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Moderne Vorstellungen vom Urknall Matthias Bartelmann Zentrum für Astronomie, Institut für Theoretische Astrophysik Universität Heidelberg Physikdidaktisches Kolloquium, Erlangen, 12.06.2007

Moderne Vorstellungen vom Urknall Matthias Bartelmann

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Moderne Vorstellungen vom Urknall Matthias Bartelmann Zentrum für Astronomie, Institut für Theoretische Astrophysik Universität Heidelberg Physikdidaktisches Kolloquium, Erlangen, 12.06.2007. Einige Aussagen des Urknallmodells. Es gab einen Urknall. Er fand vor 14 Milliarden Jahren statt - PowerPoint PPT Presentation

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  • Moderne Vorstellungen vom Urknall

    Matthias BartelmannZentrum fr Astronomie, Institut fr Theoretische AstrophysikUniversitt HeidelbergPhysikdidaktisches Kolloquium, Erlangen, 12.06.2007

  • Einige Aussagen des UrknallmodellsEs gab einen Urknall.Er fand vor 14 Milliarden Jahren stattErste Elemente bildeten sich drei Minuten danach.400000 Jahre lang war das Universum undurchsichtig.Nur 4% der kosmischen Materie sind gewhnliches Material.Das Universum dehnt sich beschleunigt aus.Wie knnen wir solche Aussagen berhaupt wagen?

  • berblickWeltmodelleexperimentelle Sttzenkosmischer Schallkosmischer EinklangInflation

  • Weltmodellephysikalische Weltmodellevier Krfte: starke und schwache Wechselwirkung, Elektromagnetismus, Gravitationnur Gravitation ist wichtig fr die Kosmologiemoderne Gravitationstheorie: Einsteins Allgemeine Relativittstheorie (ART)Weltmodelle mssen aus der ART konstruiert werden

  • WeltmodelleMasse und Energie krmmen den RaumGleichungen der ART sind i.A. sehr kompliziertVereinfachung durch SymmetrieannahmenRichtungsunabhngigkeit um unses gibt keine ausgezeich-neten BeobachterFolge: Isotropie um jeden Ort, damit auch Homogenitt

  • WeltmodelleEinfache Weltmodelle: Friedmann-Modelleinstabil: dehnen sich aus oder ziehen sich zusammenwenige Stellschrauben:Dichtekosmologische KonstanteAusdehnungs-geschwindigkeitWie sind diese Stellschrau-ben eingestellt?

  • WeltmodelleGalaxienhaufen: bis zu etwa 1000 GalaxienGalaxien bewegen sich mit etwa 1000 km/sSchwerkraft der Galaxien reicht nicht, um sie zu halten5-10 Mal mehr Materie in Galaxienhaufen, als sichtbar ist!Dunkle Materie

  • Weltmodelleoptische Emission nur aus dem innersten Bereich von GalaxienWasserstoff-Emission ist wesentlich ausgedehnterUmlaufgeschwindigkeit bleibt bis zu groen Radien etwa konstantGalaxien mssen sehr viel mehr als die sichtbare Masse enthalten!

  • WeltmodelleKosmologische Konstante: eingefhrt von Einstein fr stabiles Universumunklar, worum es sich han-deln knnteentspricht einer Materieform mit negativem Druckknnte z.B. von bestimmten Elementarteilchen-Sorten beigetragen werden

  • experimentelle SttzenGalaxien bewegen sich in der Regel von uns weg (Slipher)sie tun das umso schneller, je weiter entfernt sie sind (Hubble)dies entspricht genau dem Verhalten der Friedmann-Modelle (Lematre)

  • experimentelle Sttzenunsere Nachbarschaft sieht keineswegs isotrop aus!zu je greren Entfernungen wir beobachten, desto isotroper wird das Universumim Mittel ist das Universum offenbar wirklich isotrop

  • experimentelle SttzenUniversum dehnt sich aus: es war frher kleiner und heieres muss aus einem Urknall entstanden seinbis etwa 3 Minuten danach konnte Kernfusion stattfindenleichte Elemente entstanden (v.a. D, He, Li)deren gemessene Hufig-keiten stimmen sehr gut mit den erwarteten berein

  • kosmischer Schallfrhes, heies Universum war undurchsichtig400000 Jahre nach dem Urknall: Atome entstanden, es wurde durchsichtigLicht konnte sich danach frei ausbreitenes verlor Energie wegen der Abkhlung: Temperatur heute etwa 3KMikrowellenhintergrund, entdeckt 1965

  • kosmischer Schallheutige kosmische Strukturen mssen sehr frh angelegt worden seinder Mikrowellenhintergrund sollte ebenfalls Strukturen zeigenTemperaturschwankungen im Bereich von etwa 10 Millionstel Grad erwartetsie wurden 1992 von dem amerikanischen Cobe-Satelliten entdeckt

