Wissenschaft für alle Reise zum Urknall mit Hubble und COBE

Präsentation zum Thema: "Wissenschaft für alle Reise zum Urknall mit Hubble und COBE"—  Präsentation transkript:

1 Wissenschaft für alle Reise zum Urknall mit Hubble und COBE
Mittwoch, 6. Dezember, 14h im Hörsaal Fritz Bosch, GSI Reise zum Urknall mit Hubble und COBE Warum die Physiker glauben, dass die Welt vor 14 Milliarden Jahren entstanden ist Der bisher tiefste Blick in Raum und Zeit www-ap.gsi.de/bosch: Reise zum Urknall; Lavilla 2004; Wie alt ist die Welt ?...

2 I Meilensteine der Astronomie bis 1929
II Die Hinweise auf einen Anfang der Welt III Vom Urknall bis heute – und von heute bis ?? Er führt ihr Heer vollzählig heraus und nennt sie alle mit Namen Jesaja 40, 26

3 I Meilensteine der Astronomie
Aber Du hast alles geordnet nach Maß, Zahl und Gewicht, Weisheit Salomos 11, 21

4 Galileo Galilei, 'Il sagittario' um 1630
La filosofia è scritta in questo grandissimo libro, io dico l' universo... Egli è scritto in lingua matematica, ed i caratteri son triangoli, cerchi ed altre figure geometriche... Senza questi è un aggirarsi vanamente per un oscuro laberinto. Der Beginn der mathematischen Beschreibung der Wirklichkeit in der Neuzeit G. G

5 Isaac Newtons Gravitationsgesetz von 1687
Fg = G m1 m2 / r2 Philosophiae naturalis principia mathematica

6 Heinrich W. Olbers 1815: Warum ist es nachts überhaupt dunkel ?
Dunkel ist die Nacht, bei Gott ist Licht Goethe, West-Östlicher Divan

7 Das Paradoxon von Olbers
Die Zahl der Sterne nimmt mit r3 zu Ihr Licht nimmt nur mit 1/r2 ab → Wenn das Universum unendlich ist, und die Sterne "ewig" scheinen, muss jede Stelle des Himmels hell wie die Sonne sein r

8 Es kann nicht unendlich viele Sterne geben, die "ewig" da sind

9 Die Erde dreht sich...endgültig
Foucault-Pendel, seit 1850 im Pantheon in Paris ...eppur si muove. ...und sie bewegt sich doch. Galilei zugeschrieben

10 Die Welt wird einheitlich Spektralanalyse → "Fingerabdruck" der Elemente "Alphabet" des Universums
Fraunhofer entdeckt 1816 die Absorptionslinien der Sonne Kirchhoff und Bunsen entwickeln 1859 die Spektralanalyse Wär' nicht das Auge sonnenhaft, die Sonne könnt' es nie erblicken... Goethe, Zahme Xenien

11 Die Sterne kommen nach Heidelberg
Absorption ↔ Emission HD, Hauptstraße 52

12 Der Beginn der Quantenphysik am 6. Dezember 1900
Man lernt, Temperatur T und Geschwindigkeit der Sterne zu bestimmen Die Energie E eines Photons ist bestimmt durch seine Wellenlänge λ (Frequenz ν), das Plancksche Wirkungsquantum h und die Lichtgeschwindigkeit c : E = h c/λ = h ν λMax T = 0,29 [cm K] Max Planck verknüpft die Sterne mit den Atomen

13 Jede Energie im Universum ist ein
Max Planck 1858 – 1947 Begründer der Quantenphysik Jede Energie im Universum ist ein Vielfaches des "Wirkungsquantums h" x einer Frequenz h = 4,1 x [eV s] E (Photon) = h ν

14 Stefan und Boltzmann bestimmen die Leuchtkraft L der Sterne: L = 4 π σ R2 T4
R = km T = K L (Sonne) = Watt

15 Zusammensetzung und Temperatur neu entstehender Sterne
H2-Wolken im Sternbild Adler

16 'Eines der wichtigsten Probleme der Astronomie war und ist die
Entfernungsbestimmung Er hat euch die Gestirne gesetzt, als Leiter zu Land und See. Goethe, West-Östlicher Divan

17 Das Universum wird 100 000 -mal größer : 10 Lichtjahre
5 cm 10 km 3,26 Lichtjahre [ "1 parsec (pc)"] = Entfernung, aus der man den halben Durchmesser der Erdbahn (150 Millionen km) unter einem Winkel von einer "Bogensekunde" sieht • Erste Messung von Sternparallaxen (Wega) durch Bessel und Struve 1837

