Die Temperaturentwicklung des Universums Hauptseminar „Der Urknall und seine Teilchen“ im SS 2005 Die Temperaturentwicklung des Universums

Gliederung Motivation Säulen des Big-Bang-Modells Herleitung der Temperaturentwicklung Phasen des Universums Zusammenfassung 16.04.2017 Marcus Käpplein

Motivation Weltmodelle zu Beginn des 20. Jahrhunderts Steady-State-Modell: Universum ist stabil und starr Einsteins Kosmologische Konstante Λ wirkt der Gravitation entgegen  Universum fällt nicht in sich zusammen Big-Bang-Modell Universum expandiert Universum entstand in einer Singularität, dem Urknall oder Big-Bang 16.04.2017 Marcus Käpplein

Säulen des Big-Bang-Modells Hubble-Expansion  Rotverschiebung 16.04.2017 Marcus Käpplein

Expansion des Raumes  Rotverschiebung Hubble-Expansion Expansion des Raumes  Rotverschiebung Ausdehnung des Raumes: beobachtete Rotverschiebung z  Expansion des Universums um den Faktor (1+z) 16.04.2017 Marcus Käpplein

Säulen des Big-Bang-Modells Hubble-Expansion  Rotverschiebung Kosmische Hintergrundstrahlung 16.04.2017 Marcus Käpplein

Kosmische 3K-Hintergrundstrahlung „Das Nachleuchten des Urknalls“: Fast ideales Schwarzkörperspektrum Temperatur von T = 2,73 K Fast vollständig isotrop 16.04.2017 Marcus Käpplein

Auflösung: 0-4 K (blau-rot) Auflösung: rot 0.0002 K wärmer als blau 16.04.2017 Marcus Käpplein

Säulen des Big-Bang-Modells Hubble-Expansion  Rotverschiebung Kosmische Hintergrundstrahlung Altersverteilung der Sterne 16.04.2017 Marcus Käpplein

Altersverteilung der Sterne Im Universum finden sich keine Sterne, die älter sind als etwa 13 Milliarden Jahre. Das Universum ist auch „nicht viel“ älter als 13 Milliarden Jahre 16.04.2017 Marcus Käpplein

Säulen des Big-Bang-Modells Hubble-Expansion  Rotverschiebung Kosmische Hintergrundstrahlung Altersverteilung der Sterne Häufigkeit der Elemente 16.04.2017 Marcus Käpplein

Häufigkeit der Elemente Die Verteilung der Elemente im Kosmos stimmen sehr gut mit den theoretischen Voraussagen des Standard-Big-Bang-Modells überein. 16.04.2017 Marcus Käpplein

Temperaturentwicklung Universum dehnt sich aus Universum entstand in einer Singularität Hohe Dichte Hohe Temperatur 16.04.2017 Marcus Käpplein

Plancksches Strahlungsgesetz: Temperaturentwicklung Das Universum ist ein schwarzer Körper Plancksches Strahlungsgesetz: 16.04.2017 Marcus Käpplein

Temperaturentwicklung Nach Stefan-Boltzmann-Gesetz gilt: im Einstein-deSitter-Universum: 16.04.2017 Marcus Käpplein

Phasen des Universums Planck-Ära 16.04.2017 Marcus Käpplein

Planck-Ära Bei t=0 ist das Universum in einer Singularität vereinigt Ausdehnung ist unendlich klein Druck, Dichte und Temperatur sind unendlich groß Vor Planck-Zeit (t<10-43s) verliert die Zeit ihre Eigenschaft als Kontinuum Unterhalb der Plancklänge (d<10-35m) verliert der Raum seine Eigenschaft als Kontinuum 16.04.2017 Marcus Käpplein

Planck-Ära Primordiales (urzeitliches) Quantenvakuum Die uns bekannten physikalischen Gesetze versagen Alle vier Naturkräfte sind in einer einzigen Urkraft vereint  Supersymmetrie Energie und Materie sind bis zur Unkenntlichkeit verzerrt 16.04.2017 Marcus Käpplein

Phasen des Universums GUT-Ära Planck-Ära 16.04.2017 Marcus Käpplein

GUT-Ära Nach 10-43 s war der Kosmos 1032 K heiß Universum war 10-35 m (Plancklänge) groß Dichte von 1094 g/cm³ Zur Planckzeit (10-43 s) spaltet sich die Gravitation von der Urkraft ab Der Rest bleibt in der X-Kraft (GUT) vereint X-Kraft wurde von superschweren X- und Y-Bosonen übertragen Von jeder Sorte gab es drei Teilchen mit Antiteilchen  Leptoquarks 16.04.2017 Marcus Käpplein

