Die Geometrie unseres Universums... ...und die Probleme des Standardmodells Franz Embacher Institut für Theoretische Physik Universität Wien Vortrag am GRG 1 Stubenbastei 20. Dezember 2005

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und M110

HST Deep Field

Größenordnungen im heutigen Universum Objekt(e) Echte Größenordnung Maßstab 1 : 3.09×1025 1 Mpc º 1 mm Radius der Milchstraße 0.03 Mpc 0.03 mm Dicke der Milchstraße 0.005 Mpc 0.005 mm Radius der Milchstraße inklusive Halo 0.1 Mpc 0.1 mm Radius der meisten Galaxien 0.1 - 1 Mpc 0.1 - 1 mm typischer Abstand zweier Galaxien 1 Mpc 1 mm Radius eines Galaxienhaufens (Cluster, ca 1000 Galaxien) 5 Mpc 5 mm typischer Abstand zweier Galaxienhaufen 50 Mpc 5 cm Radius eines Superhaufens 100 Mpc 10 cm Radius eines Leerraums (Void, größte beobachtete Strukturen) 200 Mpc 20 cm Radius des sichtbaren Universums 3000 Mpc 3 m   Größenordnungen im heutigen Universum 1 Mpc = 1 Megaparsec = 3.26 Millionen Lichtjahre

Allgemeine Relativitätstheorie „Materie krümmt den Raum“ Materiedichte und Druck krümmen die Raumzeit („Friedmann-Gleichung“) Die Rolle des Drucks (und der „Zustandsgleichung“) der Materie ist wichtig für die Kosmologie. Die ART sagt für gewöhnliche Materie eine Expansion des Universums voraus.

Krümmung = Verletzung der Gesetze der euklidischen Geometrie Was ist Krümmung? Krümmung = Verletzung der Gesetze der euklidischen Geometrie

HST – Einstein-Ring  Lichtablenkung 1

Geometrie des Universums Luftballon und Backofen Ist das Universum offen oder geschlossen? Zusammenhang zwischen Geometrie und Dichte Wie alt ist das Universum?

Luftballon und Backofen

Offen oder geschlossen? Zusammenhang zwischen Geometrie und Dichte: H offen („negativ gekrümmt“) Dichte < kritische Dichte Dichte = kritische Dichte (kritischer Grenzfall) offen („flach“) geschlossen („positiv gekrümmt“) Dichte > kritische Dichte

Offen oder geschlossen? Für ein materiedominiertes Universum: Zusammenhang mit der Zeitentwicklung: expandiert ewig expandiert ewig (kritischer Grenzfall) rekollabiert („Big Crunch“)

Wie alt ist das Universum? Aktueller Wert: t = 13.7 0.2 Milliarden Jahre

Probleme des Standardmodells Der Urknall Kosmologischer Horizont Horizontenproblem Flachheitsproblem Dunkle Materie und dunkle Energie Kosmologische Konstante?

Der Urknall als Singularität Ende (Anfang) von Raum und Zeit „Vor“ dem Urknall „gab“ es weder Raum noch Zeit Dichte und Druck  unendlich

Wo fand der Urknall statt?

Kosmologischer Horizont

Horizontenproblem Wie ist die Isotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung möglich?

Horizontenproblem

Wieso ist die heutige Dichte so nahe an der kritischen Dichte? Flachheitsproblem Wieso ist die heutige Dichte so nahe an der kritischen Dichte? Beobachtungen und Theorie: Dichte = zwischen 0.1 und 1 mal der kritischen Dichte Zusammenhang zwischen Dichte und Geometrie  das Universum ist nahe an der „kritischen Grenze“ zwischen offen und geschlossen. Vermutung: Dichte = kritische Dichte

Flachheitsproblem „fine tuning“ 3 Modelle: Dichten 1 Nanosekunde nach dem Urknall

Dunkle Materie und dunkle Energie Galaxienrotation Nukleosynthese Wir sehen nur einige Prozent der (baryonischen und nicht-baryonischen) Materie, die es geben muss. Baryonische Materie trägt nur zu etwa 2 % zum Energieinhalts des Universums bei.

Dunkle Materie und dunkle Energie Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:

Kosmologische Konstante? Einsteins „größte Eselei“ Vakuumenergie, negativer Druck Entfernung-Rotverschiebungs-Messungen an Typ Ia Supernovae  Abweichung vom Hubble-Gesetz, beschleunigte Expansion? Kosmologische Konstante, dunkle Energie? Ist das Universum heute materiedominiert oder dominiert von dunkler Energie?

Kosmologische Konstante?

Wie wird sich das Universum weiterentwickeln? Zur Zeit scheint es beschleunigt zu expandieren.

Das inflationäre Universum Exponentielle Expansion („inflationäre Phase“) im sehr frühen Universum Lösung des Flachheitsproblems Lösung des Horizontenproblems

Lösung des Flachheitsproblems Dichte  kritische Dichte

Lösung des Horizontenproblems

Quantentheorie und Quantengravitation Wie kamen Strukturen zustande, wenn der Urknall isotrop war?  Quantenfluktuationen Anisotropie der Hintergrundstrahlung Galaxienverteilung Quantengravitation: Entstehung des Universum aus dem Nichts?

Anisotropie der Hintergrundstrahlung DT -6 = 6 10 T COBE, 1992

Anisotropie der Hintergrundstrahlung DT -6 = 6 10 T WMAP, 2003

Galaxienverteilung

Galaxienverteilung

Quantengravitation: Entstehung des Universums... ...aus dem Nichts? Tunneleffekt: Entstehung des Universums:

Das anthropische Prinzip Sind die Naturkonstanten konstant? Symmetriebrechung Verschiedenartige Bereiche eines sehr großen Universums?  Anthropisches Prinzip: Der von uns bewohnte Bereich des Universum ist bewohnbar, da wir ihn ansonsten nicht beobachten könnten. Erklärung für die Werte der Naturkonstanten? „Test“: An den Naturkonstanten „schrauben“

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