Expansion+Dunkle-Energie.ppt AC-Rathaus, 2. Februar 2006 J. Jersák, Theoretische Physik, RWTH Aachen Das ist nicht der Anfang

Expansion des Universums und dunkle Energie Anfang

Geschichte des Universums Aus Dorn-Bader Schulbuch, S.359 CMB

Geschichte der Expansionsforschung Bekannt seit 1920-er (erst nach ART 1915) Theorie der Expansion mit ART: De Sitter (Niederlande), Friedmann (Russland), Lemaître (Belgien, L'Hypothèse de l'Atome Primitif ), … Erste Beobachtung: Rotverschiebung naher Galaxien wächst mit Abstand Evidenz für die Expansion: Hubble (USA) Ab 1995: Beobachtungen weit entfernter Galaxien Evidenz für eine beschleunigte Expansion

Millikan, Lemaître, Einstein

Geschichte der Expansion Bekannt seit 1920-er (erst nach ART 1915) Theorie der Expansion mit ART: De Sitter (Niederlande), Friedmann (Russland), Lemaître (Belgien, L'Hypothèse de l'Atome Primitif ), … Erste Beobachtung: Rotverschiebung naher Galaxien wächst mit Abstand Evidenz für die Expansion: Hubble (USA) Ab 1995: Beobachtungen weit entfernter Galaxien Evidenz für eine beschleunigte Expansion

Verständnis der Expansion 1920-1990-er: „einfache“ Erklärungen der Expansion ohne ART (bombenartige Explosion in starrem Raum mit Newtonscher Mechanik, SRT, Doppler-Effekt, Energieerhaltung, etc.) nicht anwendbar bei grossen Abständen Heute: konsequent ART + dunkle Energie Beides gegründet von Einstein

Universum auf kosmologischen Zeitskalen (Giga…) 1 Gy = 1 000 000 000 y = Milliarde Jahre Sonnensystem 4,5 Gy Unsere Galaxie 10 Gy Universum seit dem Urknall t0 = 14 Gy Kosmische Hintergrundstrahlung (CMB) 400 000 y = 0,000 4 Gy Urknall (Big Bang) t = 0

Universum auf kosmologischen Längenskalen (Giga…) 1 Gly = 1 000 000 000 ly = 1 Milliarde Lichtjahre Galaxien 0,000 1 Gly Galaxienhaufen 0,001 Gly Gleichmässige Materieverteilung (keine Strukturen) ab 1 Gly Beobachtbares Universum (Radius) 46 Gly

Dunkle Materie im Halo um eine Galaxie Dunkle Masse ≈ 10x sichtbare Masse Artist‘s view D.B.Cline, SciAm March 03

Verteilung der Galaxien über den ganzen Himmel http://spider.ipac.caltech.edu/staff/jarrett/papers/LSS/

Kosmische Hintergrundsstrahlung (CMB) aus allen Himmelsrichtungen mit Temperatur T0 = 2,7..°K Temperaturschwankungen nur sehr fein 0,000 02 °K (WMAP Satelit)

Kosmische Mikrowellen-Hintergrundsstrahlung (CMB) aus allen Himmelsrichtungen bei gröberer Temperaturauflösung: T0 = 2,7..°K W. Hu, http://background.uchicago.edu/%7ewhu/beginners/introduction.html

(Gleichmässige Materieverteilung) Auf kosmologischen Skalen ist das beobachtbare Universum überall gleich (Gleichmässige Materieverteilung)

Beobachtung der Supernovae zeigt die Expansion auch auf grössten Abständen

Das Universum ist gleich und expandiert auf allen Entfernungsskalen Für das heutige Verständnis wird die allgemeine Relativitätstheorie (ART) . verwendet Achtung!!!...!!! Die spezielle Relativitätstheorie (SRT) ist auf kosmologischen Entfernungen . NICHT anwendbar!