18 'Eichkerzen für noch viel größere Entfernungen
Wer stellt es ins Gestirn und gibt das Maß des Abstands? Rilke, IV. Duineser Elegie ☻ ☻ ☻ Henrietta Leavitt entdeckt 1908 die 'Delta - Cepheiden' : periodisch pulsierende Sterne mit bekannter Leuchtkraft

19 Edwin Hubble 1922 an 'seinem' 100-Zoll Teleskop
aaa Teleskope öffnen die Tiefen des Universums Edwin Hubble 1922 an 'seinem' 100-Zoll Teleskop auf dem Mount Wilson, Ca ...und der Himmel da oben, wie ist er so weit! W. Müller, F. Schubert, Die schöne Müllerin

20 Unsere Milchstraße ist nur ein Sandkorn
Hubble entdeckt 1920, dass der Andromedanebel M31 eine eigenständige Galaxis ist ..und sie wissen unendlich, alle die Sterne: denn wie, wie, wie sie vergessen! Rilke, VII. Duineser Elegie

21 Newtons Raum und Zeit Es gibt einen 'Weltmaßstab' Es gibt eine 'Weltzeit' Es gibt einen absoluten Raum und eine absolute Zeit, unabhängig von uns und unabhängig von dem, was "darin" ist Alex in Berlin Kant: Raum und Zeit sind unsere 'Anschauungsformen'

22 "Zeit ist, was man mit der Uhr misst" Einstein
...aber der Gang der Uhren hängt ab vom Bezugssystem

23 1905: Spezielle Relativitätstheorie
Der Gang einer Uhr bewegten Uhr ändert sich → Zeitdilatation, Längenkontraktion 'Gegenwart' ist relativ Die Lichtgeschwindigkeit ist immer gleich → unser 'Horizont' ist endlich E = mc2 Die Maßstäbe für Raum und Zeit werden abhängig vom Bezugssystem ...der fliegende Pfeil ruht. Zenon

24 als unsere Schulweisheit sich träumen lässt...
....es gibt mehr Myonen auf der Erde, als unsere Schulweisheit sich träumen lässt... (fast) Hamlet

25 1916 Allgemeine Relativitätstheorie: Raum und Zeit sind keine leeren 'Gefäße'
Rμν – 1/2 R gμν – Λ gμν = 8π G/c4 Tμν Materie und Energie erzeugen erst die Geometrie der Raumzeit

26 sie hat für uns einen 'Horizont'
Die Allgemeine Relativitätstheorie von 1916 verlangt die Invarianz der Naturgesetze in allen Bezugssystemen  die 'Metrik' der Raum-Zeit, d.h. die Geometrie des Raums und der Gang von Uhren ergibt sich aus der Verteilung von Masse und Energie; Licht wird von Materie abgelenkt.  die Zeit hängt von der jeweiligen Schwerkraft ab; für extreme Dichten 'hört sie auf' : 'Schwarzes Loch' bzw. 'Ereignishorizont'  die vierdimensionale Raumzeit ist endlich, aber grenzenlos sie hat für uns einen 'Horizont'

27 Kaus Borealis M21 σ Sgr M20 Trifidnebel M8 Lagunennebel δ = ', α = 18h 03m φ Sgr τ Sgr ζ Sgr δ Sgr ● Sgr A* δ = ' α = 17h 46m Lj. γ Sgr ε Sgr Kaus Australis, 145 Lj. δ = ', α = 18h 24m Im Zentrum der Milchstraße (Sternbild des Schützen = sagittarius, Sgr ) befindet sich bei Sgr A* ein riesiges Schwarzes Loch von etwa vier Millionen Sonnenmassen.

28 II Die Hinweise auf einen Anfang der Welt: 1
II Die Hinweise auf einen Anfang der Welt: 1. Hubbles Entdeckung der universellen 'Rotverschiebung' 1929 Wellenlänge λ Dopplereffekt λ' = λ (1 + v/c) (λ' – λ) / λ = v/c Spektrallinien sind rotverschoben proportional zur Geschwindigkeit 'von uns weg'

29 An diese Daten eine Gerade anzupassen, war sehr mutig
- oder genial – oder: "Scharlatan", "Ignorant", "Phantast", "Nikotinsüchtiger", "Alkoholiker im Delirium"...

