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Kosmologie heute Vikariats-Regionalseminare Enkirch und Nord 30. Sept. 2004 K. Goeke, Ruhr-Universität Bochum.

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Präsentation zum Thema: "Kosmologie heute Vikariats-Regionalseminare Enkirch und Nord 30. Sept. 2004 K. Goeke, Ruhr-Universität Bochum."—  Präsentation transkript:

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2 Kosmologie heute Vikariats-Regionalseminare Enkirch und Nord 30. Sept K. Goeke, Ruhr-Universität Bochum

3 Inhalt Galaxien, Galaxiengruppen Expansion des Universums Mikrowellenhintergrund Urknall (Big Bang) Dunkle Materie Frühe Phasen des Universums Spuren der frühen Phasen heute

4 Kosmische Entfernungen Mio Lj

5 Kosmische Entfernungen 2

6 Kosmische Entfernungen 3

7 Kollision

8 Kosmische Entfernungen 4

9 Kosmische Entfernungen 5 Strukturen: Wie kamen sie zustande ?

10 Inhalt Galaxien, Galaxiengruppen Expansion des Universums Mikrowellenhintergrund Urknall (Big Bang) Dunkle Materie Frühe Phasen des Universums Spuren der frühen Phasen heute

11 Expansion des Universums Wellenlänge des Lichts expandiert mit dem Universum Temperatur des Universums nimmt mit der Expansion ab

12 Expansion Jeder Beobachter hat den Eindruck, alle anderen Beobachter würden sich von ihm entfernen. Kein Punkt ausgezeichnet vor anderen.

13 Entfernte Galaxien

14 Messungen: Hubble-Parameter

15 Zukunft des Universums festgelegt durch Krümmung Vergangenheit: Urknall - Big Bang

16 Krümmung des Universums Gauss, 1818: Messung der Winkelsumme im Dreieck Brocken-Inselsberg-Göttingen heute Glaubte man früher

17 Inhalt Galaxien, Galaxiengruppen Expansion des Universums Mikrowellenhintergrund Urknall (Big Bang) Dunkle Materie Frühe Phasen des Universums Spuren der frühen Phasen heute

18 Penzias und Wilson

19 Schwarzer Körper Photonen und Atome stehen permanent in starker Wechselwirkung Thermisches Gleichgewicht zwischen Strahlung und Atomen Temperatur von Ofen und Strahlung gleich spezielle Strahlung Intensitätsverteilung der Frequenzen (Energien, Wellenlängen) der Strahlung im Inneren des Schwarzen Körpers hängt nur von der Temperatur und nicht vom strahlenden Material ab.

20 Schwarzer Körper vs. Universum Verteilung der Strahlung über Frequenzen (Energieverteilung) hängt nur von der Temperatur ab. Messung der Temperatur Universum ist erfüllt von einer Schwarz- körperstrahlung Messung der Frequenzen und ihrer Intensitäten

21 Mikrowellenhintergrundstrahlung Strahlung ist die eines Schwarzen Körpers T =

22 Mikrowellen: Mikrowellen aus dem Mikrowellen-Herd haben eine andere Energieverteilung über die Frequenzen als die kosmische Hintergrundstrahlung.

23 Isotropie der Hintergrundstrahlung Durchbruch für Urknall-Theorie

24 Inhalt Galaxien, Galaxiengruppen Expansion des Universums Mikrowellenhintergrund Urknall (Big Bang) Dunkle Materie Frühe Phasen des Universums Spuren der frühen Phasen heute

25 Expansion des Universums Wellenlänge des Lichts expandiert mit dem Universum Temperatur des Universums nimmt mit der Expansion ab

26 Big Bang Zeit Presse Universum zusammen und schraube Temperatur hoch, Mikrowellen werden kurzwelliger und damit energiereicher heute Urknall

27 Aufbruch der Atome Photonen von 3 Kelvin sind nicht energiereich genug, um Wasserstoff zu ionisieren. Photonen von 3000 Kelvin sind energiereich genug, um Wasserstoff zu ionisieren.

