Kosmologie heute Vikariats-Regionalseminare Enkirch und „Nord“

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

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

3 Kosmische Entfernungen 1
0.1 Mio Lj

4 Kosmische Entfernungen 2

5 Kosmische Entfernungen 3

6 Kollision

7 Kosmische Entfernungen 4

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

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

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

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

12 Entfernte Galaxien

13 Messungen: Hubble-Parameter

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

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

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

17 Penzias und Wilson

18 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.

19 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.

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

21 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

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

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

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

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

26 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.

27 3000 K  Aufbrechen der Atome
Freie Atomkerne und Elektronen und Photonen Temperatur H- und He-Atome und Photonen

28 1010 K  Aufbrechen der Atomkerne
Freie Nukleonen (Protonen und Neutronen) und Photonen Temperatur Atomkerne und Photonen

29 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

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

31 Geschichte des Universums

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

33 Masse im Universum gesichert Mehr oder weniger gesichert

34 Rotation von Galaxien Starre Rotation Differentielle Rotation

35 Halo aus dunkler Materie

36 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

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

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

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

40 Krümmung

41 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

42 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

43 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

44 z=5 Computer Simulation

45 z=3 Computer Simulation

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

47 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

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

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

50 Großräumige Verteilung der Galaxien im Universum

51 Resultate: COBE materieverteilung

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

53 WMAP 2002

54 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

55 Anisotropie und Krümmung
Schluß: Das Universum ist flach !

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

57 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

58 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

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

60 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

61 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”

62 Dank für die Aufmerksamkeit Ende

63 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

64 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.

65 Grossräumige Strukturen

66 Schwarz

67 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)

68 Messungen: Hubble-Parameter

69 Krümmung des Universums
Riemannsche Geometrie Optische Effekte

70 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

71 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 ??