Die Geometrie unseres Universums...

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1 Die Geometrie unseres Universums...
...und die Probleme des Standardmodells Franz Embacher Institut für Theoretische Physik Universität Wien Vortrag am GRG 1 Stubenbastei 20. Dezember 2005

2 Andromeda-Nebel M31 mit M32 und M110

3 HST Deep Field

4 Größenordnungen im heutigen Universum
Objekt(e) Echte Größenordnung Maßstab 1 : 3.09× Mpc º 1 mm Radius der Milchstraße 0.03 Mpc 0.03 mm Dicke der Milchstraße 0.005 Mpc 0.005 mm Radius der Milchstraße inklusive Halo 0.1 Mpc 0.1 mm Radius der meisten Galaxien Mpc mm typischer Abstand zweier Galaxien 1 Mpc 1 mm Radius eines Galaxienhaufens (Cluster, ca 1000 Galaxien) 5 Mpc 5 mm typischer Abstand zweier Galaxienhaufen 50 Mpc 5 cm Radius eines Superhaufens 100 Mpc 10 cm Radius eines Leerraums (Void, größte beobachtete Strukturen) 200 Mpc 20 cm Radius des sichtbaren Universums 3000 Mpc 3 m Größenordnungen im heutigen Universum 1 Mpc = 1 Megaparsec = 3.26 Millionen Lichtjahre

5 Allgemeine Relativitätstheorie
„Materie krümmt den Raum“ Materiedichte und Druck krümmen die Raumzeit („Friedmann-Gleichung“) Die Rolle des Drucks (und der „Zustandsgleichung“) der Materie ist wichtig für die Kosmologie. Die ART sagt für gewöhnliche Materie eine Expansion des Universums voraus.

6 Krümmung = Verletzung der Gesetze der euklidischen Geometrie
Was ist Krümmung? Krümmung = Verletzung der Gesetze der euklidischen Geometrie

7 HST – Einstein-Ring  Lichtablenkung 1

8 Geometrie des Universums
Luftballon und Backofen Ist das Universum offen oder geschlossen? Zusammenhang zwischen Geometrie und Dichte Wie alt ist das Universum?

9 Luftballon und Backofen

10 Offen oder geschlossen?
Zusammenhang zwischen Geometrie und Dichte: H offen („negativ gekrümmt“) Dichte < kritische Dichte Dichte = kritische Dichte (kritischer Grenzfall) offen („flach“) geschlossen („positiv gekrümmt“) Dichte > kritische Dichte

11 Offen oder geschlossen?
Für ein materiedominiertes Universum: Zusammenhang mit der Zeitentwicklung: expandiert ewig expandiert ewig (kritischer Grenzfall) rekollabiert („Big Crunch“)

12 Wie alt ist das Universum?
Aktueller Wert: t = Milliarden Jahre

13 Probleme des Standardmodells
Der Urknall Kosmologischer Horizont Horizontenproblem Flachheitsproblem Dunkle Materie und dunkle Energie Kosmologische Konstante?

14 Der Urknall als Singularität
Ende (Anfang) von Raum und Zeit „Vor“ dem Urknall „gab“ es weder Raum noch Zeit Dichte und Druck  unendlich

15 Wo fand der Urknall statt?

16 Kosmologischer Horizont

17 Horizontenproblem Wie ist die Isotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung möglich?

18 Horizontenproblem

19 Wieso ist die heutige Dichte so nahe an der kritischen Dichte?
Flachheitsproblem Wieso ist die heutige Dichte so nahe an der kritischen Dichte? Beobachtungen und Theorie: Dichte = zwischen 0.1 und 1 mal der kritischen Dichte Zusammenhang zwischen Dichte und Geometrie  das Universum ist nahe an der „kritischen Grenze“ zwischen offen und geschlossen. Vermutung: Dichte = kritische Dichte

20 Flachheitsproblem „fine tuning“ 3 Modelle: Dichten 1 Nanosekunde nach dem Urknall

21 Dunkle Materie und dunkle Energie
Galaxienrotation Nukleosynthese Wir sehen nur einige Prozent der (baryonischen und nicht-baryonischen) Materie, die es geben muss. Baryonische Materie trägt nur zu etwa 2 % zum Energieinhalts des Universums bei.

22 Dunkle Materie und dunkle Energie
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

23 Kosmologische Konstante?
Einsteins „größte Eselei“ Vakuumenergie, negativer Druck Entfernung-Rotverschiebungs-Messungen an Typ Ia Supernovae  Abweichung vom Hubble-Gesetz, beschleunigte Expansion? Kosmologische Konstante, dunkle Energie? Ist das Universum heute materiedominiert oder dominiert von dunkler Energie?

24 Kosmologische Konstante?

25 Wie wird sich das Universum weiterentwickeln?
Zur Zeit scheint es beschleunigt zu expandieren.

26 Das inflationäre Universum
Exponentielle Expansion („inflationäre Phase“) im sehr frühen Universum Lösung des Flachheitsproblems Lösung des Horizontenproblems

27 Lösung des Flachheitsproblems
Dichte  kritische Dichte

28 Lösung des Horizontenproblems

29 Quantentheorie und Quantengravitation
Wie kamen Strukturen zustande, wenn der Urknall isotrop war?  Quantenfluktuationen Anisotropie der Hintergrundstrahlung Galaxienverteilung Quantengravitation: Entstehung des Universum aus dem Nichts?

30 Anisotropie der Hintergrundstrahlung
DT -6 = T COBE, 1992

31 Anisotropie der Hintergrundstrahlung
DT -6 = T WMAP, 2003

32 Galaxienverteilung

33 Galaxienverteilung

34 Quantengravitation: Entstehung des Universums...
...aus dem Nichts? Tunneleffekt: Entstehung des Universums:

35 Das anthropische Prinzip
Sind die Naturkonstanten konstant? Symmetriebrechung Verschiedenartige Bereiche eines sehr großen Universums?  Anthropisches Prinzip: Der von uns bewohnte Bereich des Universum ist bewohnbar, da wir ihn ansonsten nicht beobachten könnten. Erklärung für die Werte der Naturkonstanten? „Test“: An den Naturkonstanten „schrauben“

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