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Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10,2012 1 Teleskope: Galaxien WMAP Satellit: Fernsehschüssel, womit man das Licht des Urknalls gesehen hat. Mini-Urknall.

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1 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Teleskope: Galaxien WMAP Satellit: Fernsehschüssel, womit man das Licht des Urknalls gesehen hat. Mini-Urknall im Labor mit Teilchenbeschleuniger hergestellt Einführung in die Kosmologie Urknall 13.7 Milliarden Jahre s 95% der Energie des Universums unbekannter Natur s 10 2 s Beobachtungen Jahre

2 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Einteilung der VL 0. Einführung 1.Hubblesche Gesetz 2.Gravitation 3.Evolution des Universum 4.Temperaturentwicklung/Kernsynthese 5.Kosmische Hintergrundstrahlung 6.CMB kombiniert mit SN1a 7. Strukturbildung 8. Neutrinos 9. Grand Unified Theories Suche nach DM

3 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Literatur 1. Vorlesungs-Skript: 2.Matts Roos: An Introduction to Cosmology Wiley, 3th Edition, Lars Bergström and Ariel Goobar: An Introduction to Cosmology Springer, 2nd Edition, Bernstein: An Introduction to Cosmology Prentice Hall, Dodelson: Modern Cosmology Academic Press Ryden: Introduction to cosmology Addison 2003 hauptsächlich benutzt

4 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Literatur Weitere Bücher: Weigert + Wendker, Astronomie und Astrophysik Populäre Bücher: Silk: A short history of the universe Weinberg: Die ersten drei Minuten Hawking: A brief History of Time Fang and Li: Creation of the Universe Parker: Creation Vindication of the Big Bang Ledermann und Schramm: Vom Quark zum Kosmos

5 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Literatur Bibel der Kosmologie: Börner: The early Universe Kolb and Turner: The early Universe Gönner: Einführung in die Kosmologie

6 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Übungen Kosmologie Vorlesung : Einführung in die Kosmologie de Boer2 SWS Do 14:00 – 15:30 Seminarraum 10.1, PHH (ÄNDERUNG!!!) Übungen de Boer, Iris Gebauer1 SWS Di.14: :30 Sem. 8.2 PHH (ab ) Folien auf: Übungen auf:

7 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Die Säulen der Urknalltheorie Die Urknalltheorie ist eine wohl definierte Theorie, die an Hand von DATEN entwickelt wurde!

8 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Allgemeine Relativitäts- theorie beschreibt Entwicklung von Raum und Zeit Auch Licht empfindet Schwerkraft Albert Einstein Väter der Urknalltheorie löst 1922 die Feldgleichungen der ART für eine isotrope und homogene Massenverteilung Lösung zeitabhängig! Georges Lemaître zeigt 1948, wie sich der Kosmos aus einem heißen Anfangszustand entwickelt haben könnte und sagt die kosmische Hintergrundstrahlung voraus. Alexander Friedmann entwickelt 1927 eine Theorie, der zufolge das Universum einst als einziges Teilchen begann. George Gamow

9 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Universum ist homogen und isotrop auf großen Skalen homogen, nicht isotrop nicht homogen, isotrop Dichte bei großen z nimmt ab, weil viele Galaxien nicht mehr sichtbar.

10 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Wichtigste Errungenschaft der Kosmologie 96% der Energie UNBEKANNTER NATUR! Zwei Komponenten: DM mit anziehender Gravitation und DE mit abstoßender Gravitation Gesamtenergie = kin. Energie+ pot. Energie =0 (Welt aus einer Quantenfluktuation hervorgegangen?

11 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Unsere Galaxie ist hier 3 Milliarden Lichtjahre (~20% zum Rand) Sloan Sky Survey: million galaxies Doppler Verschiebungen -> Geschwindigkeiten der Galaxien Universum: Galaxien 1 Galaxie: Sterne

12 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Sloan Digital Sky Survey Teleskop in Arizona, USA 12

13 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Hubble mit dem 2.5m Teleskop in Palomar (ca. 1920) und der heutige Hubble Space Telescope (HTS) Palomar, Kalifornien, USA Hubble Space Telescope

14 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Expansion des Universums Messungen ergeben, dass sich scheinbar alle Galaxien von uns wegbewegen. Galaxien bewegen sich nicht selbst, sondern werden mit der Raum-Zeit mitgetragen. Rosinenkuchenmodell Da sich alle Galaxien voneinander entfernen, ist keine Aussage zu treffen, wo sich der Mittelpunkt des Universums befindet Je weiter die Rosinen voneinander entfernt sind, je schneller fliegen sie aus einander: v=Hd (v=Geschwindigkeit zwischen 2 Rosinen auf Abstand d, H=Konstante)