  • kosmischer Schalldrei Mechanismen haben diese Strukturen erzeugt:Licht lief in hgeligem Gelnde los (Sachs-Wolfe-Effekt)Wechselspiel von Druck und Schwerkraft erzeugte Schwingungen: SchallwellenLicht trieb kleine Strukturen auseinander (Silk-Dmpfung)

  • kosmischer SchallWie ausgeprgt sind Strukturen welcher Gre?Schallwellen breiten sich mit Schallgeschwindigkeit ausnach etwa 400000 Jahren trennten sich Strahlung und MaterieSchallgeschwindigkeit x 400000 Jahre = Schallhorizontwas grer war, konnte nicht zu schwingen anfangen

  • kosmischer Schall

  • kosmischer SchallWilkinson-MAP: Besttigung der Theorie; viele Eigen-schaften des Universums lassen sich erstmals genau bestimmenweiter erheblich verbesserte Ergebnisse vom europischen Satelliten Planck erwartet

  • kosmischer Schallwir wissen, wie gro der Schallhorizont wirklich war wir wissen, wie gro er uns erscheintdas Verhltnis von beiden hngt von der Raumkrm-mung abDas Universum ist flach!30% des kosmischen Ma-terials ist Dunkle Materieden Rest trgt die Dunkle Energie bei

  • kosmischer Zusammenklangmanche Sterne explodieren am Ende ihres Daseins: Supernovaezwei Arten von Explosionen: ausgelst entweder durchKollaps wegen berge-wichts (Typ Ib, II), oder durchberftterung eines Weien Zwergs (Typ Ia)

  • kosmischer ZusammenklangTyp Ia: Weier Zwerg und Riesenstern bilden Doppel-sternsystemMasse fliet vom normalen Stern auf den Weien ZwergWeier Zwerg darf hchstens 1.4 Sonnenmassen habenExplosion immer derselben Menge Sprengstoffs: Typ-Ia-Supernovae sind Standard-kerzen

  • kosmischer Zusammenklangwirkliche und scheinbare Helligkeit von SN-Ia ergeben deren Entfernungaus dem Spektrum lsst sich bestimmen, vor wie langer Zeit die Supernova explodierteEntfernungen nehmen mit der Zeit immer schneller zu!Supernovae vom Typ Ia besttigen die Kosmologische Konstante

  • kosmischer ZusammenklangMassen lenken Licht abLichtablenkung ist differentiellVerzerrungVerstrkungDunkle Materie wird sichtbarGalaxienhaufen:direkter NachweisKartierunggrorumige Strukturen: statistischer Nachweis

  • kosmischer ZusammenklangUniversum ist von Strukturen durchzogen; Gravitations-linseneffekt ist unvermeidlichStrke der Verzerrung hngt von der Materiemenge im Universum und seiner Geo-metrie abMessungen der kosmischen Lichtablenkung besttigen Mikrowellenhintergrund und Supernovae

  • kosmischer Zusammenklangvllig verschiedene kosmologische Messungen ergeben erstmals ein einheitliches Bild:einfache Weltmodelle besttigtUrknall vor 14 Milliarden Jahrenleichte Elemente entstanden innerhalb von etwa drei Minutennach 400000 Jahren wurde das Universum durchsichtigdas Universum ist flaches besteht aus 4% normaler, 27% dunkler Materie und 69% Kosmologischer Konstante (dunkler Energie)die Ausdehnung des Universums beschleunigt sich

  • InflationIst die Kosmologie damit beendet?groe Fragen werden damit erst gestellt:Was sind Dunkle Materie und Dunkle Energie?Warum sieht der Mikro-wellenhimmel berall fast gleich aus?Wo kamen die kosmischen Strukturen her?

  • InflationDie letzten zwei Fragen knnen gelst werden, wenn das Universum sehr frh sehr stark aufgeblasen wurde: kosmische Inflationkleine, zusammenhngende Gebiete knnen die Gre des gesamten beobachtbaren Universums erreicht habenStrukturen knnen aus sehr frhen Quantenfluktuationen entstanden sein!

  • AusklangZum ersten Mal in der Geschichte der Kosmologie gibt es ein przise vermessenes, einfaches Weltmodell.Damit steht der theoretische Rahmen der Kosmologie fest.Dunkle Materie und Dunkle Energie sind rtselhaft.Kosmologische Inflation bietet eine mgliche Antwort auf ein Bndel kosmologischer FragenDafr muss sie sehr frhe, sehr heftige, beschleunigte Ausdehnung des Universums fordern.Wir leben jetzt in einer Phase beschleunigter kosmologischer Ausdehnung!