SRT, Schwarze Löcher, Expansion Eigenschaften des Raumes in der ART ∩ Schwarze Löcher … SRT Expan- sion

Kosmische Zeit t Universumsalter t Heute: t = t0 ( = 14 Gy) gültig in ganzem Universum ART => Kein Inertialsystem dafür notwendig Weil das Universum überall gleich ist, ist es auch überall gleich alt Universumsalter t Wird durch die Expansionsbewegung wie durch eine Sanduhr definiert Heute: t = t0 ( = 14 Gy)

Kosmischer Abstand D(t) Alle Richtungen gleichwertig Es genügt nur den ± Abstand D(t) zwischen Paaren von entfernten Galaxien in beliebiger Richtung zu betrachten Demo von 1-dim ART-Raum Gummiband ≈

Gute Näherung: ≈ APOD

Der Raum expandiert, aber bleibt lokal immer gleich Der Raum expandiert, aber bleibt lokal immer gleich. Galaxien entfernen sich voneinander, aber sie ruhen im Raum und expandieren nicht. t

2-dim Modell der Expansion C. H. Lineweaver and T. M 2-dim Modell der Expansion C.H.Lineweaver and T.M.Davis, Scientific American, March 2005 Bitte lesen

Luftballon- Oberfläche als 2-dim Modell des Universums Beobachtbarer Teil des Universums ist ≈ flach

Abstand zwischen Galaxien wächst,weil der Raum dazwischen expandiert

Was ist die Expansion: Expansion = Dehnung des . Raumes selbst Deshalb entfernen sich Galaxien voneinander Recessionsgeschwindigkeit v . der ruhenden Galaxien ist nicht eine mechanische Bewegung der Galaxien durch den Raum!

Recessionsgeschwindigkeit v der Galaxien Das Hubble-Gesetz (in einer modernen Form) Recessionsgeschwindigkeit v der Galaxien ist rigoros proportional ihrem Abstand D H(t) … Hubble-Expansionsparameter misst die Expansionsgeschwindigkeit des Universums

H(t) D(t) = v = c DH(t) = c/H(t) Hubble-Abstand DH(t) H(t) D(t) = v = c DH(t) = c/H(t) Für D(t) > DH(t) ist v(t) > c !!!

Es ist kein Wiederspruch zur SRT Expansion überträgt kein Signal SRT gilt an jedem Ort . = lokal (in jeder Galaxie) Lokal ist die Lichtgeschwindigkeit immer c Lokal ist c die Grenzgeschwindigkeit Bei grossen Abständen ist die SRT nicht anwendbar

Kosmologische Rotverschiebung z Wellen- kamm ≈

Der Abstand zwischen Wellenkämmen des Lichtes wächst

Kosmologische Rotverschiebung z Expansion der Wellenlänge λ des Lichtes während des Fluges durch den expandierenden Raum Hat nichts zu tun mit dem Bewegungszustand der Quelle . => kein Dopplereffekt!

Typische beobachtete Werte von z Erste Beobachtungen von Hubble 1929 D < 0,04 Gly z < 0.0003 Galaxien auf dem Hubble-Abstand D = DH = 14 Glyr v = c z = 1.5 Quasare bis z ≈ 6.4 CMB Quelle: v= 3c z = 1090

Universum auf kosmologischen Geschwindigkeitsskalen c = 300 000 km/s Mechanische Geschwindigkeiten durch den Raum: Erde um Sonne 0,0001c Typische Galaxienbewegung 0,003c Grosse Recessionsgeschwindigkeiten: Galaxien mit z > 1,5 (> tausend beobachtet!) > c Quelle der CMB heute (z = 1090) 3c Quelle der CMB „damals“ 50c

auf allen Abständen gleichzeitig Kosmische Skala a(t) Abstand normiert auf den heutigen Alle Längenskalen in der Kosmologie sind proportional zu der kosmischen Skala a(t) bestimmt die Expansion auf allen Abständen gleichzeitig

a(t) beschreibt die Expansion a(t0) = 1 D(t0) heute a(t) = 2 D(t) = 2D(t0) a(t) = 1/1000 D(t) = D(t0)/1000

Wie schnell expandiert das Universum? Hubble-Gesetz: v(t) = H(t) D(t) H(t) gross … schnellere Expansion H(t) klein … langsamere Expansion H(t) = ? <=> a(t) = ?