15 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Geschwindigkeitsmessung Um das Hubble-Gesetz verifizieren zu können, kann man die Geschwindigkeit und den Abstand entfernter Galaxien messen. Die Geschwindigkeit einer Galaxie ergibt sich aus der Rotverschiebung der Wasserstoffspektrallinien (wie bei Radarmessungen der Polizei -> Geschwindigkeit)

16 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Abstandsmessung Entfernungsmessungen beruhen darauf, dass man gemessene Helligkeit mit ihrer Strahlungsleistung vergleicht. Beispiele für sogenannte Standardkerzen: (Details VL2) RR-Lyrae-Sterne Cepheiden (pulsierende Sterne) Supernovae vom Typ la

17 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Messdaten Proportionalitätsfaktor zwischen v und D wird nach Entdecker Hubble- Konstante genannt. H = Expansionsrate = v/D = h 100 km/s/Mpc (VL2) h = = Hubblekonstante in Einheiten von 100 km/s/Mpc

18 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, EXPANDIERT Das Universum Starkster Beweis für den Urknall!

19 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Hubblesches Gesetz in comoving coordinates d D D = S(t) d S(t) = zeitabhängige Skalenfaktor, die die Expansion berücksichtigt. Durch am Ende alle Koordinaten mit Skalenfaktor zu multiplizieren, kann ich mit einem festen (comoving) Koordinatensystem rechnen. Beispiel: D = S(t) d (1) Diff, nach Zeit D = S(t) d (2) oder D = v = S(t)/S(t) D Oder v = HD mit H = S(t)/S(t)

20 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Alter des Universums aus v=HD H=v/D=71.4 (km/s)/Mpc=71400 (m/s)/(3.1*10 22 m) T=1/H=D/v=1/71400(m/s)*3.1*10 22 (m)= 4.3*10 17 s/(3.15*10 7 s/Jahr)= Jahre = 13.8 Milliarden Jahre (= 13.8 Gyr) Problem bei dieser Abschätzung: v nicht konstant, sondern nimmt ab durch gravitative Abbremsung

21 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Wie groß ist das (sichtbare) Universum? Es ist gut möglich, dass es schon sehr viel ältere Universen gibt, denn vermutlich gab es viele Big Bangs Licht ist die schnellste Kommunikation (Lichtgeschwindigkeit c), so ein Lichtstrahl kann maximal 13,8 Milliarden Lichtjahre zurückgelegt haben. Dies entspricht einem Abstand D=ct= m/s x Jahre x 3,15 x10 7 s/Jahr= ca m Dieses sichtbare Teil ist vermutlich ein sehr kleiner Teil unseres Universums Zum Vergleich: unsere Galaxie ist ca m groß, Das sind ca Lichtjahre. Raumschiff mit Lichtgeschwindigkeit braucht also Jahre um durch unsere Galaxie zu fliegen! Problem bei dieser Abschätzung: Universum expandiert gleichzeitig, also größer, siehe VL2

22 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Die kritische Energie nach Newton Dimensionslose Dichteparameter: M m v

23 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Einfluss des Dichteparameters auf die Expansion Vergleich mit einer Rakete mit U T Radius des sichtbaren Universum S, d.h. S(t) bestimmt Zukunft des Universums! Offenes Univ. (T>U) Flaches Univ. (U=T, E=0) Geschlossenes Univ. (T

24 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10,

25 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Zeitabhängigkeit des Skalenfaktors S(t) bei =1 r S(t) und 1/r 3 E=0 (flaches Universum)

26 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Altersabschätzung des Universum für =1 Oder dS/dt = H S oder mit S = kt 2/3 2/3 k t -1/3 = H kt 2/3 oder t 0 = 2/(3H 0 ) a Richtige Antwort: t 0 1/H a = 14 Gyr, da durch Vakuumenergie nicht-lineare Terme im Hubbleschen Gesetz auftreten (entsprechend abstoßende Gravitation). 0 =1/H 0, da tan α = dS / dt = S 0 / t 0 uni = 2 / 3H 0

