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VI. Kosmologie 6.1. Grundlegende astrophysikalische Beobachtungen 6.1.1. Grundlagen Astronomie: Beobachtung kosmischer Objekte & Phänomene Astrophysik:

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1 VI. Kosmologie 6.1. Grundlegende astrophysikalische Beobachtungen Grundlagen Astronomie: Beobachtung kosmischer Objekte & Phänomene Astrophysik: Interpretation mit physikalischen Modellen Kosmologie: Struktur & Dynamik des Weltalls im Großen Kosmologie Elementarteilchen- physik Dynamik des frühen Universums Struktur im Großen Dunkle Materie Dunkle Energie...

2 Experimentelle Methoden Messgrößen: Strahlung aller Arten bei allen Energien optische Beobachtungen (Sterne, Galaxien, Nebel,...) spektrale Verteilungen, Spektrallinien Radioteleskopie von Erdoberfläche Satelliten-Teleskopie (Infrarot Röntgen Gamma) z.B. WMAP Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung INTEGRAL Röntgen / weiche Gammastrahlung GLAST harte Gammastrahlung Unterirdische Detektoren (Neutrino-Teleskopie) Quellen: Aktive galaktische Kerne, Supernovae, Sonne,... Detektoren für geladene kosmische Strahlung ( Protonen, Kerne, e ) Satelliten, Ballons, Luftschauerdetektoren Gravitationswellen ( Laserinterferometer, Resonatoren )

3 Beispiele: thermisches Universum: Spektralverteilung Temperatur nicht-thermisches Universum: Spektralverteilung Erzeugungs- und Beschleunigungsmechanismus Linienspektren Elemente, Moleküle Dopplerverschiebung Geschwindigkeit Standardkerzen bekannter Leuchtkraft Abstände Cepheiden (periodisch Veränderliche), Supernovae von Typ Ia,... Einheiten: Lichtjahr:1 Lj 9, m Lichtsekunde: 1 Ls Lj m Schwarzkörper- Strahlung

4 Resultate Zustand des bekannten Universums (heute): a)Materie: Nukleonen, Elektronen Verteilt auf… Sonnen ( M …10 32 kg ) Planeten interstellaren Staub, interstellares Gas Quasare (Quasi-Stellare-Objekte, ferne aktive Galaxien) Neutronensterne, schwarze Löcher, … Räumliche Struktur Galaxie: O( ) Sonnen, Ø Galaxie O( 10 5 ) Lj sichtbares Universum: O( ) Galaxien, strukturiert in Galxienhaufen, Superhaufen, Bändern, Wänden,… homogen im Großen, auf Skalen Lj Mittlere Dichte: ρ g / cm 3 0,05 H-Atome / m 3

5 Chemische Zusammensetzung M( H ) 75% M( He, D, … ) 25% Dynamik der Materie Sterne: vgl. Sternentwicklung, Kap Galaxien: streben auseinander Rotverschiebung das Universum expandiert Expansionsrate des Universums (heute): Hubble Konstante: Rotverschiebung: Fluchtgeschwindigkeit: Alter des Universums 14 Milliarden Jahre

6 b)Photonen: nicht-thermisch: Synchrotronstrahlung ( Elektronen in Magnetfeldern ) Inverse Comptonstreuung: e IR e TeV WW kosmischer Strahlung 0 TeV TeV … thermisch Plancksches Spektrum Sonnenlicht Infrarot-Strahlung von Staub und Gas 3-Kelvin Hintergrundstrahlung: T 2,735 K n 400 / cm 3 n / n Baryon Isotropieabweichung: T / T 10 5

7 Bild 1

8 c)Entfernungen: Erddurchmesser 0,03 Ls Erde – Mond 1Ls Erde – Sonne 500Ls Pluto – Sonne 20000Ls Sonne – Proxima Centauri 4Lj Sonne – Galaktisches Zentrum30000Lj Sonne – Andromeda-Galaxie Lj Sonne – ferne Galaxie Lj

