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Reise zum Urknall mit Hubble und COBE Warum die Physiker glauben, dass die Welt vor 14 Milliarden Jahren entstanden ist Wissenschaft für alle Mittwoch,

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Präsentation zum Thema: "Reise zum Urknall mit Hubble und COBE Warum die Physiker glauben, dass die Welt vor 14 Milliarden Jahren entstanden ist Wissenschaft für alle Mittwoch,"—  Präsentation transkript:

1 Reise zum Urknall mit Hubble und COBE Warum die Physiker glauben, dass die Welt vor 14 Milliarden Jahren entstanden ist Wissenschaft für alle Mittwoch, 6. Dezember, 14h im Hörsaal Fritz Bosch, GSI www-ap.gsi.de/bosch: Reise zum Urknall; Lavilla 2004; Wie alt ist die Welt ?... Der bisher tiefste Blick in Raum und Zeit

2 I Meilensteine der Astronomie bis 1929 II Die Hinweise auf einen Anfang der Welt III Vom Urknall bis heute – und von heute bis ?? Er führt ihr Heer vollzählig heraus und nennt sie alle mit Namen Jesaja 40, 26

3 Aber Du hast alles geordnet nach Maß, Zahl und Gewicht, Weisheit Salomos 11, 21 I Meilensteine der Astronomie

4 Galileo Galilei, 'Il sagittario' um 1630 La filosofia è scritta in questo grandissimo libro, io dico l' universo... Egli è scritto in lingua matematica, e d i caratteri son triangoli, cerchi ed altre figure geometriche... Senza questi è un aggirarsi vanamente per un oscuro laberinto. Der Beginn der mathematischen Beschreibung der Wirklichkeit in der Neuzeit G. G

5 Isaac Newtons Gravitationsgesetz von 1687 F g = G m 1 m 2 / r 2 Philosophiae naturalis principia mathematica

6 Heinrich W. Olbers 1815: Warum ist es Heinrich W. Olbers 1815: Warum ist es nachts überhaupt dunkel ? Dunkel ist die Nacht, bei Gott ist Licht Goethe, West-Östlicher Divan

7 Das Paradoxon von Olbers Die Zahl der Sterne nimmt mit r 3 zu Ihr Licht nimmt nur mit 1/r 2 ab Wenn das Universum unendlich ist, und die Sterne "ewig" scheinen, muss jede Stelle des Himmels hell wie die Sonne sein r

8 Es kann nicht unendlich viele Sterne geben, die "ewig" da sind

9 ...eppur si muove....und sie bewegt sich doch. Galilei zugeschrieben Die Erde dreht sich...endgültig Foucault-Pendel, seit 1850 im Pantheon in Paris

10 " Die Welt wird einheitlich Spektralanalyse "Fingerabdruck" der Elemente "Alphabet" des Universums Fraunhofer entdeckt 1816 die Absorptionslinien der Sonne Kirchhoff und Bunsen entwickeln 1859 die Spektralanalyse Wär' nicht das Auge sonnenhaft, die Sonne könnt' es nie erblicken... Goethe, Zahme Xenien

11 Die Sterne kommen nach Heidelberg Absorption Emission HD, Hauptstraße 52

12 Der Beginn der Quantenphysik am 1900 Der Beginn der Quantenphysik am 6. Dezember 1900 Max Planck verknüpft die Sterne mit den Atomen Man lernt, Temperatur T und Geschwindigkeit der Sterne zu bestimmen Die Energie E eines Photons ist bestimmt durch seine Wellenlänge λ (Frequenz ν), das Plancksche Wirkungsquantum h und die Lichtgeschwindigkeit c : E = h c/λ = h ν λ Max T = 0,29 [cm K]

13 Max Planck 1858 – 1947 Begründer der Quantenphysik Jede Energie im Universum ist ein Vielfaches des "Wirkungsquantums h" x einer Frequenz h = 4,1 x [eV s] E (Photon) = h ν

14 Stefan und Boltzmann bestimmen die Leuchtkraft L der Sterne: L = 4 π σ R 2 T 4 L (Sonne) = Watt R = km T = 5800 K

15 Zusammensetzung und Temperatur neu entstehender Sterne H 2 -Wolken im Sternbild Adler

16 ' Eines der wichtigsten Probleme der Astronomie war und ist die Entfernungsbestimmung Er hat euch die Gestirne gesetzt, als Leiter zu Land und See. Goethe, West-Östlicher Divan

