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T.Hebbeker Neues aus Kosmologie und Astrophysik Thomas Hebbeker RWTH Aachen November 2001 Überblick: Unser Universum Fragen und Antworten (?) Dunkle Materie.

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Präsentation zum Thema: "T.Hebbeker Neues aus Kosmologie und Astrophysik Thomas Hebbeker RWTH Aachen November 2001 Überblick: Unser Universum Fragen und Antworten (?) Dunkle Materie."—  Präsentation transkript:

1 T.Hebbeker Neues aus Kosmologie und Astrophysik Thomas Hebbeker RWTH Aachen November 2001 Überblick: Unser Universum Fragen und Antworten (?) Dunkle Materie Raumkrümmung Evolution des Kosmos Schwarze Löcher Planetensysteme Hochenergetische kosmische Strahlung Forschung in Aachen AMS CMS Kosmische Strahlung (?) 1.1

2 T.Hebbeker Das heutige Universum Materie: Galaxien mit je Strahlung: Sternenlicht Hintergrundstrahlung Sternen T = 2.7 K

3 T.Hebbeker Big-Bang - Modell Hubble 1929:Universum expandiert Hoyle 1950: Big Bang

4 T.Hebbeker Evolution des Universums Kerne Atome heute

5 T.Hebbeker Fragen und Antworten (?) Dunkle Materie Raumkrümmung Evolution des Kosmos Schwarze Löcher Planetensysteme Hochenergetische kosmische Strahlung

6 T.Hebbeker Dunkle Materie ? Gibt es große Mengen nichtleuchtender Materie im Kosmos ? Nachweis: Gravitation! Untersuchung von Spiralgalaxien: Messung der Rotationsgeschwindigkeit via Doppler-Effekt: v(r) ist Maß für eingeschlossene Masse !

7 T.Hebbeker Dunkle Materie ! Erwartung: außerhalb des leuchtenden Teils der Galaxie: (wie Planeten im Sonnensystem)

8 T.Hebbeker Eigenschaften der dunklen Materie ? Quantität: etwa 10 mal mehr dunkle als leuchtende Materie ! Beschaffenheit: ausgebrannte Sterne (= Baryonen) ? passt nicht ins Urknall-Modell! Neutrinos mit Masse ? aus Urknall: aber: zu leicht (< 0.1 eV) ! neue Elementarteilchen ? favorisierte Hypothese!

9 T.Hebbeker Ist der Raum gekrümmt ? Universum ? Einstein: ja! lokal: Gravitationsfelder global (Kosmos): vielleicht Symptom für nichteuklidischen=gekrümmten Raum: Winkelsumme Dreieck Veranschaulichung in 2 Dimensionen: flach: offen geschlossen

10 T.Hebbeker Gravitationslinsen (lokale Raumkrümmung) Lichtstrahlen = Geodäten (minimale Laufzeit) ErsteBeobachtung: Lichtablenkung nahe Sonne (Eddington et al 1919) Heute: Einstein-Ring (Hubble-Teleskop)

11 T.Hebbeker Raumkrümmung im Universum (global) ? Zusammenhang mit Massendichte (materiedominiertes Universum) : Falls : kinetische Energie + potentielle Energie = 0 Raum flach=euklidisch unendliche Expansion mit abnehmender Geschwindigkeit Messung der Raumkrümmung: Winkel- messung: flach offen geschlossen

12 T.Hebbeker Die kosmische Hintergrundstrahlung Usprung: Jahre nach Urknall = 2.7 K 400 Photonen/ccm COBE Boomerang

13 T.Hebbeker Die Raumkrümmung im Universum geschlossen flach offen passt am besten: Distanz berechenbar Abstand = 15 Mrd J.

14 T.Hebbeker Evolution des Universums I Einheit: 1 / Milliarden Jahre Einheit: dimensionslos Skalenparameter R: Abstand zwischen zwei entfernten Galaxien(clustern), (z.B. Andromeda = NGC 224 und MS ca. 8 Milliarden Lichtjahre ) Messung der Expansionsgeschwindigkeit

15 T.Hebbeker Evolution des Universums II Evolution wird durch Massendichte bestimmt: Vergleich mit Big-Bang-Modellrechnungen Messung der Expansions-Beschleunigung direkte Messung schwierig!

16 T.Hebbeker Evolution des Universums III Erweitertes Modell: Einsteins kosmologische Konstante dunkle Energie wirkt abstossend! da Raum flach

17 T.Hebbeker Evolution des Universums IV Ergebnis: Beschleunigte Expansion ! Wie misst man R, und dR/dt und dR/dt(t) ? Relativ einfach: dR/dt aus Rotverschiebung der Wellenlängen Schwierig: absolute Entfernung R aus scheinbarer Helligkeit ( ) von Standardkerzen = Supernovae vom Typ Ia Zeitabhängigkeit: weit entfernte Galaxien = alt !