30 Hubbles kühne Deutung 1929 : 1
Hubbles kühne Deutung 1929 : Man würde an jeder Stelle dasselbe beobachten 2. Der Raum (die Raumzeit) selbst dehnt sich aus Zweidimensionale Mathematiker könnten das Analoge auf einem Luftballon beobachten –aber nicht erklären, was die "dritte Dimension" ist

31 Expansionsgeschwindigkeit pro Entfernung = 'H'
eine 1 Million pc ( 1 Mpc) entfernte Galaxie bewegt sich mit 70 km/s von uns weg → H = "Hubblekonstante" = 70 km/ [s Mpc] lässt man den Ballon nun wieder gleichförmig "schrumpfen", dann ist die seit dem Beginn abgelaufene Zeit : TU = 1/H = 14 Milliarden J.

32 "Eigenbewegungen" : Erdrotation 300 m/s; Erde um Sonne 30 km/s; Sonne um Zentrum der Milchstraße 200 km/s; Milchstraße in Richtung Virgo 350 km/s Virgo-Haufen Man muss viele Millionen Lichtjahre weit weggehen, um die "kosmische Expansion" zu messen

33 1994 entdeckte W.L. Freedman mit dem Hubble-Teleskop 50 Millionen Lichtjahre entfernte Delta-Cepheiden in M100 Periode = 27 Tage – fache Leuchtkraft der Sonne

34 13,4 Milliarden Jahre H = 72 km/s pro Megaparsec
W.L. Freedman, Nature 371 (1994) 757 Aus der bekannten Leuchtkraft → Entfernung = 15 Megaparsec Aus der Rotverschiebung → Expansionsgeschwindigkeit = 1080 km/s H = 72 km/s pro Megaparsec 1/H = TU = Alter der Welt : 13,4 Milliarden Jahre Konstante Expansion vorausgesetzt M100 im Virgohaufen

35 II.2 Die Entdeckung der 3 Kelvin Hintergrundstrahlung 1963
Bei der Untersuchung der Milchstraße entdeckten Arno Penzias und Robert Wilson eine absolut gleichförmige, isotrope Strahlung im Mikrowellenbereich Physik-Nobelpreis 1978 Hornantenne

36 COBE – Cosmic Background Explorer
Far Infrared Absolute Spectrometer Diffuse Microwave Radiometer Flüssiges Helium 2 K = C 10. November 1989 NASA Goddard SFC

37 Das älteste "Photo" der Welt
Milchstraße rast Richtung Leo/Virgo mit ≈ 350 km/s: "Doppler-Effekt" ← Strahlung aus der Milchstraße rot = mehr als 1 Promille "heißer" blau = mehr als 1 Promille "kälter" als der Mittelwert von 2, 735 K

38 Mikrowellenstrahlung
Es gibt eine gleichförmige Mikrowellenstrahlung mit dem Maximum bei einer Wellenlänge von 1 mm Sie ist (nahezu) isotrop entspricht perfekt einem 'Schwarzen Strahler' mit T = 2,735 K ist dopplerverschoben in Richtung Leo/Virgo entsprechend der 'Reise' unserer Milchstraße mit 350 km/s

39 Physik - Nobelpreis 2006 für die "Väter" von COBE
John C. Mather NASA Goddard SFC (David T. Wilkinson Univ. of Princeton) George F. Smoot Univ. of Berkeley

40 1000-mal größer 1000-mal kleiner
Die Abkopplung von Strahlung und Materie bei ca K: Wasserstoffatome werden neutral Licht wird 'frei' Wellenlänge wird bis heute 1000-mal größer Temperatur wird 1000-mal kleiner Da schied Gott das Licht von der Finsternis und nannte das Licht 'Tag' und die Finsternis 'Nacht' Genesis 1,4

41 Die vor 13 Milliarden Jahren freigewordene Strahlung erreicht uns heute
• • • • • Das Universum ist heute tausendmal größer: Wellenlänge von mm → 1mm; Temperatur von 3000 K → 3 K

42 Lagrangepunkt L2: WMAP bleibt immer auf der Verbindunslinie
Erde-Sonne, d.h. er kreist synchron mit der Erde um die Sonne

43 Die heute erreichte Auflösung der 3K Strahlung (WMAP)
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (2001) am "Lagrangepunkt L2"

