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Und es werde Licht Die kosmische Hintergrundstrahlung.

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Präsentation zum Thema: "Und es werde Licht Die kosmische Hintergrundstrahlung."—  Präsentation transkript:

1 Und es werde Licht Die kosmische Hintergrundstrahlung

2 Vermessung der Hintergrundstrahlung COBE Planck WMAP

3 Planck

4 Foto des Urknalls COBE

5 WMAP

6 Planck

7 Was sehen wir ? Zustand des Universums ca Jahre nach dem Urknall Zustand des Universums ca Jahre nach dem Urknall Fluktuationen eines heißen Plasmas Fluktuationen eines heißen Plasmas

8 Plasma Atome undurchsichtig undurchsichtig wie im Innern der Sonne durchsichtig Weltall heute

9 Was ist Licht ? Welle – Teilchen – Dualität Welle – Teilchen – Dualität Licht-Teilchen : Photonen Licht-Teilchen : Photonen Ohne Behinderung : auf (fast) geraden Bahnen: Lichtstrahlen Ohne Behinderung : auf (fast) geraden Bahnen: Lichtstrahlen Photonen können gestreut werden, oder absorbiert und emittiert werden Photonen können gestreut werden, oder absorbiert und emittiert werden

10 Photon – Streuung in Wolke oder Plasma undurchsichtig !

11 Kann man in die Sonne hineinschauen ? nur Oberfläche der Sonne sichtbar, obwohl viel elektromagnetische Strahlung im Innern !

12 Bilder nur in durchsichtigem Medium möglich Frühes Universum bis zu Jahre nach Urknall ( abb : after big bang ): Elektronen und Atomkerne getrennt, häufige Streuung der Photonen, undurchsichtig Frühes Universum bis zu Jahre nach Urknall ( abb : after big bang ): Elektronen und Atomkerne getrennt, häufige Streuung der Photonen, undurchsichtig Spätes Universum ab Jahre abb : Elektronen und Atomkerne zu elektrisch neutralen Atomen kombiniert, nur sehr seltene Streuung der Photonen, durchsichtig, Lichtstrahlen Spätes Universum ab Jahre abb : Elektronen und Atomkerne zu elektrisch neutralen Atomen kombiniert, nur sehr seltene Streuung der Photonen, durchsichtig, Lichtstrahlen

13 Was sehen wir ? Zustand des Universums ca Jahre nach dem Urknall Zustand des Universums ca Jahre nach dem Urknall Űbergang von Plasma zu Atomen ( Die Wolke löst sich auf.) Űbergang von Plasma zu Atomen ( Die Wolke löst sich auf.)

14 Bedeutung der Bilder für Urknall - Theorie Lösung der Einsteinschen Gravitationsgleichungen sagt heißes Plasma im frühen Universum voraus Lösung der Einsteinschen Gravitationsgleichungen sagt heißes Plasma im frühen Universum voraus Beobachtung des Plasmas : entscheidender Test des Urknalls Beobachtung des Plasmas : entscheidender Test des Urknalls

15

16 Gravitation regiert die Welt Einsteins Gleichungen leicht gemacht C. Wetterich, Mainz 27.5.

17 Expansion des Universums Hmm ?

18 Expansion des Universums Der Raum zwischen den Galaxienhaufen dehnt sich aus. Der Raum zwischen den Galaxienhaufen dehnt sich aus. Früher war das Universum dichter, Früher war das Universum dichter, … und heißer. … und heißer. Zurückverfolgung der Einsteinschen kosmologischen Gleichungen : Zurückverfolgung der Einsteinschen kosmologischen Gleichungen : Urknall, extrem heißer Feuerball ! Urknall, extrem heißer Feuerball ! Bis ca Jahre nach dem Urknall : heißes Plasma aus Protonen, Elektronen und Strahlung Bis ca Jahre nach dem Urknall : heißes Plasma aus Protonen, Elektronen und Strahlung

19

20 Entwicklung des Universums Milliarden Jahre abb NASA

21 Feuerball heißes Plasma heißes Plasma Elektronen und Kerne oder Kernbestandteile getrennt Elektronen und Kerne oder Kernbestandteile getrennt viel heißer und dichter als die Sonne viel heißer und dichter als die Sonne undurchsichtig undurchsichtig Licht wird fortdauernd gestreut Licht wird fortdauernd gestreut Universum kühlt ab Universum kühlt ab Ende nach Jahren Ende nach Jahren

22 Kosmische Hintergrundstahlung Jahre abb ist Universum genug abgekühlt, so dass sich neutrale Atome bilden können Jahre abb ist Universum genug abgekühlt, so dass sich neutrale Atome bilden können. Universum wird durchsichtig Universum wird durchsichtig Vergleich : Wolke löst sich auf Vergleich : Wolke löst sich auf Fiat lux ! Und es werde Licht !

