Kosmologie heute Vikariats-Regionalseminare Enkirch und „Nord“ 30. Sept. 2004 K. Goeke, Ruhr-Universität Bochum

Inhalt Galaxien, Galaxiengruppen Expansion des Universums Mikrowellenhintergrund Urknall (Big Bang) Dunkle Materie Frühe Phasen des Universums Spuren der frühen Phasen heute

Kosmische Entfernungen 1 0.1 Mio Lj

Kosmische Entfernungen 2

Kosmische Entfernungen 3

Kollision

Kosmische Entfernungen 4

Kosmische Entfernungen 5 Füge besser das naechste Bild ein, klarer. Strukturen: Wie kamen sie zustande ?

Inhalt Galaxien, Galaxiengruppen Expansion des Universums Mikrowellenhintergrund Urknall (Big Bang) Dunkle Materie Frühe Phasen des Universums Spuren der frühen Phasen heute

Expansion des Universums Wellenlänge des Lichts expandiert mit dem Universum Temperatur des Universums nimmt mit der Expansion ab

Expansion Jeder Beobachter hat den Eindruck, alle anderen Beobachter würden sich von ihm entfernen. Kein Punkt ausgezeichnet vor anderen.

Entfernte Galaxien

Messungen: Hubble-Parameter

Zukunft des Universums festgelegt durch Krümmung Vergangenheit: Urknall - Big Bang

Krümmung des Universums Gauss, 1818: Messung der Winkelsumme im Dreieck Brocken-Inselsberg-Göttingen heute Glaubte man früher

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Penzias und Wilson

Schwarzer Körper Photonen und Atome stehen permanent in starker Wechselwirkung Thermisches Gleichgewicht zwischen Strahlung und Atomen Temperatur von Ofen und Strahlung gleich  spezielle Strahlung Intensitätsverteilung der Frequenzen (Energien, Wellenlängen) der Strahlung im Inneren des Schwarzen Körpers hängt nur von der Temperatur und nicht vom strahlenden Material ab.

Schwarzer Körper vs. Universum Messung der Frequenzen und ihrer Intensitäten Universum ist erfüllt von einer Schwarz- körperstrahlung Messung der Temperatur Sagen, dass man den Eisenklotz abkuehlt und dann die Strahlung bekommt CMB Verteilung der Strahlung über Frequenzen (Energieverteilung) hängt nur von der Temperatur ab.

Mikrowellenhintergrundstrahlung Strahlung ist die eines Schwarzen Körpers Temperatur, ein einziger Parameter, ganz spezielle Strahlung T =

Mikrowellen: Mikrowellen aus dem Mikrowellen-Herd haben eine andere Energieverteilung über die Frequenzen als die kosmische Hintergrundstrahlung. Vorziehen vor das wichtigste Photo, bringe den Begriff des Photons

Isotropie der Hintergrundstrahlung Wichtigstes "Photo" des 20. Jahrhunderts Durchbruch für Urknall-Theorie

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Expansion des Universums Wellenlänge des Lichts expandiert mit dem Universum Temperatur des Universums nimmt mit der Expansion ab

Big Bang „Presse“ Universum zusammen und „schraube“ Temperatur hoch, Mikrowellen werden kurzwelliger und damit energiereicher Zeit Urknall heute

Aufbruch der Atome Photonen von 3 Kelvin sind nicht energiereich genug, um Wasserstoff zu ionisieren. Photonen von 3000 Kelvin sind energiereich genug, um Wasserstoff zu ionisieren.

3000 K  Aufbrechen der Atome Freie Atomkerne und Elektronen und Photonen Temperatur H- und He-Atome und Photonen

1010 K  Aufbrechen der Atomkerne Freie Nukleonen (Protonen und Neutronen) und Photonen Temperatur Atomkerne und Photonen

1012 K  Aufbrechen der Nukleonen Freie Quarks und Gluonen und Photonen Temperatur Im quark gluon plasma nur freie elementare Teilchen, keine komplexen zusammengesetzten Systeme mehr. Und natuerlich Photonen, vielleicht auch optisch darstellen Nukleonen und Photonen

Strahlung  Materie Strahlung erzeugt Teilchen- Antiteilchen-Paare Teilchen- Antiteilchen-Paare vernichten sich zu Strahlung