44 Die Messwerte WMAPs deuten auf ein 'flaches' Universum

45

46 III Vom Urknall bis heute – und von heute bis ??
Vor etwa 13,7 Milliarden Jahren war der "Anfang" (was war vorher ?) Das Universum ist unvorstellbar klein, dicht und heiß (die Physiker schweigen) Nach etwa s riesenhafte Ausdehnung von m auf 1025 m "Inflation"

47 Vom Anfang bis heute – im Zeitraffer
Zeit Temperatur Ereignisse < 10-5 s > K Quarks/Antiquarks, Strahlung < 100 s > K Primordiales Deuterium, Helium... 3 x 105 J K Neutrale Atome, 3 K-Strahlung frei 3 x 108 J K Erste Galaxien und Sterne Synthese der Elemente in den Sternen 9 x 109 J K Bildung unseres Sonnensystems 14 x 109 J K heute

48 Bildung eines Elektron –Positron -Paars durch ein
hochenergetisches Lichtquant Ungelöstes Rätsel: Warum gibt es uns überhaupt ? Warum wurden nicht alle Teilchen mit ihren Antiteilchen "zerstrahlt" ?

49 Friedmann-Lemaitre-Gleichungen
"Größe" des Universums gegen die Zeit seit dem "Anfang" für ein homogenes, isotropes Universum nach den Friedmann-Lemaitre-Gleichungen Bis 1998 galt das Standard Modell: 'Kritische' Massendichte Ωm abbremsende Expansion keine 'kosmologische Konstante' Alter des Universums (2/3 x1/H0) TU = Milliarden Jahre

50 2/3 der heutigen Größe hatte
Die 'Revolution' von 1998: Messung des Hubble-Parameters zu einer Zeit, als das Universum 2/3 der heutigen Größe hatte S. Perlmutter, Berkeley, B. Schmidt, B. Leibundgut, ESO

51 Fusion. Leuchtkraft und 'Lichtkurve' sind bekannt (?)
Wie findet man Milliarden von Lichtjahren entfernte Eichkerzen, die man noch sehen kann ?? Supernova Ia :ein 'weißer Zwerg' erreicht die kritische Masse für explosive Kohlenstoff- Fusion. Leuchtkraft und 'Lichtkurve' sind bekannt (?)

52 Vier verbundene 8,2-Meter-Spiegel
Die Augen der Unendlichkeit: auf der Suche nach den entferntesten Supernovae Ia : KECK und VLT Keck I/II des Caltech auf dem Mauna Kea in Hawaii Zwei 10-Meter-Spiegel Very Large Telescope der ESO auf dem Cerro Paranál in Chile : Vier verbundene 8,2-Meter-Spiegel

53 'kosmologische Konstante Λ'
Der Hubbleparameter bei a = 2/3 ist kleiner als er nach dem 'Standardmodell' (grün) sein sollte! Es gibt eine rätselhafte 'kosmologische Konstante Λ' ☻ 2/3

54 kosmologischen Konstanten
Das Universum ist 13,7 Milliarden Jahre alt 'flach' (euklidisch) expandiert immer schneller, getrieben von einer rätselhaften kosmologischen Konstanten (dunklen Energie)

55 Unsere Heimat aus einer Entfernung von einer Lichtsekunde
Apollo 17 am 7. Dezember 1972

56 Die Bedeutung der Erde im Universum
. 625 LS • 125 LS 25 LS 5 LS 1 LS 10 Milliarden Lichtjahre = x 625 LichtSekunden

57 Die Weltzeit ist ein Kind...'Mühle' spielend

58 Von unseren Grenzen Wir haben Zettel gefunden, auf denen das Kind einige seiner Züge aufgeschrieben hat und versuchen mühsam, die Handschrift zu entziffern... Wir wissen nicht, wer das Kind ist, woher es das Spiel bekommen hat und schon gar nicht, wer die Regeln dieses Spiels gemacht hat... Wir wissen nicht, ob es auch andere Spielregeln geben könnte... Wir wissen nicht, warum wir mit der (von uns erfundenen??) Mathematik die Wirklichkeit beschreiben können... Wir kennen nicht mehr als gerade 4% von dem, was 'ist' Wir wissen nicht, warum es eine Symmetrieverletzung zwischen Materie und Antimaterie gegeben hat (sonst gäbe es uns nicht) Wir wissen nicht, was vor dem 'Anfang' war und was nach dem 'Ende' sein wird