Enstehung unseres Universums. – Gab es einen Anfang?

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1 Enstehung unseres Universums. – Gab es einen Anfang?
Amand Fäßler Warum gibt es etwas? Warum gibt es nicht Nichts? Fing alles mit dem Urknall an ? Gab es ein Vorher? An was Glauben die Naturwissenschaftler?

2 Jede Kultur hat versucht die Welt einfach zu verstehen.
Anfang der Bibel: „Im Anfang schuf Gott…“ Empedokles (Agragas): ~ 450 v. Ch. 4 Elemente: Erde, Wasser, Luft, Feuer Kräfte: filia, neikoV Aristoteles (Athen): ~ 350 v. Ch. Äther = Quinta essentia Isaac Newton (London): ~ 1687 n. Ch. (Principia) Kräfte im Himmel = Kräfte auf der Erde Amand Fäßler, Universität Tübingen

3 Moderne Kosmologie: Drei Säulen
Mikrowellen- hintergrund Expansion des Univers. Bildung der leicht. Kerne 1964 1929 ~1980

4 1. Säule: Expansion unseres Universums:
Woher wissen wir dies?

5 Entdeckung der Expansion des Universums
H0 = H(t0) = 71 [km/sec Mpc] Entfernung [Mpc] 5

6 Unser Raum dehnt sich aus.

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9 Gemessene Helligkeit ~ wahre Helligkeit / Abstand2
Alle Supernovae Explosionen dieses Types ( Ia) gleich hell. Gemessene Helligkeit ~ wahre Helligkeit / Abstand2

10 Velocity(Red Shift) ~ distance{lum. standard candle})

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13 Was ist das und wie sagt dies etwas aus über die Natur des Universums?
2. Säule: Kosmische Mikrowellen- (im Maximum 2 mm) Hintergrundstrahlung. Was ist das und wie sagt dies etwas aus über die Natur des Universums?

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15 Verlangt „Inflationäre“ Expansion
2.726 Kelvin

16 Structure in the Universe
Earth: diameter = d = km Sun: distance = d = 150 Million km = 1 AU [Astro. Unit] Closest Star: Proxima Centauri 4.1 light years Diameter of our Galaxy light years = [psec] Closest Galaxy: Andromeda 2.5 Million Light Years Distance to the COMA cluster ( 104 Galaxies) = 100 [Mpsec] Averaged over 100 Mpsec: smooth (Cosmol. Principle)

17 CMBR anisotropies were detected by Conklin (1969) and Henry (1971)
Entirely due to earth motion relative to the CMBR rest frame (600 km/s)

18 Temperatur-Fluktuationen der Kosmischen Mikrow
Temperatur-Fluktuationen der Kosmischen Mikrow.-Hintergrundes 1/ (2002)

19 Krümmung des Universums
Ausdehnung bekannt Krümmung des Universums x x x

20 Anisotropie und Krümmung
Beobachtete Fluktuationen Schluß: Das Universum ist flach !

21 W0 + WL = 1 Accelerated: q0 < 0 Dark Energy Density WL versus Matter + Dark Matter Density W0 in Units of the critical density W0 =1.

22 W0 + WL = 1 Accelerated: q0 < 0 Dark Energy Density WL versus Matter + Dark Matter Density W0 in Units of the critical density W0 =1.

23 Expansion des Universums: Entfernte rote Galaxien
Unabhängige Entfernungsmessung gesucht Beobachter

24 Klar definierte Masse bei Zündung
Supernova Typ Ia Weißer Zwerg in Nachbarschaft von Riesenstern Alle Ia haben gleiche Leuchtkraft Klar definierte Masse bei Zündung

25 Standardkerzen Supernovae Ia haben alle die gleiche Leuchtkraft
Von der beobachteten Helligkeit kann man auf die Entfernung schließen Der Vergleich mit der Rotverschiebung der umgebenden Galaxie erlaubt Schluß auf Expansion zum Zeitpunkt der Explosion

26 Helligkeitsvertlg als Fkt Rotversch.

27 Urknall = Big Bang Abstände ( Zeit) Zeit Skalenfaktor a(t)
Anstieg der Geraden = H(z=0) Skalenfaktor a(t) Abstände ( Zeit) Dl/l = z = v/c = H(z) d(Abstand) d = z/H(z) Zeit Heute = now; z= 0