27 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Zum Mitnehmen: 1. Gravitation bestimmt Geschehen im Weltall 2. Comoving coordinates erlauben Rechnungen OHNE die Expansion zu berücksichtigen. Nachher werden alle Abstände (und auch die Zeit, siehe VL2) mit dem Skalenfaktor S(t) multipliziert. 3.Zeitabhängigkeit des Skalenfaktors: S = kt 2/3 4. Hubblesches Gesetz: v=HD H = Expansionsrate = v/D = h 100 km/s/Mpc (VL2) h = = Hubblekonstante in Einheiten von 100 km/s/Mpc

28 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Zum Mitnehmen: 5. Alter des Universums für = 1 und ohne Vakuumenergie: t 0 = 2/(3H 0 ) a Dieser Wert ist zu niedrig, weil die beschleunigte Expansion durch die Vakuumenergie vernachlässigt wird. Korrekter Wert: 1/H 0 = 14 Milliarden Jahre = 14 Gyr

29 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Schwerpunktfach 20 ECTS =v4u2+v2u1+v2u1 Erg ä nzungsfach 14 ECTS= v2u2 +v2u1 Nebenfach 8 ECTS= v2u2 Einschr ä nkungen: eins der F ä cher muss theoretisch und eins muss experimentell sein. Erg ä nzungsfach darf nicht aus dem Bereich der Nebenf ä cher (Elektronik, Datenanalyse) sein, es sei denn dieses Fach ist auch in einer der 7 Themenbereiche vermerkt. Erg ä nzungsfach darf nicht im gleichen Bereich wie Schwerpunktfach sein. Kosmologie und Studienplan

30 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Schwerpunktfach (benotet im Abschluss) exp. Teilchenphysik I (v2u2=8P), eine der exp. Teilchenphysik II VL (v2u1=6P) Datenanalyse (v2u1=6P) Total=20ECTS Ergänzungsfach: (benotet im Abschluss) (darf keine Module aus dem Schwerpunktfach enthalten) Kombination aus Astroteilchenphysik I (v2u2=8P) Kosmologie (v2u1=6P) Detektoren oder Elektronik oder eine der weiteren Astroteilchenphysik VL (v2u1=6P) Total=14 ECTS Beispiel: Fächer für Teilchenphysiker

31 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Nebenfach: (NICHT benotet im Abschluss) Theoretische Teilchenphysik (v4,u2) (=12 ECTS) Obwohl nur 8 gebraucht werden, bekommt man 50% mehr ECTS bei TTP, aber es gibt kein Theorie-light in der Teilchenphysik. Man kann natürlich ein nicht theoretisches Nebenfach nehmen (Elektronik, Datenanalyse) und TTP1 als Ergänzungsfach nehmen, aber dann wird es benotet. Aber man sollte als Detektorbauer eine sehr gute Note bei TTP1 als Ergänzungsfach bekommen, wenn man nachher promovieren möchte. Beispiel: Fächer für Teilchenphysiker

32 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Zukunftschancen für Teilchenphysiker Datenanalyse: umgehen mit großen Datenmenge Analysetechniken,wie neuronale Netze Ergebnisse der Datenanalysen können sein: Absatzprognosen Risikovorhersagen Produktempfehlungen Bestellmengenoptimierungen Beschaffungsvorschläge Kündigungsverhinderungen Social-Media-Aktivitäten

33 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Zukunftschancen für Teilchenphysiker Kenntnisse über Halbleitertechnology: CMS Detektor hat 200 m 2 Si verbaut, Strahlungshärte unserer Elektronik VIEL besser als die des Militärs Berufschancen: Raumfahrttechnik, Autoindustrie (z.B. bei Bosch, herausfinden warum Auto-Elektronik so anfällig ist…)

34 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Zukunftschancen für Teilchenphysiker Kenntnisse über Strahlung: Berufschancen: Strahlungsmonitore, Bestrahlungen in Industrie und Medizintechnik

35 Wim de Boer, KarlsruheKosmologie VL, 18.10, Schwerpunktfach (benotet im Abschluss) Astroteilchenphysik I (v2u2=8P), Astroteilchenphysik II (v2u1=6P), Kosmologie (v2u1=6P) Total=20ECTS Ergänzungsfach: (benotet im Abschluss) (darf keine Module aus dem Schwerpunktfach enthalten) Datenanalyse(v4u2=8P) (v4u2=8P) Detektoren oder Beschleunigerphysik (v2u1=6P) Total=14 ECTS Nebenfach: (NICHT benotet im Abschluss) Theoretische Teilchenphysik (v4,u2) (=12 ECTS) Beispiel: Fächer für Astroteilchenphysiker


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