Phasen des Universums Inflation GUT-Ära Planck-Ära 16.04.2017 Marcus Käpplein

Inflation 10-36 s nach dem Urknall hatte das Universum eine Temperatur von T = 1027 K Die bekannten WW spalten sich von der X-Kraft ab Symmetriebrechung durch verzögerte Abspaltung (Unterkühlung) Universum expandiert zwischen 10-35 s und 10-33 s nach dem Urknall um das 1030 -fache 16.04.2017 Marcus Käpplein

Inflation Materie und Strahlung wandeln sich ständig ineinander um Teilchen und Energie befinden sich im thermischen Gleichgewicht Inflationstheorie bietet die Lösung für Großräumige Strukturen (Galaxien, Galaxienhaufen) Krümmung des Raumes Abwesenheit magnetischer Monopole Horizontproblem 16.04.2017 Marcus Käpplein

Horizontproblem 16.04.2017 Marcus Käpplein

Phasen des Universums Baryogenese Inflation GUT-Ära Planck-Ära 16.04.2017 Marcus Käpplein

Baryogenese Nach 10-36 s bei 1027 K zerfallen die schweren Bosonen und Antibosonen in Quarks und Leptonen, sowie deren Antiteilchen Materie- und Antimaterieteilchen zerstrahlen sofort zu hochenergetischen Photonen  Annihilation Annihilation war sehr häufig, da Universum sehr kompakt 16.04.2017 Marcus Käpplein

Baryogenese Gleich viel Materie wie Antimaterie  heute keine Materie Asymmetrie beim Bosonenzerfall: Zerfall eines X-Bosons in zwei up-Quarks wahrscheinlicher als in ein Positron und ein Antidown-Quark Das thermische Gleichgewicht war verletzt 16.04.2017 Marcus Käpplein

Phasen des Universums Quark-Ära Baryogenese Inflation GUT-Ära Planck-Ära 16.04.2017 Marcus Käpplein

Quark-Ära Universum hatte nach 10-33 s eine Temperatur von T = 1025 K Die X- und Y-Bosonen sterben aus Leptonen, Quarks und Antiquarks bilden sich Quark-Gluonen-Plasma aus freien Teilchen Nach 10-12 s und bei 1016 K spaltet sich Elektroschwache Kraft in die Schwache WW und die el.-magn. Kraft auf  vier Grundkräfte 16.04.2017 Marcus Käpplein

Phasen des Universums Hadronen-Ära Quark-Ära Baryogenese Inflation GUT-Ära Planck-Ära 16.04.2017 Marcus Käpplein

Hadronen-Ära Universum hatte nach 10-6 s noch 1013 K Quarks vereinigen sich zu Hadronen  Quark-Gluonen-Plasma verschwindet Schwere Hadronen zerfallen bis nur Protonen und Neutronen sowie deren Antiteilchen übrig bleiben Viele Neutrinos entstehen Durch Asymmetrie der Zerfallsprozesse bleibt ein Bruchteil (10-9) an Materie übrig 16.04.2017 Marcus Käpplein

Phasen des Universums Leptonen-Ära Hadronen-Ära Quark-Ära Baryogenese Inflation GUT-Ära Planck-Ära 16.04.2017 Marcus Käpplein

Leptonen-Ära Beginn: Nach 10-4 s war es 1012 K heiß, die Dichte betrug 1013 g/cm³ Ständig verwandeln sich Protonen in Neutronen und umgekehrt  viele Neutrinos entstehen Neutrinos wechselwirken kaum noch mit Materie  Neutrinos entkoppeln Annihilation hält an 16.04.2017 Marcus Käpplein

Leptonen-Ära Beginn: Temperatur reicht nur um Leptonen-Paare (e-, e+) zu bilden Leptonen übernehmen die Dominanz  Leptogenese Bis auf 10-9 verschwinden alle n und p Rest bildet die Materie unseres Kosmos 6 Protonen auf 1 Neutron  Helium-Anteil im Kosmos 16.04.2017 Marcus Käpplein

Leptonen-Ära Ende: Das Universum nach 1 s auf 1010 K abgekühlt Neutrinos sind nun endgültig von der Materie entkoppelt  Neutrinos und Materie nicht im thermischen Gleichgewicht Paarvernichtung der Protonen und Neutronen abgeschlossen 16.04.2017 Marcus Käpplein

Leptonen-Ära Ende: Annihilation der e- und e+ beginnt  bis Bruchteil von 10-9 an Materie übrig bleibt Die Bildung der Bausteine unserer Welt ist abgeschlossen Die Strahlung überwiegt Materie um den Faktor 1010 16.04.2017 Marcus Käpplein

Phasen des Universums Nukleosynthese Leptonen-Ära Hadronen-Ära Quark-Ära Baryogenese Inflation GUT-Ära Planck-Ära 16.04.2017 Marcus Käpplein