18 T.Hebbeker Supernovae Ia Helligkeit: gleich groß Explosion wenn Masse kritischen Wert erreicht!

19 T.Hebbeker Schwarze Löcher in Galaxienzentren Zentrum der Milchstrasse Radioquelle Sgr A Messung der Eigenbewegung der Sterne dicht am Zentrum (0.1 – 10 Lichtjahre): Eingeschlossene Masse = 3 Millionen Sonnenmassen Schwarzes Loch Sgr A = infrarot

20 T.Hebbeker Schwarze Löcher aus Supernovae massive Supernovareste = schwarze Löcher ? Schema Todesspirale beobachtet: Cygnus XR-1 (Sternbild Schwan, 6000 Lichtjahre) Simulation: wenig Licht viel Licht

21 T.Hebbeker Schwarze Löcher Evidenz für schwarze Löcher: klein: ausgebrannte Sterne (Supernovae-Rest) groß: Zentrum von (allen ?) Galaxien Bedeutung ? Noch nicht beobachtet: Mini-Löcher Verdampfende Schwarze Löcher...

22 T.Hebbeker Planetensysteme Gibt es andere Planetensysteme ? Werden alle Sterne von Planeten umkreist ? Gibt es erdähnliche Planeten ? Gibt es extraterrestrisches Leben ? Ja! bereits etwa 70 Planeten gefunden ! Unser Sonnensystem:

23 T.Hebbeker Planetensysteme Nachweismethoden: a) Stern wackelt periodisch: b) Stern wird periodisch verdunkelt:

24 T.Hebbeker Planetensysteme Lebewesen wurden leider noch nicht gefunden.... Bisherige Beobachtungen zeigen: Planetensysteme eher Regel als Ausnahme Planeten groß und nahe am Stern (?) Kein erdähnlicher Planet

25 T.Hebbeker Kosmische Strahlung hoher Energie Nachweis: Detektoren am Erdboden primäre kosmische Teilchen mit (kin.) Energie wurden nachgewiesen ! = Tennisball ! Erzeugung im Weltall: unverstanden! ungehinderter Transport: unmöglich ? Protonmasse: 1 GeV

26 T.Hebbeker Forschung in Aachen AMS CMS Kosmische Strahlung (?)

27 T.Hebbeker Antimaterie im Universum ? Gibt es Antimaterie ? Ja ! Positron (1931), Antiproton (1955), Antiwasserstoff (1995) Gibt es Antiteilchen im Universum ? Ja ! Positronen, Antiprotonen... = Sekundärprodukte von Teilchenkollisionen Gibt es Anti-Galaxien/-Sterne/ -Lebewesen ? erfordert schwere Anti-Kerne Wahrscheinlich nicht ! Fundamentale Asymmetrie Materie–Antimaterie: Teilchenphysik!

28 T.Hebbeker AMS = AlphaMagneticSpectrometer = AntiMatterSearch Gibt es schwere Anti-Kerne im Universum ? Ergebnis: Bisher kein Antihelium... gefunden Aachen: Phys. Inst. I B und III B

29 T.Hebbeker Hohe Kollisionsenergie: hohe Ortsauflösung (Substruktur ?) Erzeugung schwerer neuer Teilchen Erzeugung schwarzer Löcher ? Simulation des frühen Universums 1 MeV = 10 GeV = 10 TeV = Elementarteilchenphysik am CERN, Genf erforschen, was die Welt im Innersten zusammenhält: elementare Teilchen fundamentale Kräfte Protonmasse: 1 GeV LHC: GeV

30 T.Hebbeker CMS = CompactMuonSolenoid Beschleuniger LHC = Large Hadron Collider CMS Start: 2006 Phys. Inst. I B, IIIA und III B

31 T.Hebbeker Netz von Detektoren für kosmische Strahlung Detektoren Abstand ~ 1 km auf Dächern Erforschung höchstenergetischer kosmischer Strahlung SkyView Einbeziehung von Schulen ! Mitwirkung von Lehrern, Schülern ! Aachen: Phys. Inst. III A (?)

32 T.Hebbeker Zusammenfassung Faszinierende neue Ergebnisse, die unser Weltbild prägen werden ABER: Viele Resultate neu und Interpretationen nicht eindeutig!... often wrong but never in doubt... goldenes Zeitalter der Kosmologie

33 T.Hebbeker WWW-Adressen (Bilder vom) Hubble Space Teleskop Schwarzes Loch in Milchstrasse Vorlesungen + Linksammlung Astrophysik AMS-Experiment CERN SKYVIEW Expansion des Universums Hintergrundstrahlung und Raumkrümmung Schwarze Löcher und Ereignishorizont Planetensysteme

34 T.Hebbeker Bücher H.V. Klapdor-Kleingrothaus und K. Zuber: Teilchenastrophysik, Teubner, 1997 C. Grupen: Astroteilchenphysik, Vieweg, 2000 A. Unsöld, B. Bachel: Der neue Kosmos, Springer 1999 M. Rowan-Robinson: Cosmology, Clarendon Press, 1996 S. Weinberg: The first three minutes, Basic Books, 1993

35 T.Hebbeker Anhang A: Big-Bang - Modell Hubble 1929:Universum expandiert Hoyle 1950: Big Bang

36 T.Hebbeker Anhang B: Sagittarius A infrarot, Geschwindigkeiten bis 1000 km/s !

37 T.Hebbeker Supernovae Typ Ia = Standardkerze Fluchtgeschwindigkeit Helligkeit Anhang C: Messung der Expansion Entfernung ~ Alter

38 T.Hebbeker Bild 1 Bild 2 (3 Wochen später) Bild 2 – Bild 1 Anhang D: Supernova-Explosion

39 T.Hebbeker Anhang E: Schwarzes Loch Cygnus XR-1

40 T.Hebbeker Anhang F: Agasa-Detektor


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