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Kosmologie Eine kleine Einführung Rolf Landua CERN.

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Präsentation zum Thema: "Kosmologie Eine kleine Einführung Rolf Landua CERN."—  Präsentation transkript:

1 Kosmologie Eine kleine Einführung Rolf Landua CERN

2 Aber es gab da eine merkwürdige Beobachtung Vor dem 20. Jahrhundert schien das Universum ein ruhiger Platz zu sein. Es war nicht viel los. Die meisten Physiker glaubten das Universum sei unendlich in Raum und Zeit. Das Universum Das konnte nicht mit einem unendlichen grossen und alten Universum erklärt werden Nachts ist es dunkel

3 Olber’s "Paradox" Heinrich Wilhelm Olbers (1823) Wenn das Universum unendlich gross und gleichförmig mit leuchtenden Sternen gefüllt ist, dann wird man in jeder möglichen Blickrichtung irgendwo auf die Oberfläche eines Sterns blicken. Quantitativ: Jede Schale trägt mit ihrer Oberfläche bei ~ r 2 Die Lichtintensität nimmt ab mit ~1/r 2 Beitrag jeder Schale zur Gesamtintensität = constant Konsequenz: Das Universum ist nicht unendlich alt, oder... Das Universum ist nicht unendlich gross, oder... Beides Universum 1823 :

4 Edwin Hubble (1929) Mt. Palomar telescope Das Universum expandiert ! Rotverschiebung proportional zur Distanz der Galaxien 1929

5 Universelle Parameter Alter kosmischer Objekte < Milliarden Jahre Sonne ~ 4.7 Milliarden Jahre Universelles Verhältnis H:He ~ 3:1 ( t ~ min ) Kosmische Hintergrundstrahlung ? Voraussage (Gamov), ~ 5 K Today: H = 70±3 km s -1 Mpc -1 Hubble age (H -1 ) ~ 13.4 billion years

6 Die systematische Beobachtung von vielen Sternen in anderen Galaxien enthüllte eine erstaunliche Tatsache: Das Universum sieht in allen Richtungen und allen Entfernungen genau gleich aus: Hydrogen ~ 75 % Helium-4 ~ 25 % He-3 ~ % Deuterium ~ % Li-7 ~ % Dafür musste es einen Grund geben.... Universum

7 Das Universum enstand aus einem extrem heissen Anfangszustand Es dehnte sich dann schnell aus, wobei es abkühlte In der Anfangsphase war das Universum mit Strahlung gefüllt Aus dieser Strahlung materialisierten die Elementarteilchen 11948: Das 'Big Bang' Modell* vom Anfang des Universums Universe George Gamov * The name 'Big Bang' was used by Fred Hoyle to ridicule Gamov's idea. Later Fred Hoyle was ridiculed In den ersten drei Minuten war nur Zeit für die Fusion der leichtesten Atomkerne Es sollte ein ‘Echo’ des Urknalls geben: eine homogene Hohlraumstrahlung mit einer Temperatur von ca. 5 K

8 Universum Die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung (1963) Penzias and Wilson The Universe is a perfect ‘black body’ with T = 2.73 K

9

10 + Standard-Modell der... TeilchenphysikAllgemeine Relativitätstheorie = ‘Standard-Modell der Kosmologie”

11 Grösse des heute sichtbaren Universums x 100 At t = 1/1, s Energie ~ J Was sind hier die Naturgesetze ? Universe Der Anfang

12 Universe Die Rekonstruktion der Geschichte des Universums

13 Universe Big Bang Nucleosynthesis

14 Äquivalenzprinzip (Einstein, 1907) Universum Beschleunigung (träge Masse) ist ununterscheidbar von Gravitation (schwere Masse) 1907 "Der glücklichste Gedanke meines Lebens" (Albert Einstein) Aufzugbeispiel: Licht breitet sich auf einer parabolischen Kurve aus. Äquivalenzprinzip: in einem Gravitationsfeld wird Licht auch abgelenkt. Da Lichtstrahlen den kürzest-möglichen Weg im Raum definieren --> Raum (und Zeit) werden durch Gravitationsfelder gekrümmt

15 Albert Einstein ( ) : Allgemeine Relativitätstheorie Die Materie bewirkt die Krümmung des Raums Der Raum bestimmt die Bewegung der Materie George Lemaitre (1927) 1915 Universum

16 Friedmann beschrieb eine mögliche Lösung der Einstein-Gleichungen - ein expandierendes Universum Seine Gleichung verbindet die durchschnittliche Energiedichte " ρ " und den Krümmungsfaktor K mit der Expansionsrate a(t) 1915 Expandierendes Universum ?

17 Eine Frage war die Gesamtmasse des Universums. Im Prinzip kann das irgendeine Zahl sein. Entscheidend ist aber die ‘kritische Energiedichte’. Falls die durchschnittliche Energiedichte im Universum kleiner ist, wird das Universum für immer expandieren. Ist sie aber grösser, dann wird das Universum eines Tages wieder in sich zusammenfallen (‘big crunch’). Universum

18 Einstein mochte die Idee eines ‘dynamischen’ Universums überhaupt nicht. Er glaubte an ein ewiges und statisches Universum. Aber seine eigenen Gleichungen sagten etwas anderes voraus. Deshalb entschied er sich, an seiner Gleichung herumzupfuschen, und fügte eine sogenante ‘kosmologische Konstante’ ein. “Anti-Gravitation”

19 Universe Entstehung der CMB Fluktuationen T ~ 3700 K

20 Universe Study of the Cosmic Microwave Background (COBE) (Nobel prize 2006) T= 2.7 K  T= 3.3 mK (after subtraction of constant emission)  T= 18 µK (after correcting for motion of Earth)

21 Universe The most precise observation today (WMAP)

22 Analysis of inhomogeneities reveals the composition of the Universe

23 Universe The strange composition of the Universe

24 Universe Evidence for Dark Matter (1933)

25 Universe MORE EVIDENCE FOR “DARK MATTER” One central mass (Sun) Orbital speed vs Distance from center (Kepler - expect r -1/2 dependence) Milky Way

26 Universe GRAVITATIONAL LENSING AND EVEN MORE EVIDENCE FOR “DARK MATTER”

27 Universe Evidence for Dark Energy

28 Kosmologie des 21. Jahrhunderts Was ist dunkle Materie? - Strukturbildung ! - Galaxien, Galaxienhaufen, Gravitationslinsen? Was ist dunkle Energie? - Verbindung mit Vakuumenergie (Higgs?) - Expansion des Universums? - Kosmologische Konstante?


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