Primordiale Nukleosynthese Nach 10 s war das Universum 109 K heiß p und n fusionieren zu ersten Atomkernen: Deuteriumkerne p + n  D + γ Photonen zertrümmern die Deuterium-Kerne, die gleich wieder neu entstehen Protonen, Neutronen und Deuterium stehen im Gleichgewicht 16.04.2017 Marcus Käpplein

Primordiale Nukleosynthese Nach 1 Minute entsteht Deuterium, das nicht mehr zerfällt Freie Neutronen zerfallen mit einer Halbwertszeit von 15 min: n  p + e- + ν Anteil der Neutronen nur noch ein Siebtel der Protonen 16.04.2017 Marcus Käpplein

Primordiale Nukleosynthese Anzahl der Protonen und Neutronen unterliegen der Boltzmann-Verteilung: Für T = 109 K gilt: Die gemessenen 23% Heliumanteil sind evident 16.04.2017 Marcus Käpplein

Primordiale Nukleosynthese Fast alle Neutronen werden in 4He-Kernen gebunden Teil des Helium kann mit Tritium zu Lithium und mit ³He zu Beryllium reagieren: 4He + ³H  7Li + γ 4He + ³He  7Be + γ Beryllium zerfällt durch Elektroneneinfang zu Lithium 7Be + e-  7Li + γ 16.04.2017 Marcus Käpplein

Primordiale Nukleosynthese Heliumkerne fusionieren zu Kohlenstoffkernen 3 4He  12C Dichte zu gering, dass Helium zu Kohlenstoff fusioniert 16.04.2017 Marcus Käpplein

Primordiale Nukleosynthese Nach 30 Minuten ist Nukleosynthese beendet Es entstanden die ersten Atomkerne, davon waren 75 % Protonen (H-Kerne) 25 % Helium-Kerne (4He) 0,001 % Deuterium-Kerne Spuren von Lithium-Kernen Die Materie liegt aufgrund der hohen Temperatur als Plasma vor 16.04.2017 Marcus Käpplein

Phasen des Universums Ende Strahlungs-Ära – Beginn Materie-Ära Nukleosynthese Leptonen-Ära Hadronen-Ära Quark-Ära Baryogenese Inflation GUT-Ära Planck-Ära 16.04.2017 Marcus Käpplein

Ende der Strahlungs-Ära – Beginn der Materie-Ära Bisher stellte el.-magn. Strahlung den Hauptanteil der Energiedichte im Kosmos Energiedichte im Universum verdünnt sich Photonendichte und Teilchendichte nehmen ab Materiedichte nimmt langsamer ab (Ruhemasse)  10.000 Jahre nach dem Urknall überflügelt die Materie die Strahlung hinsichtlich ihres Beitrags zur Gesamtenergie Strahlungs-Ära endet  Materie-Ära beginnt 16.04.2017 Marcus Käpplein

Phasen des Universums Entkopplung der Strahlung Ende Strahlungs-Ära – Beginn Materie-Ära Nukleosynthese Leptonen-Ära Hadronen-Ära Quark-Ära Baryogenese Inflation GUT-Ära Planck-Ära 16.04.2017 Marcus Käpplein

Entkopplung der Strahlung Nach 397 000 Jahren ist das Universum noch 3000 K heiß Temperatur reicht nicht mehr zur Ionisation der Kerne aus Atomkerne können die zuvor freien Elektronen einfangen 16.04.2017 Marcus Käpplein

Entkopplung der Strahlung Atomkerne und Elektronen können zu ersten, nach außen neutralen Atomen rekombinieren Strahlung ww nicht mehr permanent mit freien Ladungen Universum wird durchsichtig Die Strahlung entkoppelt 16.04.2017 Marcus Käpplein

Entkopplung der Strahlung 16.04.2017 Marcus Käpplein

Entkopplung der Strahlung Diese Strahlung ist heute noch als 3-K-Hintergrundstrahlung zu sehen Photonen verlieren durch die Expansion Energie Ihre Wellenlänge nimmt zu (Rotverschiebung) Anzahl der Stöße jetzt wesentlich geringer  Fluktuationen der Dichte und Temperatur können sich ungestört ausbilden Strukturen frieren aus und beginnen das Universum zu formen 16.04.2017 Marcus Käpplein

Zusammenfassung Zeit Temperatur Phase „0“-10-43 s ∞ Planck-Ära 10-43 s GUT-Ära 10-36 s 1027 K Inflation Baryogenese 10-33 s 1025 K Quark-Ära 10-6 s 1013 K Hadronen-Ära 10-4 s 1012 K Leptonen-Ära 10 s 109 K Nukleosynthese 10.000 a 105 K Ende Strahlungs- Beginn Materie-Ära 397.000 a 3000 K Entkopplung der Strahlung 16.04.2017 Marcus Käpplein