17 Das Universum wird mal größer : Das Universum wird mal größer : 10 Lichtjahre Erste Messung von Sternparallaxen (Wega) durch Bessel und Struve ,26 Lichtjahre [ "1 parsec (pc)"] = Entfernung, aus der man den halben Durchmesser der Erdbahn (150 Millionen km) unter einem Winkel von einer "Bogensekunde" sieht 5 cm 10 km

18 ' Eichkerzen für noch viel größere Entfernungen Henrietta Leavitt entdeckt 1908 die 'Delta - Cepheiden' : periodisch pulsierende Sterne mit bekannter Leuchtkraft Wer stellt es ins Gestirn und gibt das Maß des Abstands? Rilke, IV. Duineser Elegie

19 aaa Edwin Hubble 1922 an 'seinem' 100-Zoll Teleskop auf dem Mount Wilson, Ca Teleskope öffnen die Tiefen des Universums...und der Himmel da oben, wie ist er so weit! W. Müller, F. Schubert, Die schöne Müllerin

20 Unsere Milchstraße ist nur ein Sandkorn Hubble entdeckt 1920, dass der Andromedanebel M31 eine eigenständige Galaxis ist...unsere Milchstraße ist nur ein Sandkorn..und sie wissen unendlich, alle die Sterne: denn wie, wie, wie sie vergessen! Rilke, VII. Duineser Elegie

21 Newtons Raum und Zeit Es gibt einen 'Weltmaßstab' Es gibt eine 'Weltzeit' Alex in Berlin Kant: Raum und Zeit sind unsere 'Anschauungsformen' Es gibt einen absoluten Raum und eine absolute Zeit, unabhängig von uns und unabhängig von dem, was "darin" ist

22 Einstein "Zeit ist, was man mit der Uhr misst" Einstein...aber der Gang der Uhren hängt ab vom Bezugssystem

23 1905: Spezielle Relativitätstheorie...der fliegende Pfeil ruht. Zenon Der Gang einer Uhr bewegten Uhr ändert sich Zeitdilatation, Längenkontraktion 'Gegenwart' ist relativ Die Lichtgeschwindigkeit ist immer gleich unser 'Horizont' ist endlich E = mc 2 Die Maßstäbe für Raum und Zeit werden abhängig vom Bezugssystem

24 ....es gibt mehr Myonen auf der Erde, als unsere Schulweisheit sich träumen lässt... (fast) Hamlet

25 1916 Allgemeine Relativitätstheorie: Raum und Zeit sind leeren 'Gefäße' 1916 Allgemeine Relativitätstheorie: Raum und Zeit sind keine leeren 'Gefäße' Materie und Energie erzeugen erst die Geometrie der Raumzeit R μν – 1/2 R g μν – Λ g μν = 8π G/c 4 T μν

26 Die Allgemeine Relativitätstheorie von 1916 verlangt die Invarianz der Naturgesetze in allen Bezugssystemen die 'Metrik' der Raum-Zeit, d.h. die Geometrie des Raums und der Gang von Uhren ergibt sich aus der Verteilung von Masse und Energie; Licht wird von Materie abgelenkt. die Zeit hängt von der jeweiligen Schwerkraft ab; für extreme Dichten 'hört sie auf' : 'Schwarzes Loch' bzw. 'Ereignishorizont' die vierdimensionale Raumzeit ist endlich, aber grenzenlos sie hat für uns einen 'Horizont'

27 Im Zentrum der Milchstraße (Sternbild des Schützen = sagittarius, Sgr ) befindet sich bei Sgr A* ein riesiges Schwarzes Loch von etwa vier Millionen Sonnenmassen. M21 M20 Trifidnebel M8 Lagunennebel δ = ', α = 18 h 03 m ε Sgr Kaus Australis, 145 Lj. δ = ', α = 18 h 24 m Kaus Borealis δ Sgr Sgr A* δ = ' α = 17 h 46 m Lj. γ Sgr σ Sgr τ Sgr ζ Sgr φ Sgr

28 Hubbles Entdeckung der II Die Hinweise auf einen Anfang der Welt: 1. Hubbles Entdeckung der universellen 'Rotverschiebung' 1929 Spektrallinien sind rotverschoben proportional zur Geschwindigkeit 'von uns weg' Wellenlänge λ Dopplereffekt λ' = λ (1 + v/c) (λ' – λ) / λ = v/c

29 An diese Daten eine Gerade anzupassen, war sehr mutig - oder genial – oder: "Scharlatan", "Ignorant", "Phantast", "Nikotinsüchtiger", "Alkoholiker im Delirium"...