28 Relative Abstände im Universum als Funktion der Zeit mit verschiedener Materiedichte und Anteil der Dunklen Energie. Accelerating Expansion Dunkle Materie + Dunkle Energie Relative Größe des Universums d = z/H(z) Contracting Universe heute Miliarden Jahre

29 Diese Fakten verlangen:
Materie 30 % der Energiedichte des Universums ( Energie = Masse * c2 ). Davon leuchtende Materie (Sterne) ~ 0,5 % von total. Von den 30% sind nur 4% bekannte Materie relativ zu total. Unbekannte (Dunkle) Materie ~ 26 % Was ist dies ? Was sind die restlichen ~ 70 % ? (Dunkle Energie) Energiedichte = Massendichte * c2 Das Universum ist etwa 13 bis 14 Milliarden Jahre alt. Wir wissen nicht was zu ~ 96 % unser Universum füllt.

30 Dunkle Materie ? Coma-Haufen 300 Millionen Lichtjahre
Im sichbaren Licht Glaxien Im Röntgenlicht 95% der Masse des Coma-Haufens ist eine Gaswolke

31 Dunkle Materie im Coma-Haufen
Im Röntgenlicht Im sichtbaren Licht Galaxien 300 Millionen Lichtjahre entfernt 95 % der Masse in Plasmagaswolke Dunkle Materie ? Masse der Gaswolke reicht nicht, den Zusammenhalt der Galaxien zu erklären.

32 Coma-Haufen Im Röntgenlicht Im sichtbaren Licht Dunkle Materie ? Masse der Gaswolke reicht nicht, die Bewegung der Galaxien zu erklären.

33 Was kompensiert die Zentrifugalkraft ?
Rotation von Galaxien Dunkle Materie ? Was kompensiert die Zentrifugalkraft ? Faktum erwartet

34 Helle und Dunkle Materie
Es gibt etwa 7 mal mehr dunkle Materie als helle

35 Was kompensiert die Zentrifugalkraft ?
Rotation von Galaxien Dunkle Materie ? Was kompensiert die Zentrifugalkraft ? Faktum erwartet

36 Keplersche Gesetze der Planeten-bewegung
Der Leitstrahl zum Planeten durchläuft in gleichen Zeiten gleiche Flächen Keplersche Gesetze der Planeten-bewegung

37 Rotation von Galaxien keine gute Beschreibung ohne Annahme eines Halos
Dunkle Materie ? keine gute Beschreibung ohne Annahme eines Halos

38 Einstein Ringe Gravitations-Mikrolinsen-Effekt

39 Einsteins persönlicher Ring
mit Schwarzem Loch vor dem Mund

40 Gravitationslinsen durch dunkle Materie ?
Große und konzentrierte Massenansammlungen wirken auf Licht wie Linsen Sichtbare Materie reicht oft nicht aus, um Linseneffekt zu erzeugen

41 Sie möchten einen direkten Beweis für Dunkle Materie ? Ich werde
Ihnen einen direkten Beweis geben! A direct proof for dark matter ?

42 2006 : Kollision eines kleinen und eines großen Galaxienhaufens im Ablauf von 2 Millionen Jahren von links nach rechts Dunkle u. helle Materie Helle Materie

43 Erster direkter Nachweis für Dunkle Materie.
Kollision zweier Galaxien im Röntgenlicht (rosa) und mit Gravitationslinseneffekt (blau). Erster direkter Nachweis für Dunkle Materie.

44 z=1 Formierung von Galaxienhaufen
Computer Simulation mit heller und dunkler Materie Formierung von Galaxienhaufen

45 Diese bobachtete Verteilung der Galaxien nur mit sechs bis siebenfacher Dunkler Materie.
Galaxien erscheinen vorzugsweise entlang der Filamente orientiert Beobachtete Verteilung der Galaxien. Konzentriert längs Filamente.