23 Schnappschuß des Universums, direkt bevor sich die Atome gebildet haben

24 Einfachkeit des frühen Universums: Fluktuierendes Plasma im Temperaturgleichgewicht Planck – Spektrum ( COBE ) Quantenmechanik auf astronomischen Skalen

25 (1) Kosmische Hintergrundstrahlung bestätigt Urknall- Theorie: Plasma im frühen Universum

26 Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

27 Fluktuationen in der Temperatur der Hintergrundstrahlung

28 Strukturbildung Aus winzigen Anisotropien wachsen die Strukturen des Universums Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen

29 Millenium simulation, VIRGO project Simulationen im Computer : Verteilung der Dunklen Materie im Universum

30 t = 1 Milliarde Jahre ( z =5.7 )

31 t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 )

32 Kosmische Strukturbildung im Grossrechner Simon White, Mainz, 1.7.

33 Fluktuationen als Keime für Entstehung der kosmischen Strukturen nötig

34 Foto des Urknalls als sich die Atome bildeten : ca Jahre abb

35 Bild einer Kugeloberfläche von innen winzige Temperatur-schwankungen der Hintergrundstrahlung

36 (2) Anisotropie der Hintergrundstrahlung: Keime der kosmischen Strukturen

37 Vermessung des Universums : Woraus besteht das Universum ?

38 Energiedichte Energiedichte = Energie/Volumen Energiedichte = Energie/Volumen Energie = Masse ( E=mc 2, c=1 ) Energie = Masse ( E=mc 2, c=1 ) Einheit : kritische Energiedichte Einheit : kritische Energiedichte Symbol für Energiedichte : ρ Symbol für Energiedichte : ρ

39 Kritische Dichte ρ c =3 H² M² ρ c =3 H² M² Kritische Energiedichte des Universums Kritische Energiedichte des Universums ( M : reduzierte Planck-Masse, M -2 =8 π G ; ( M : reduzierte Planck-Masse, M -2 =8 π G ; H : Hubble Parameter ) H : Hubble Parameter ) Ω b =ρ b /ρ c Ω b =ρ b /ρ c Anteil der Atome ( Baryonen ) an der (kritischen) Energiedichte Anteil der Atome ( Baryonen ) an der (kritischen) Energiedichte

40 Kritische Dichte Ω tot bestimmt die Geometrie des Universums : kann vermessen werden Ω tot =1 flaches Universum Ω tot >1 Geometrie wie Kugeloberfläche Ω tot <1 hyperbolische Geometrie

41 Kritische Dichte Ω tot =1 flaches Universum Ω tot >1 Kugeloberfläche Ω tot <1 hyperbolischeGeometrie

42 gekrümmte Bahnen der Lichtstrahlen

43 Zur Vermessung der Geometrie: charakteristischer Abstand ( Lineal) und Winkel Abstand : Größe des Horizonts zum Zeitpunkt der Emission der Hintergrundstrahlung : berechenbar aus Einstein Gleichung Abstand : Größe des Horizonts zum Zeitpunkt der Emission der Hintergrundstrahlung : berechenbar aus Einstein Gleichung ( Horizont : Wie weit Signale sich seit dem Urknall ausbreiten konnten ) ( Horizont : Wie weit Signale sich seit dem Urknall ausbreiten konnten ) Winkel : aus beobachteten Anisotropien Winkel : aus beobachteten Anisotropien

44 Anisotropie der Hintergrundstahlung : Fleckengröße

45 Stärke der Temperaturschwankung in Abhängigkeit von Fleckengröße ( im Winkel ) ca 1 Grad ca 10 Grad Kontrast Winkel

46 Schallwellen im frühen Universum Längeberechen-bar

47 Schallwellen im Plasma ca 1 Grad ca 10 Grad

48 Ω tot =1

49 Räumlich flaches Universum Ω tot = 1 Ω tot =0.25 Ω tot = 1

50 (3) Vermessung des Universums: Räumliche Geometrie ist nicht gekrümmt.

