere“ Galaxie = Milchstrasse Milchstrasse Blick ins Universum: Sterne und Galaxien Andere Galaxien Nachbargalaxie „Andromeda“ 3 Millionen Lichtjahre „Whirlpool“ (HST) Palomar Observatory, E. Hubble (1949) 37 Millionen Lj T.Hebbeker Blick ins Universum: Sterne und Galaxien T.Hebbeker Entfernte Galaxien Hubble-Teleskop bis zu einigen Milliarden Lichtjahren Blick in die Vergangenheit! Die Chemie des Universums Vor der Sternbildung: 75 % Wasserstoff SN 1987A T.Hebbeker Am Ende des Sternenlebens: 25 % Helium Wir bestehen aus Sternenasche ! Doppler-Effekt (Licht) Sonnenlicht: T.Hebbeker Atomare Spektrallinien: 0.4 µm 0.8 µm Wellenlänge Rotverschiebung der Spektrallinien T.Hebbeker E. Hubble 0.4 Hubble-Konstante = 2 cm / s / Lj Universum expandiert ! µm 0.8 - 15 Milliarden Jahre Zeit 23.09.2003 Raum „Big Bang“ = Ur-“Knall“ T.Hebbeker Sonne Licht von der Urexplosion T.Hebbeker Urexplosion: heißes Gas / Plasma (ähnlich Sonne) T = 6000 K Plancksche Strahlungskurve Sonne Licht von der Urexplosion T.Hebbeker Urexplosion: heißes Gas / Plasma (ähnlich Sonne) T = 6000 K Vorhersage von R. Alpher u.a.1948: Ur-Licht heute noch beobachtbar Wellenlängen ~ 1000 mal größer Spektrum gleiche Form Plancksche Strahlungskurve T.Hebbeker Die kosmische Hintergrundstrahlung A. Penzias und COBE R. Wilson 1965: Mikrowellenstrahlung aus dem Kosmos Plancksche Strahlungskurve = Blitz der Urexplosion T.Hebbeker T = 2.7 K Das heutige Universum Materie: • 1011 Galaxien mit je 1011 Sternen • dunkle Materie Strahlung: • Sternenlicht • Hintergrundstrahlung H,He T.Hebbeker Zusammenfassung „Grundlegende Beobachtunge Universum = viele Galaxien Chemische Elemente: H, He Galaxien fliegen auseinander Big-Bang - Modell Licht aus „Urexplosion“ T.Hebbeker Adler-Nebel (M16) HST Grundlegende Beobachtungen Das Big-Bang – Modell Die Entwicklung des Universums 10 Das Big-Bang - Modell Einsteins allgemeine Relativitätstheorie + = Astrophysikalische Beobachtungen Der Raum expandiert Anfang: „Big Bang“ Hintergrundstrahlung Rotverschiebung 10 Alter ~ 15⋅10 Jahre Chemie : 75% H, 25% He T.Hebbeker Evolution des Universums (a la Einstein) T.Hebbeker Geschwindigkeit nimmt ab! • Hubble-Konstante (kinetische Energie • mittlere Massendichte (potentielle Energie ρ Ωm = = ρ krit mittlere Massendichte Kontraktion) Gravitation! nicht genau bekannt kritische Massendichte ≈ 3 H − Atome / m 3 Hubble-Konstante = Expansion) 2 cm / s / Lj Ω m entscheidet über unser Schicksal ! = Abstand zwischen zwei entfernten Galaxien Evolution des Universums (Einstein) T.Hebbeker Evolution wird durch Massendichte Urknall Alter des Universums ~ 15 Milliarden Jahre bestimmt: Ω m = ρ / ρ krit Welche Kurve ist richtig ? Prozesse im frühen Universum 10 10 a T.Hebbeker 23.09.2003 300 000 a Atome 3 min Kerne 10 −10 s Ladungssumme = 0 T.Hebbeker Nukleosynthese t = 3 min 2n+2p T = 1 000 000 000 K He-Kern p = H-Kern E = 0.1 MeV (stabil) (übriggebliebene Protonen) Schwere Kerne (C, O, U...) entstanden erst in Sternen/Supernovae ! T.Hebbeker Bildung von Atomen t = 300 000 a T = 3000 K E = 0.3 eV 3 min He-Kern + 2 e H-Kern + e Kerne He-Atom H-Atom Weltall ohne freie Ladung! Licht kann sich ungehindert ausbreiten! Universum wird durchsichtig! „kosmische Hintergrundstrahlung“ T.Hebbeker