28 3000 K Aufbrechen der Atome H- und He- Atome und Photonen Freie Atomkerne und Elektronen und Photonen Temperatur

29 10 10 K Aufbrechen der Atomkerne Temperatur Atomkerne und Photonen Freie Nukleonen (Protonen und Neutronen) und Photonen

30 10 12 K Aufbrechen der Nukleonen Nukleonen und Photonen Freie Quarks und Gluonen und Photonen Temperatur

31 Strahlung Materie Strahlung erzeugt Teilchen- Antiteilchen-Paare Teilchen- Antiteilchen-Paare vernichten sich zu Strahlung

32 Geschichte des Universums

33 Inhalt Galaxien, Galaxiengruppen Expansion des Universums Mikrowellenhintergrund Urknall (Big Bang) Dunkle Materie Frühe Phasen des Universums Spuren der frühen Phasen heute

34 Masse im Universum Mehr oder weniger gesichert

35 Rotation von Galaxien Starre Rotation Differentielle Rotation

36 Halo aus dunkler Materie

37 Heisses Gas Dunkle Materie NGC 720 Die sichtbare Materie reicht nicht aus Die heisse Gaswolke gravitativ zu- Sammenzuhalten NGC 2300 Die Röntgenemission der NGC 2300 Gruppe beweist, daß es Dunkle Materie auch zwischen die Galaxien gibt. Gäbe es keine Dunkle Materie zwischen den Galaxien, wäre es unmöglich, das heiße, röntgenstrahlende Gas zwischen den Galaxien für lange Zeit zu halten, wir könnten es daher nicht beobachten. Teilchen der dunklen Materie noch unbekannt Vermutungen LHC

38 Inhalt Galaxien, Galaxiengruppen Expansion des Universums Mikrowellenhintergrund Urknall (Big Bang) Dunkle Materie Frühe Phasen des Universums Spuren der frühen Phasen heute

39 Krümmung des Universums negativ flach positiv

40 Flaches Universums Warum flach ?? Kein Zufall, sondern Mechanismus

41 Krümmung

42 Inflation beherrscht von skalarem Quantenfeld Universum extrem klein, kleiner als Proton Inflationäre Expansion ist exponentiell Alle 10**(-36) sec verdoppelt sich Universum Inflation endet nach 10**(-34) sec Radius hat sich um 10**(+43) vergrößert Universum ist strahlungsdominiert Inflationäres Universum

43 Quantenfluktuationen bei Inflation

44 Dichte-Instabilität Dichtefluktuationen vergrößern sich durch gravitative Anziehung. Unterdichte Bereiche wachsen und werden dünner Überdichte Bereiche schrumpfen und werden dichter Koppeln sich von der Expansion ab Bilden stabile selbstgravitierende Bereiche Zunächst auf kleinen Skalen, dann auf größeren selbstähnlich

45 z=5 Computer Simulation

46 z=3 Computer Simulation

47 z=1 Computer Simulation

48 Computersimulation mit dunkler Materie

49 Inhalt Galaxien, Galaxiengruppen Expansion des Universums Mikrowellenhintergrund Urknall (Big Bang) Dunkle Materie Frühe Phasen des Universums Spuren der frühen Phasen heute

50 Entwicklungsphasen des Universums Urknall, inflationäre Ausdehnung, Enstehung des kosmischen Hintergrundstrahlung nach Jahren heute

51 Großräumige Verteilung der Galaxien im Universum

52 Resultate: COBE

53 Boomerang: Größere Genauigkeit Boomerang 1999: Viel genauer als COBE Mond

54 WMAP 2002

55 WMAP: Präzisionsmessung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung Cosmic Background Sat. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Universum 13.7 Mrd. Jahre alt Hubble-Parameter genau Universum ist flach Fluktuationen Inflationsmodell

56 Anisotropie und Krümmung

57 Zukunft des Universums festgelegt durch Krümmung Vergangenheit: Urknall - Big Bang Universum expandiert beschleunigt Dunkle Energie Kosmologische Konstante Urknall und Inflation Universum flach