46 70 % 26 %

47 Ausdehnung des Universums relativ zu heute
rrad ~ 1/a rM ~ 1/a rL ~ const. log(r) Nukleosynth. < aeq aeq < Entkopplung < present aeq log Dichte rM present rR rL -4 -3 log(a) 1/10 000 1/1000 1 Ausdehnung des Universums relativ zu heute

48 Urknall = Big Bang Abstände ( Zeit) Zeit Skalenfaktor a(t)
Anstieg = H(z=0) = 71 [km/(sec*Mpc)] Skalenfaktor a(t) Abstände ( Zeit) Dl/l = z = v/c = H(z) * d(Abstand) d = z/H(z) Zeit Heute = now; z = 0

49 Accelerating Expansion
d = z/H(z) Contracting Universe

50 Dunkle Energie beträgt 70 % des Gewichts des Universums
Was ist dies? Vakuumenergie? Kurzfristige Teilchen-Antiteilchen-Erzeugung aus dem Nichts?

51 Einsteins größte „Eselei“
Von Einstein, Berlin, an Weyl, ETH Zürich. [Bei] De Sitter laufen zwei genügend voneinander entfernte materielle Punkte beschleunigt auseinander. Wenn schon keine quasi-statische Welt, dann fort mit dem kosmologischen Glied. Seien Sie herzlich gegrüsst von Ihrem A.Einstein

52 3. Säule: Bildung der leichten Atomkerne im Urknall

53 Bildung der leichten Atomkerne im Urknall
Man beobachtet in alten Sternen 75 % Wasserstoff (Protonen) 25 % Heliumatomkerne ( zwei Protonen und zwei Neutronen ).

54 400 Sekunden nach Urknall: 1 Milliarden Grad; Kerne stabil
t = 886 sec Da Neutronen schwerer als Protonen, erhält man mehr Protonen: (Zahl der Protonen zu Neutronen) = 7 : 1 Bei 1 Milliarden Grad Bildung von Deuterium (pn)

55 400 Sekunden nach Urknall: 1 Milliarden Grad; Kerne stabil
Da Neutronen schwerer als Protonen: Zahl(Protonen) : Zahl( Neutronen) = 7 : 1 Bei 1 Milliarden Grad (100 keV): Bildung von Deuterium (pn) -> Helium(2p, 2n)

56 N(Protonen) : N(Neutronen) = 7 : 1
Nach „Ausfrieren“ zerfällt das Neutron und bei 1 Milliarde Grad und 400 sec nach Urknall Bildung von Deuteronen. t = 886 sec Verhältnis Protonen zu Neutronen nach freiem Zerfall. Bei Bildung der Deuteronen (pn) und Helium4kernen (ppnn): N(Protonen) : N(Neutronen) = 7 : 1

57 Massen-Häufigkeit der leichten Elemente nach dem Urknall
Wasserstoff (p) ~ 0.75 Helium4 (ppnn) ~ 0.25 Deuterium (pn) ~ 4*10-5 Helium3 (ppn) ~ 1*10-5 Lithium7(pppnnnn) ~ 3*10-10

58

59 Anteil der leichten Kerne nach Urknallsynthese
= 0.5 W b Anteil der leichten Kerne nach Urknallsynthese als Funktion der heutigen Dichte 5* der Nukleonen zu den Photonen .

60 4*105 J

61 Zusammenfassung: Die Kosmologie ist auf einem hohen Niveau
des Nichtwissens: Wir kennen nur 4 % der Energiedichte im Universum. 26 % der Dichte des Universums sind unbekannte Dunkle Materie. 70 % der Dichte des Universums sind Dunkle Energie (mit Druck zur Expansion).

62 Offene Fragen: Was bewirkt die Inflationäre Expansion, die
im ganzen Universum die gleiche Temperatur sicher stellt? Was war vor dem Urknall? Kaotisches Ur-Universum? Phasenübergang mit ungeheuerem Energiegewinn? Ist dies mehrmals passiert? Gibt es mehrere Parallel-Universa?

63 Naturwissenschaftler?
An was glauben die Naturwissenschaftler? Dass alles Naturgesetzen folgt. Es wurden noch nie unter Labor- bedingungen Wunder nachgewiesen. (Sind vielleicht im Labor prinzipiell nicht nachzuweisen.) Wir glauben nicht an „Intelligent Design“. Wir können weder die Existenz noch die Nicht-Existenz Gottes beweisen. ENDE