30 Hubbles kühne Deutung 1929 : 1. Man würde an jeder Stelle dasselbe beobachten 2. Der Raum (die Raumzeit) selbst dehnt sich aus Zweidimensionale Mathematiker könnten das Analoge auf einem Luftballon beobachten –aber nicht erklären, was die "dritte Dimension" ist

31 Expansionsgeschwindigkeit pro Entfernung = 'H' seit dem Beginn abgelaufene Zeit : T U = 1/H = 14 Milliarden J. eine 1 Million pc ( 1 Mpc) entfernte Galaxie bewegt sich mit 70 km/s von uns weg H = "Hubblekonstante" = 70 km/ [s Mpc] lässt man den Ballon nun wieder gleichförmig "schrumpfen", dann ist die

32 Erdrotation 300 m/s; Erde um Sonne ; Sonne um Zentrum der Milchstraße ; Milchstraße in Richtung Virgo "Eigenbewegungen" : Erdrotation 300 m/s; Erde um Sonne 30 km/s; Sonne um Zentrum der Milchstraße 200 km/s; Milchstraße in Richtung Virgo 350 km/s Man muss viele Millionen Lichtjahre weit weggehen, um die "kosmische Expansion" zu messen Virgo-Haufen

33 1994 entdeckte W.L. Freedman mit dem Hubble-Teleskop 1994 entdeckte W.L. Freedman mit dem Hubble-Teleskop 50 Millionen Lichtjahre entfernte Delta-Cepheiden in M100 Periode = 27 Tage – fache Leuchtkraft der Sonne

34 Aus der bekannten Leuchtkraft Entfernung = 15 Megaparsec Aus der Rotverschiebung Expansionsgeschwindigkeit = 1080 km/s H = 72 km/s pro Megaparsec 1/H = T U = Alter der Welt : 13,4 Milliarden Jahre Konstante Expansion vorausgesetzt H = 72 km/s pro Megaparsec W.L. Freedman, Nature 371 (1994) 757 M100 im Virgohaufen

35 II.2 Die Entdeckung der 3 II.2 Die Entdeckung der 3 Kelvin Hintergrundstrahlung 1963 Bei der Untersuchung der Milchstraße entdeckten Arno Penzias und Robert Wilson eine absolut gleichförmige, isotrope Strahlung im Mikrowellenbereich Physik-Nobelpreis 1978 Hornantenne

36 COBE – Cosmic Background Explorer Far Infrared Absolute Spectrometer Diffuse Microwave Radiometer 10. November 1989 NASA Goddard SFC Flüssiges Helium 2 K = C

37 Das älteste "Photo" der Welt rot = mehr als 1 Promille "heißer" blau = mehr als 1 Promille "kälter" als der Mittelwert von 2, 735 K Milchstraße rast Richtung Leo/Virgo mit 350 km/s: "Doppler-Effekt" Strahlung aus der Milchstraße

38 Es gibt eine gleichförmige Mikrowellenstrahlung mit dem Maximum bei einer Wellenlänge von 1 mm Sie ist (nahezu) isotrop entspricht perfekt einem 'Schwarzen Strahler' mit T = 2,735 K ist dopplerverschoben in Richtung Leo/Virgo entsprechend der 'Reise' unserer Milchstraße mit 350 km/s

39 Physik - Nobelpreis 2006 für die "Väter" von COBE John C. Mather NASA Goddard SFC George F. Smoot Univ. of Berkeley (David T. Wilkinson Univ. of Princeton)

40 Die Abkopplung von Strahlung und Materie bei ca K: Wasserstoffatome werden neutral Licht wird 'frei' Wellenlänge wird bis heute 1000-mal größer Temperatur wird 1000-mal kleiner Da schied Gott das Licht von der Finsternis und nannte das Licht 'Tag' und die Finsternis 'Nacht' Genesis 1,4

41 Die vor 13 Milliarden Jahren freigewordene Strahlung erreicht uns heute Das Universum ist heute tausendmal größer: Wellenlänge von mm 1mm; Temperatur von 3000 K 3 K