Geschichte des Universums

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Masse im Universum gesichert Mehr oder weniger gesichert

Rotation von Galaxien Starre Rotation Differentielle Rotation

Halo aus dunkler Materie

Heisses Gas  Dunkle Materie Die sichtbare Materie reicht nicht aus Die heisse Gaswolke gravitativ zu- Sammenzuhalten NGC 2300 NGC 720 Die Röntgenemission der NGC 2300 Gruppe beweist, daß es Dunkle Materie auch zwischen die Galaxien gibt. Gäbe es keine Dunkle Materie zwischen den Galaxien, wäre es unmöglich, das heiße, röntgenstrahlende Gas zwischen den Galaxien für lange Zeit zu halten, wir könnten es daher nicht beobachten. Teilchen der dunklen Materie noch unbekannt  Vermutungen  LHC

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Krümmung des Universums negativ Krümmung des Universums flach Omega = 1 ist ein ganz spezielleer Fall, warum gerade dieser, warum nicht 0.000000000003 oder 537000 positiv

Kein Zufall, sondern Mechanismus Warum flach ?? Flaches Universums Omega = 1 ist ein ganz spezielleer Fall, warum gerade dieser, warum nicht 0.000000000003 oder 537000 Kein Zufall, sondern Mechanismus

Krümmung

Inflationäres Universum Inflation beherrscht von skalarem Quantenfeld Universum extrem klein, kleiner als Proton Inflationäre Expansion ist exponentiell Alle 10**(-36) sec verdoppelt sich Universum Inflation endet nach 10**(-34) sec Radius hat sich um 10**(+43) vergrößert Universum ist strahlungsdominiert

Quantenfluktuationen bei Inflation Weil universum so klein, deshalb quanteneffekte, mikroskopisch, so etwas wie die Eigenschwingungen der Lluftsäle in einer einer Orgelpfeife, naheliegendes beispiel, aber i uivesum nicht so regelmäßig Energiedichte bedeutet dichte von Strahlung bedeutet erzeugung von teilchen und antiteilchen, bedeutet in massendichte um dafuer sogar ein eigenes Bild mit der Teilchen-Antiteilchen reaktion in klein dabei

Dichte-Instabilität Dichtefluktuationen vergrößern sich durch gravitative Anziehung. Unterdichte Bereiche wachsen und werden dünner Zunächst auf kleinen Skalen, dann auf größeren selbstähnlich Überdichte Bereiche schrumpfen und werden dichter Koppeln sich von der Expansion ab Bilden stabile selbstgravitierende Bereiche

z=5 Computer Simulation

z=3 Computer Simulation

z=1 Computer Simulation Z weglassen, zeit hinschreiben, ganz früh, früh , später

Computersimulation mit dunkler Materie Hier als nechstes photo die a Anfang dargestellte inhomogenität des nahen universums bringen und bereits als resultat de5r frühen quantenoszillationen darstellen

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Entwicklungsphasen des Universums Urknall, inflationäre Ausdehnung, Enstehung des kosmischen Hintergrundstrahlung nach 400000 Jahren heute

Großräumige Verteilung der Galaxien im Universum

Resultate: COBE materieverteilung

Boomerang: Größere Genauigkeit Boomerang 1999: Viel genauer als COBE WMAP noch deutlicher, zeige ein bild davon Mond

WMAP 2002

WMAP: Präzisionsmessung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung Cosmic Background Sat. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Universum 13.7 Mrd. Jahre alt Hubble-Parameter genau Universum ist flach Fluktuationen  Inflationsmodell

Anisotropie und Krümmung Schluß: Das Universum ist flach !

Zukunft des Universums festgelegt durch Krümmung Universum expandiert beschleunigt Universum flach Dunkle Energie Kosmologische Konstante Urknall und Inflation Vergangenheit: Urknall - Big Bang

Energieverteilung im Universum Mehr oder weniger gesichert Wird erklaert duch die physik nach 10**-30 sec, Dunkle Energie vermutlich vorher, mache das links optisch klar, färbe auch Pfeil für dunkle Energie anders Ursprung unbekannt

Einsteins kosmologische Konstante Einstein – Friedman: kosmologische Gl. Einstein wollte statisches Universum Führte deshalb negative kosm. Konst. L ein Hubble entdeckte Expansion Einstein: L ist eine Eselei Beschleunigte Expansion heute entdeckt Positives L gefordert