51 Zusammensetzung des Universums

52 Frequenzpektrum der Musikinstrumente gibt Details über Eigenschaften des Instruments

53 Winkelspektrum der Hintergrundstahlung gibt Details über Eigenschaften des Universums

54 Zusammensetzung des Universums Atome : 5 % Atome : 5 % Dunkle Materie : 25 % Dunkle Materie : 25 % Dunkle Energie : 70 % Dunkle Energie : 70 %

55 Anteil Atome

56 Bestimmung kosmologischer Parameter ( Planck ) Ω tot =0.999 ±0.006 Materie : Ω m =0.31±0.01 Atome : Ω b =0.048±0.005 Dunkle Materie : Ω dm =0.26±0.01 Dunkle Energie : Ω de =0.69 ±0.01 Alter =13.80±0.05 Milliarden Jahre

57 Nukleosynthese Eine Sekunde nach dem Urknall war das Universum so heiß, dass keine Atomkerne existieren konnten. Eine Sekunde nach dem Urknall war das Universum so heiß, dass keine Atomkerne existieren konnten. nur Protonen, Neutronen nur Protonen, Neutronen bei Abkühlung : Entstehung der leichten Atomkerne bei Abkühlung : Entstehung der leichten Atomkerne Beginn der Chemie Beginn der Chemie Chemie stimmt, wenn Atome 5% der kritische n Energiedichte des Universums ausmachen. Chemie stimmt, wenn Atome 5% der kritische n Energiedichte des Universums ausmachen.

58 Nukleosynthese

59 Signale des Urknalls Hintergrundstrahlung Hintergrundstrahlung Es werde Licht ! Es werde Licht ! ( Fiat lux ) ( Jahre abb) ( Fiat lux ) ( Jahre abb) Primordiale Elementsynthese (Nukleosynthese) Primordiale Elementsynthese (Nukleosynthese) Beginn der Chemie ( 10 Minuten abb ) Beginn der Chemie ( 10 Minuten abb ) Űbereinstimmung ! Űbereinstimmung ! abb : after big bang

60 Nur 5% des Universums bestehen aus Atomen : bekannt von Hintergrundstahlung Nukleosynthese Jahre abb Atomphysik 10 Minuten abb Kernphysik

61 Materie : Alles, was klumpt

62 Dunkle Materie Anteil der Materie insgesamt : 30 % Anteil der Materie insgesamt : 30 % Die meiste Materie ist dunkel ! Die meiste Materie ist dunkel ! Bisher nur durch Gravitation spürbar Bisher nur durch Gravitation spürbar Alles was klumpt! Gravitationspotential Alles was klumpt! Gravitationspotential

63 Dunkle Energie : homogen verteilt (4) Das Universum besteht zu 70% aus Dunker Energie

64 Dunkle Energie – ein kosmisches Rätsel C.Wetterich, Mainz 13.5.

65 Statistische Verteilung von Fluktuationen : viele unabhängige Messungen Präzisions - Kosmologie

66 Korrelations-Funktion

67 (5) Probabilistisches Universum erlaubt Präzisions-Kosmologie

68 Woher kommen die Temperatur - Fluktuationen ? Planck

69 Inflationäres Universum Ca Sekunden abb Ca Sekunden abb Entstehung der primordialen Fluktuationen Entstehung der primordialen Fluktuationen aus Quantenfluktuationen aus Quantenfluktuationen Signale vom Urknall ! Signale vom Urknall !

70 Quantenfluktuationen in der Anfangsphase des Universums werden heute beobachtbar !

71 Vorhersagen der Inflation Universum hat kritische Dichte Universum hat kritische Dichte Quantenfluktuationen aus der Zeit der Inflation werden zu Schallwellen zum Zeitpunkt der Entstehung der kosmischen Hintergrundstrahlung Quantenfluktuationen aus der Zeit der Inflation werden zu Schallwellen zum Zeitpunkt der Entstehung der kosmischen Hintergrundstrahlung Primordiale Gravitationswellen : vielleicht gefunden ! (BICEP) Primordiale Gravitationswellen : vielleicht gefunden ! (BICEP)

72 Der Urknall Wie unser Universum aus fast nichts entstand C. Wetterich, Mainz, 24.6.

73 (6) Beobachtung der Anisotropien der kosmischen Hintergrundsstrahlung testen Modelle der inflationären Kosmologie unmittelbar am Urknall

74 Zusammenfassung

75 (1) Kosmische Hintergrundstrahlung bestätigt Urknall- Theorie: Plasma im frühen Universum

76 (2) Anisotropie der Hintergrundstrahlung: Keime der kosmischen Strukturen

77 (3) Vermessung des Universums: Räumliche Geometrie ist nicht gekrümmt.

78 Dunkle Energie : homogen verteilt (4) Das Universum besteht zu 70% aus Dunker Energie

79 (5) Probabilistisches Universum erlaubt Präzisions-Kosmologie

80 (6) Beobachtung der Anisotropien der kosmischen Hintergrundsstrahlung testen Modelle der inflationären Kosmologie unmittelbar am Urknall

81 end

82 Mittelwerte WMAP 2003 Ω tot =1.02 Ω m =0.27 Ω b =0.045 Ω dm =0.225 Bestimmung kosmologischer Parameter ca 1 Grad ca 10 Grad


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