42 WMAP Lagrangepunkt L2: WMAP bleibt immer auf der Verbindunslinie Erde-Sonne, d.h. er kreist synchron mit der Erde um die Sonne

43 Die heute erreichte Auflösung der 3K Strahlung (WMAP) Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (2001) am "Lagrangepunkt L2"

44 Die Messwerte WMAPs deuten auf ein 'flaches' Universum

45

46 III Vom Urknall bis heute – und von heute bis ?? Vor etwa 13,7 Milliarden Jahren war der "Anfang" (was war vorher ?) Das Universum ist unvorstellbar klein, dicht und heiß (die Physiker schweigen) Nach etwa s riesenhafte Ausdehnung von m auf m "Inflation"

47 Vom Anfang bis heute – im Zeitraffer Zeit Temperatur Ereignisse K Quarks/Antiquarks, Strahlung K Primordiales Deuterium, Helium... 3 x 10 5 J K Neutrale Atome, 3 K-Strahlung frei 3 x 10 8 J. 35 K Erste Galaxien und Sterne Synthese der Elemente in den Sternen 9 x 10 9 J. 3.6 K Bildung unseres Sonnensystems 14 x 10 9 J. 2.7 K heute

48 Bildung eines Elektron –Positron -Paars durch ein hochenergetisches Lichtquant Ungelöstes Rätsel: Warum gibt es uns überhaupt ? Warum wurden nicht alle Teilchen mit ihren Antiteilchen "zerstrahlt" ?

49 "Größe" des Universums gegen die Zeit seit dem "Anfang" für ein homogenes, isotropes Universum nach den Friedmann-Lemaitre-Gleichungen Bis 1998 galt das Standard Modell: 'Kritische' Massendichte Ω m abbremsende Expansion keine 'kosmologische Konstante' Alter des Universums (2/3 x1/H 0 ) T U = Milliarden Jahre

50 Die 'Revolution' von 1998: Messung des Hubble- Parameters zu einer Zeit, als das Universum 2/3 der heutigen Größe hatte S. Perlmutter, Berkeley, B. Schmidt, B. Leibundgut, ESO

51 Wie findet man Milliarden von Lichtjahren entfernte Eichkerzen, die man noch sehen kann ?? Supernova Ia :ein 'weißer Zwerg' erreicht die kritische Masse für explosive Kohlenstoff- Fusion. Leuchtkraft und 'Lichtkurve' sind bekannt (?)

52 Die Augen der Unendlichkeit: auf der Suche nach den entferntesten Supernovae Ia : KECK und VLT Keck I/II des Caltech auf dem Mauna Kea in Hawaii Zwei 10-Meter-Spiegel Very Large Telescope der ESO auf dem Cerro Paranál in Chile : Vier verbundene 8,2-Meter-Spiegel

53 Der Hubbleparameter bei a = 2/3 ist kleiner als er nach dem 'Standardmodell' (grün) sein sollte! Es gibt eine rätselhafte 'kosmologische Konstante Λ' 2/3

54 Das Universum ist 13,7 Milliarden Jahre alt 'flach' (euklidisch) expandiert immer schneller, getrieben von einer rätselhaften kosmologischen Konstanten (dunklen Energie)

55 Unsere Heimat aus einer Entfernung von einer Lichtsekunde Apollo 17 am 7. Dezember 1972

56 Die Bedeutung der Erde im Universum 1 LS 5 LS 25 LS 125 LS. 625 LS 10 Milliarden Lichtjahre = x 625 LichtSekunden

57 Die Weltzeit ist ein Kind...'Mühle' spielend

58 Von unseren Grenzen Wir haben Zettel gefunden, auf denen das Kind einige seiner Züge aufgeschrieben hat und versuchen mühsam, die Handschrift zu entziffern... Wir wissen nicht, wer das Kind ist, woher es das Spiel bekommen hat und schon gar nicht, wer die Regeln dieses Spiels gemacht hat... Wir wissen nicht, ob es auch andere Spielregeln geben könnte... Wir wissen nicht, warum wir mit der (von uns erfundenen??) Mathematik die Wirklichkeit beschreiben können... Wir kennen nicht mehr als gerade 4% von dem, was 'ist' Wir wissen nicht, warum es eine Symmetrieverletzung zwischen Materie und Antimaterie gegeben hat (sonst gäbe es uns nicht) Wir wissen nicht, was vor dem 'Anfang' war und was nach dem 'Ende' sein wird


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