58 Energieverteilung im Universum Mehr oder weniger gesichert Ursprung unbekannt

59 Einsteins kosmologische Konstante Einstein – Friedman: kosmologische Gl. Einstein wollte statisches Universum Führte deshalb negative kosm. Konst. L ein Hubble entdeckte Expansion Einstein: L ist eine Eselei Beschleunigte Expansion heute entdeckt Positives L gefordert

60 Das Universum: Entwicklung Entstanden von Mrd. Jahren Hot Big Bang: Inflation Expansion und Abkühlung Sukzessives Ausfrieren von Strukturen Entkopplung Strahlung-Materie ( y) Entstehung von Sternen und Gaswolken Gravitative Ballung zu Galaxien und Haufen Abkühlung der Hintergrundstrahlung (CMB)

61 Universum: Struktur Krümmung: Flach Ausdehnung: Unendlich Expansion: für immer, vermutlich beschleunigt Fluktuationen im Mikrowellenhintergrund und in Galaxienverteilung hängen zusammen Vermutlich: Quanteneffekte von Inflationsphase Nicht verstanden: Ursprung der dunklen Energie

62 Physik Schöpfung Physikalische Gesetze gelten heute auf der Erde. Zeigen sich in Labor-Experimenten. Sind reproduzierbar. Gelten auch im Universum. Gelten auch in frühen Phasen des Universums. Bisher konnte man sich dem Urknall (t=0) nähern, ohne die physikalischen Gesetze zu ändern. Wenn man sie ändert, muß das so geschehen, daß die gesicherten Erkenntnisse nicht berührt werden. Man kann sich vermutlich dem Urknall beliebig nähern, ihn aber niemals erreichen. Physik fragt nicht warum, sondern wie

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64 Entwicklung nach Entkopplung Materie: H, He Materie ballt sich und verdichtet sich Es bilden sich die ersten Sterne Die Sterne sammeln sich zu Galaxien Supernova-Explosionen bilden schwere Elemente Galaxien sammeln sich zu Haufen Großräumige Strukturen bilden sich aus Das heutige Universum entsteht

65 Entwicklung Universum: Tabelle Freie Elektronen, Quarks, Photonen, Neutrinos. Alles wechselwirkt intensiv mit jedem anderen Freie Elektronen, Protonen, Neutronen, Photonen, Neutrinos. Alles wechselwirkt intensiv mit jedem anderen. Protonen und Neutronen haben sich gebunden um Atome zu bilden, deshalb freie Elektronen, Atomkerne, Photonen, Neutrinos. Alles wechselwirkt intensiv mit jedem anderen, ausgenommen die Neutrinos, deren Wechselwirkungen jetzt zu schwach sind. Wie vorher, nur daß das Universum nun materiedominiert ist. Das Universum ist nach wie vor undurchsichtig für Lichtstrahlen Atome haben sich formiert aus den Atomkernen und Elektronen. Die Photonen wechselwirken nicht mehr mit ihnen und kühlen sich ab, um das zu bilden, was wir heute als Mikrowellenhintergrund bezeichnen. Das Universum ist nun durchsichtig für Lichtstrahlen.

66 Grossräumige Strukturen

67 Schwarz

68 Materiedominanz und Entkopplung log(Zeit) log(Temperatur) K strahlungsdominiert materiedominiert 3000 K Geht man in der Zeit zurück, nimmt die Temperatur des Universums zu

69 Messungen: Hubble-Parameter

70 Krümmung des Universums Riemannsche Geometrie Optische Effekte

71 Teilchen der dunklen Materie Geladene Teilchen wechselwirke n immer durch Strahlung Normale (baryonische) Materie ist fast immer geladen Protonen, Elektronen, etc. Nur Neutrinos sind ungeladen Teilchen der dunklen Materie sind ungeladen

72 Spiegelteilchen bisher noch in keinem Beschleuniger direkt nachgewiesen. Ungeladenes Neutralino, Higgsino Dunkle Materie ?? Dunkle Materie: Supersymmetrie ? Zu jeder Teilchensorte existiert eine Spiegel-Teilchensorte Neutralino: Leichtestes stabiles supersymmetrisches Teilchen Higgsino: Supersymmetrischer Partner des Higgs-Teilchens Higgs-Teilchen wird postuliert, wurde aber noch nicht gefunden


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