Empirische Eigenschaften des H(t): H(t) ist t-abhängig Nach dem Urknall nimmt für lange Zeit ab H(t) ~ 1/t => verlangsamte Expansion Seit ein paar Gy H(t) ≈ const => beschleunigte Expansion Der heutige Wert („Hubble-Konstante“): . H(t0) = 70 km/s Mpc (1Mpc = 3 000 000 ly) … und THEORIE ???

Qualitative Beschreibung der Expansionsbeschleunigung: Materie bremst die Expansion Einsteinsche Kosmologische Konstante Λ beschleunigt die Expansion

A. Friedmann

THEORIE der Expansion Gleichungen der Einsteinschen ART . (Friedmann-Lemaître Gleichungen ohne Druckterm)

Wirkung der Materie Negativer Beitrag zur Beschleunigung Bremst die Expansion Könnte sogar zur Schrumpfung führen Die Dichte nimmt bei der Expansion ab:

Kosmologische Konstante Λ Positiver Beitrag zur Beschleunigung der Expansion Bleibt konstant mit t Von Einstein 1917 eingeführt zur Kompensation des negativen Materiebeitrags, um ein statisches Universum zu erreichen Nach der Endeckung der Expansion von Einstein bedauert: “biggest blunder of my life“ (≠ „Eselei“!) Die zweitgrösste Entdeckung von Einstein (nach ART)?

Willem de Sitter

Exponentiell beschleunigte Expansion De Sitter Universum Universum ohne Materie, nur mit Λ De Sitter 1917: Exponentiell beschleunigte Expansion

Entdeckung der letzten 10 Jahre: Supernovae-Beobachtungen => Die Expansion beschleunigt sich! Ein Beschleunigungsterm wie das Λ ist notwendig

Was bewirkt die Beschleunigung? Naturkonstante = kosmologische Konstante Λ à la Einstein? Energie des Vakuums (Quanteneffekt)? Zu erwarten, aber Theoretiker können sie nicht berechnen Quintessenz? Ein neues Feld ≈ Λ(t)? Vorschlag von Ch. Wetterich (Heidelberg) u.A.

Standard-Modell der alten Griechen Quintessenz ! Feuer , Luft, Wasser, Erde ! Standard-Modell der alten Griechen Ch. Wetterich

„DUNKLE ENERGIE“ Niemand weiss, was das ist, Naturkonstante Λ, Vakuumenergie, Quintessenz, ??? Kosmologen brauchen irgendetwas davon: „DUNKLE ENERGIE“ Niemand weiss, was das ist, weil es durchsichtig (unbeobachtbar) ist! - Spannung des leeren Raumes („negativer Druck“) - Eine ganz neue Kategorie?

Energie im heutigen Universum 73±% dunkle Energie dominiert 4% bekannte Materie ≈ Atome (Sterne, H-Gas, wir) 23±% unbekannte Materie („dunkle Materie“) Materie bremst, dunkle Energie beschleunigt die Expansion WMAP

Zukunft des Universums? NASA

Bleiben Sie dran! Perspektiven „Cosmologists are often wrong, but never in doubt“ . L.D. Landau Ich bin kein Kosmologe Ist das heutige Verständnis der Expansion schon richtig? Bleibt diese bizarre dunkle Energie und was ist sie? Neue Überraschungen möglich Bleiben Sie dran!

Eine weit entfernte Supernova

Evidenz für beschleunigte Expansion

Riess et al. 2004

v-z Abhängigkeit Bestes Modell

Warum ist das beobachtbare Universum grösser als ct0 = 14 Gly Warum ist das beobachtbare Universum grösser als ct0 = 14 Gly? Weil der Raum selbst wächst (Engl.:billion = Deutsch: Milliarde) t

Dorn-Bader Schulbuch S.357

z-a(t) Beziehung t … Zeit der Emission (t < t0) Rigoros: 1+z misst die Expansion des Universums zwischen den Zeiten t und t0 Z > 0 ist die Evidenz für die Expansion

Lichtsignal in unserer Richtung hinter DH(t) Entfernt sich von uns weil Recession: Lokale Lichtgsignal- geschwindigkeit Gesamt-geschwindigkeit

DH(t) = c/H(t) wächst mit t