9 6.2. Das Big-Bang-Modell Überblick H 0 (t) const. bis heute Radius R(t) des Universums war 0 vor 1/H 0 2·10 10 Jahren Interpretation: Big Bang ( Urknall ) Interpretation in allgemeiner Relativitätstheorie: R(t) = Skalenparameter ( Streckung von Abständen ) Homogenität & Isotropie im Großen Berechnung von R(t) Grundlage der allgemeiner Relativitätstheorie: Äquivalenzprinzip:Beschleunigung und Gravitatioskraft sind lokal ununterscheidbar Geometrische Interpretation: Massen verkrümmen Raum- Zeit Trajektorien entlang der Geodäten

10 Mathematische Erfassung der Raum-Zeit-Krümmung: Linienelementmetrischer Tensor Flache Raum-Zeit: Differentialgeometrie Krümmungstensor aus g ( x ) Einsteinsche Feldgleichungen Massenverteilung Energie-Impuls-Tensor g ( x ) g ( x ) Krümmungstensor Trajektorien

11 Bild 1 Entwicklung von 0 1 für ( hypothetisch ) Strahlungsdominanz Materiedominanz

12 6.3. Das frühe Universum Die ersten drei Minuten Erste Jahre Strahlungsdominanz k = 0k = 0 t K ; k B T > 100 GeV –heutige experimentelle Elementarteilchenphysik bei Skala 100 GeV –Prozesse jenseits des Standardmodells vermutlich aktiv CP- und B-verletzende Prozesse erzeugen Überschuss baryonischer Materie vs. Antimaterie Spontane Symmetriebrechungen des Vakuums Plötzliche Aufblähung des Universums (Inflation) Homogenität, Isotropie,,…

13 t = s: T = K ; k B T 100 GeV –Ursuppe im thermischen Gleichgewicht Quark-Gluon-Lepton-Photon-Gas –#(Teilchen) #(Antiteilchen), Asymmetrie = O(10 9 ) –Gesamtladung = 0 t = 10 5 s: k B T 100 MeV –s-, c-, b-, t-Quarks und -, -Leptonen sind durch schwache Wechselwirkung zerfallen ( alle haben m > 100 MeV ) –Nukeonen p und n bilden sich –Nukleonen-Antinukleonen-Annihilation Antibaryonen verschwinden O(10 9 )-Anteil an Baryonen überlebt

14 t = 0,1 s: k B T 3 MeV –Teilchen: –thermodynamisches Gleichgewicht: p n –# Leptonen, # Photonen # Baryonen t = 1 s: k B T 1 MeV < m n m p = 1,3 MeV –(p n)-Übergang selten schwache Wechselwirkung selten –# n / # p 0,19 – –(Anti-)Neutrinos entkoppeln und bewegen sich ab jetzt frei # leichte Bosonen ( ) 4 # leichte Fermionen einer Sorte,e =

15 t = 10 s: k B T 0,3 MeV < m(e e ) –Positronen verschwinden: e e –winziger e -Überschuss bleibt –Universum ist neutral # e = # p –Zahl der Photonen erhöht sich um Faktor Aufheizung des Photon-Gases gegenüber Neutrinos: T 1,4 T Photon-WW mit e und p (Gleichgewicht) Photonen nicht frei Neutronen beginnen zu zerfallen 890 s Kerne können nicht existieren (Desintegrierung durch Photonen)

16 t = 100 s: k B T 0,1 MeV E B (Kerne) –Kerne frieren aus; der Neutronenzerfall endet nach 200 s –d-, -, Li-Kerne bilden sich neben p dominant, ds verschmelzen zu s – –Modellrechnungen liefern d-Häufigkeit als Funktion von B B groß hohe Fusionsrate kleine relative d-Häufigkeit Messung der relativen d-Häufigkeit B 0,01...0,1 B = 1 ist ausgeschlossen! Wie kann dann = 1 sein? baryonisch