Zusammenfassung „Big-Bang - Modell“ Universum entstand aus heißem Urknall vor ~15 Milliarden Jahren Mit Abkühlung entstanden Atome und Galaxien Galaxien bewegen sich voneinander weg FRAGE: EVOLUTION QUANTITATIV ? T.Hebbeker Adler-Nebel (M16) HST Grundlegende Beobachtungen Das Big-Bang – Modell Die Entwicklung des Universums Kollaps Entwicklung des Universums ? Hat Einstein Recht ? T.Hebbeker Beschleunigte Expansion In jedem Szenarium: Urknall ! Wie misst man die Evolution ? A) Bestimmung der Geschwindigkeitsänderung der Galaxienflucht mit der Zeit B) Messung der von der Materiedichte abhängigen Raumkrümmung T.Hebbeker Supernovae Ia T.Hebbeker Explosion wenn Masse kritischen Wert ≈ 1.4mSonne erreicht! Helligkeit: gleich groß Entfernung Blick in Vergangenheit ! Fluchtgeschwindigkeit Zeitskala: einige Wochen Fluchtgeschwindigkeit Messung der Geschwindigkeitsänderung mit Supernovae T.Hebbeker β = 0.5 Geschwindigkeit heute höher als früher! „ABSTOSSUNG !“ 109 Lj Entfernung ~ Zeit (Vergangenheit) Evolution des Universums – „neu“ T.Hebbeker Messungen an Supernovae: beschleunigte Expansion ! Erweitertes Modell: Einsteins „kosmologische Konstante“ Λ ≠ 0 → ΩΛ Neue Energieform: „dunkle Energie“ Ω ≡ Ωm + ΩΛ ≈ 1 wirkt abstossend! T.Hebbeker Modifiziertes Gravitationsgesetz Newton/Einstein: d R (t ) m⋅M = −G N ⋅ m⋅ 2 dt R(t ) 2 2 mit kosmologischer Konstanten Λ: m⋅M d R (t ) + ⋅ Λ ⋅ m R (t ) / 3 = − ⋅ m⋅ G N 2 2 dt R(t ) 2 abstossend grosse Entferng! Raumkrümmung ? T.Hebbeker Einstein: ja! „lokal“: Gravitationsfelder „global“ (Kosmos): vielleicht Heute: Ω ≠1 ? Einstein-Ring (Hubble-Teleskop) Gravitationslinse („lokal“) Raumkrümmung im Universum (global) ? Messung der Raumkrümmung: Winkelmessung: flach Ω =1 offen Ω <1 Zusammenhang mit Energiedichte: ρ Ω = = ρ krit mittlere Energiedichte kritische Energiedichte geschlossen Ω >1 T.Hebbeker Die kosmische Hintergrundstrahlung T.Hebbeker COBE ∆T = ± 100µ K Ursprung: 300000 Jahre nach Urknall T = 2.7 K 400 Photonen/ccm Messungen mit dem WMAP-Satelliten Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Temperaturschwankungen Druckschwankungen Galaxienbildung T.Hebbeker Die Raumkrümmung im Universum T.Hebbeker Abstand ~ 15 Mrd J. Distanz berechenbar geschlossen flach offen passt am besten: Keine Krümmung! Ω = Ω m + Ω Λ = 1.02 ± 0.02 Energieformen im Universum Anteil in % 45 T.Hebbeker 1 1 23 25 dunkle Materie (nichtleuchtend) dunkle Energie [kosmol. Konst.] baryonische Materie leuchtende Materie 7370 Zusammenfassung „Entwicklung des Universums“ T.Hebbeker Newtons/Einsteins Gravitationsgesetz sagt Verlangsamung der Expansion voraus Messungen zeigen das Gegenteil ! Mögliche Erklärung: Modifikation des Gravitationsgesetzes durch Einsteins „kosmologische Konstante“ Zusammenfassung „goldenes Zeitalter der Kosmologie“ .... Messungen....Theorie.... Faszinierende neue Beobachtungen zur Evolution des Universums: Die Expansionsgeschwindigkeit scheint zuzunehmen! Revolution in der Physik !? http://www.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/welcome.html#presentations T.Hebbeker Anhang T.Hebbeker Die kosmische Hintergrundstrahlung Mikrowellenstrahlung aus allen Richtungen = „schwarzer Körper“ mit T = 2.7K Kleine Temperaturunterschiede ± 100µ K T.Hebbeker COBE