Das Universum: Entwicklung Entstanden von 13-14 Mrd. Jahren Hot Big Bang: Inflation Expansion und Abkühlung Sukzessives „Ausfrieren“ von Strukturen Entkopplung Strahlung-Materie (400000 y) Entstehung von Sternen und Gaswolken Gravitative Ballung zu Galaxien und Haufen Abkühlung der Hintergrundstrahlung (CMB)

Universum: Struktur Krümmung: Flach Ausdehnung: Unendlich Expansion: für immer, vermutlich beschleunigt Fluktuationen im Mikrowellenhintergrund und in Galaxienverteilung hängen zusammen Vermutlich: Quanteneffekte von Inflationsphase Nicht verstanden: Ursprung der dunklen Energie Nicht vermutlich besseer wahrscheinlich

Physik  Schöpfung Physikalische Gesetze gelten heute auf der Erde. Zeigen sich in Labor-Experimenten. Sind reproduzierbar. Gelten auch im Universum. Gelten auch in frühen Phasen des Universums. Bisher konnte man sich dem Urknall (t=0) nähern, ohne die physikalischen Gesetze zu ändern. Wenn man sie ändert, muß das so geschehen, daß die gesicherten Erkenntnisse nicht berührt werden. Man kann sich vermutlich dem Urknall beliebig nähern, ihn aber niemals erreichen. Physik fragt nicht “warum”, sondern “wie”

Dank für die Aufmerksamkeit Ende

Entwicklung nach Entkopplung Materie: H, He Materie ballt sich und verdichtet sich Es bilden sich die ersten Sterne Die Sterne sammeln sich zu Galaxien Supernova-Explosionen bilden schwere Elemente Galaxien sammeln sich zu Haufen Großräumige Strukturen bilden sich aus Das heutige Universum entsteht

Entwicklung Universum: Tabelle Freie Elektronen, Quarks, Photonen, Neutrinos. Alles wechselwirkt intensiv mit jedem anderen Freie Elektronen, Protonen, Neutronen, Photonen, Neutrinos. Alles wechselwirkt intensiv mit jedem anderen. Protonen und Neutronen haben sich gebunden um Atome zu bilden, deshalb freie Elektronen, Atomkerne, Photonen, Neutrinos. Alles wechselwirkt intensiv mit jedem anderen, ausgenommen die Neutrinos, deren Wechselwirkungen jetzt zu schwach sind. Entwicklung Universum: Tabelle Wie vorher, nur daß das Universum nun materiedominiert ist. Das Universum ist nach wie vor undurchsichtig für Lichtstrahlen Atome haben sich formiert aus den Atomkernen und Elektronen. Die Photonen wechselwirken nicht mehr mit ihnen und kühlen sich ab, um das zu bilden, was wir heute als Mikrowellenhintergrund bezeichnen. Das Universum ist nun durchsichtig für Lichtstrahlen.

Grossräumige Strukturen

Schwarz

Materiedominanz und Entkopplung log(Temperatur) Geht man in der Zeit zurück, nimmt die Temperatur des Universums zu strahlungsdominiert 11600 K materiedominiert 3000 K log(Zeit)

Messungen: Hubble-Parameter

Krümmung des Universums Riemannsche Geometrie Optische Effekte

Teilchen der dunklen Materie Normale (baryonische) Materie ist fast immer geladen Protonen, Elektronen, etc. Nur Neutrinos sind ungeladen Teilchen der dunklen Materie sind ungeladen Geladene Teilchen wechselwirken immer durch Strahlung

Dunkle Materie: Supersymmetrie ? Zu jeder Teilchensorte existiert eine Spiegel-Teilchensorte Spiegelteilchen bisher noch in keinem Beschleuniger direkt nachgewiesen. Higgs-Teilchen wird postuliert, wurde aber noch nicht gefunden Neutralino: Leichtestes stabiles supersymmetrisches Teilchen Nur kurz bringen, dass das alles keine phantasie ist, aber eine noch ungeloeste Frage, die aber mit methodischer Klarheit angegangen wird, ohne Zauberei. Higgsino: Supersymmetrischer Partner des Higgs-Teilchens Ungeladenes Neutralino, Higgsino  Dunkle Materie ??