17 Entstehung von Atomen, Sternen und Galaxien t Jahre: T 4000 K ; k B T 0,3 eV < E B (Atome) –neutrale Atome entstehen; e p sind nicht mehr frei –Photonen entkoppeln von Materie Das Universum wird transparent Ereignisse ab hier im Prinzip noch heute sichtbar ab jetzt: heute: Neutrinos heute: Teilchenverhältnisse heute: (bis auf äußere Aufheizung) Baryon-Antibaryon-Asymmetrie

18 t > 10 9 Jahre: –Gas –im Großen: Sterne Galaxien lokale Verdichtung Sterne Planeten Neutrinos Photonen schwere Kerne Gravitation Galaxienhaufen Superhaufen Bänder, Wände, Leerräune

19 6.4. Probleme des Big-Bang-Modells a)Dunkle Materie: Wir wissen M Universum M Baryonen ( ) b)Isotropie-Horizont-Problem: R t x mit x < 1 verschiedene Regionen unseres Universums waren früher kausal getrennt Woher stammt die Isotropie (z.B. der 2,7 K-Strahlung) ? c)Strukturbildung: Wie entstehen Galaxienverteilungen? winzige initiale Dichtefluktuationen vgl. b) Rolle der dunklen Materie und der Neutrinos? Möglicher Ausweg: Inflation des Universums bei t s Bild 1

20 ohne Inflationmit Inflation Inflation

21 6.5. Dunkle Materie Evidenz: a)Theorie vermutlich sichtbar 0,02 b)Rotation von Spiralgalaxien (Doppler-verschobene Spektrallinien) Annahme: Masse im Kern konzentriert Spiralarm Kern r v

22 Spiralarm Kern r v Vorhersage: Beobachtung: v const. für r Kern < r 10 r Galaxie Erklärung: Galaxie eingebettet in Halo dunkler Materie, wobei wie bei Gas

23 Resultat: a) 1 ( vermutlich ) b) B < 0,1 ( aus Elementhäufigkeiten ) c) 90% - 99% der Materie ist dunkel, und liegt in Form exotischer, nicht-baryonischer Materie vor. d) Kandidaten: massive Neutrinos supersymmetrische Teilchen, z.B. Neutralinos Teilchenanregungen in höheren Raumdimensionen Axionen Gravitinos Wimpzillas...

24 Neutrinos: 10 9 kosmische Neutrinos pro Baryon Wenn Dunkle Materie Neutrinos, dann 10…100 B Neutrino mit m 10…100·10 9 GeV 10…100 eV direkte Grenze: m e < 2 eV, m < 0,19 MeV, m < 18 MeV Oszillationen: m O(10 4 )…O(10 5 ) m < 0,1 eV ist natürlich zu klein? Wimps: Weakly interacting massive particles (hypothetisch) Eingenschaften: schwach wechselwirkend ( neutral) massiv (vermutlich einige 10 bis 100 GeV) stabil heißer Kandidat: leichtestes Neutralino in SUSY-Theorien mit R-Paritäts-Erhaltung direkter Nachweis möglich: elastische Wimp-Kern-WW

25 Beispiel für Experiment zum direkten Wimp-Nachweis: tiefgekühlter Kristall, abgeschirmt, Untergrundlabor Wimp-Stoß Phononen Aufheizung einer supraleitenden Schicht bei der Sprungtemperatur Signal in SQUID Thermometer Untergrundprozesse Phononen und Photonen; Photon-Absorption auf Halbleiter/Detektor Aufheizen eines zweiten supraleitenden Thermometers Suche nach direkter Erzeugung von Wimps am LHC, CERN, seit 2010 ( z. Zt. 3,5 TeV Protonen auf 3,5 TeV Protonen ) Indirekter Nachweis: Wimp-Wimp-Zerstrahlung im Weltall erzeugt hochenergetische Gammas und Antimaterie


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