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Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 6.11.2009 1 Vorlesung 3: Roter Faden: 1.Wiederholung 2.Abstoßende Gravitation 3.Licht empfindet Gravitation 4.Krümmung des Universums 5.Grundlagen der ART

Vorlesung 3:

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Vorlesung 3:. Roter Faden: Wiederholung Abstoßende Gravitation Licht empfindet Gravitation Krümmung des Universums Grundlagen der ART. D. Hubblesches Gesetz in “comoving coordinates”. Beispiel: D = S(t) d (1) Diff, nach Zeit  D = S(t) d (2) oder D = v = S(t)/S(t) D - PowerPoint PPT Presentation

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Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 6.11.2009 1

Vorlesung 3:

Roter Faden:

1. Wiederholung2. Abstoßende Gravitation3. Licht empfindet Gravitation4. Krümmung des Universums5. Grundlagen der ART

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Hubblesches Gesetz in “comoving coordinates”

d

D

D = S(t) dS(t) = zeitabhängige Skalenfaktor, die die Expansion berücksichtigt.Durch am Ende alle Koordinaten mit Skalenfaktor zu multiplizieren, kann ich mit einem festen (comoving) Koordinatensystem rechnen.

Beispiel:D = S(t) d (1)Diff, nach ZeitD = S(t) d (2)oderD = v = S(t)/S(t) D Oder v = HDmit H = S(t)/S(t)

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Hubble Diagramm aus SN Ia Daten

Abstand aus dem HubbleschenGesetz mit Bremsparameterq0=-0.6 und H=0.7 (100 km/s/Mpc)

z=1-> r=c/H(z+1/2(1-q0)z2)= 3.108/(0.7x105 )(1+0.8) Mpc = 7 Gpc Abstand aus SNe I1a Helligkeit mmit absoluter Helligkeit M=-19.6:

m=24.65 und log d=(m-M+5)/5) ->Log d=(24.65-19.6+5)/5=9.85 = 7.1 Gpc

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First evidence for vacuum energy in universe:ACCELERATION of universe

Expansion velocity=slopeAcceleration=derivative of slope

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SNIa compared with Porsche rolling up a hill

SNIa data very similar to a dark Porsche rolling up a hill and reading speedometer regularly, i.e. determining v(t), which canbe used to reconstruct x(t) =∫v(t)dt. (speed distance, for universe Hubble law)This distance can be compared laterwith distance as determined from the luminosity of lamp posts (assuming same brightness for all lamp posts)(luminosity distance, if SN1a treated as ‘standard’ lamp posts)

If the very first lamp posts are further away than expected, the conclusion must be that the Porsche instead of rolling up the hill used its engine, i.e. additional acceleration instead of decelaration only.(universe has additional acceleration (by dark energy) instead of decelaration only)

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Zeitabhängigkeit der Skalenfaktor S(t) bei =1

r S(t) und 1/r3

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Beobachtungen:Ω=1, jedochAlter >>2/3H0

Alte SN dunklerals erwartet

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Vakuumenergie abstoßende Gravitation

Vakuumenergie and cosmological constant both produce repulsive gravity equivalent!

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Andere Herleitung: Inflation bei konstantem 0

Oder S(t) e t/ mit Zeitkonstante = 1 /H Alter des Univ., d.h.beschleunigte Expansion durch Vakuumenergie jetzt sehr langsam, aber zum Alter tGUT10-37s sehr schnell!

H=1/t damals KONSTANT (weil ρ konst.) und 1037 s-1.

Horizont= Bereich im kausalen Kontakt =ct = c/H wurde durch Inflation um Faktor 1037 vergrößert und Krümmungsterm -1 1/S2 um 1074 verringert.

t

ρ ρMaterie

ρVakuum

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Warum Vakuum so leer?

Was ist das Vakuum?Vakuumfluktuationenmachen sich bemerkbardurch:1)Lamb shift2)Casimir Effekt3)Laufende Kopplungs- konstanten 4)Abstoßende Gravitation

Berechnung der Vakuumenergiedichte:10115 GeV/cm3 im Standard Modell1050 GeV/cm3 in Supersymmetrie

Gemessene Energiedichte: 10-5 GeV/cm3

h

h

h

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Combine CMB (später mehr) with SNIa data

SNIa sensitive toacceleration, i.e.acc= - (SM+ DM) or =acc + (SM+ DM)

CMB sensitive tooverall density, i.e. + SM + DM=1 or =1 - (SM + DM)

= (SM+ DM)

Univ. flach, erwartetaus Inflationstheorieund bestätigt durchgerade Weltlinien der CMB Photonen (später).

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Teleskope: Galaxien

WMAP Satellit: Fernsehschüssel, womit man das Licht des Urknalls “gesehen“ hat.

Mini-Urknallim Labor mitTeilchenbeschleunigerhergestellt

Einführung in dieKosmologie

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Energieinhalt des Universums

Nur Atome gut verstanden, d.h.96% der Energiedes Universumsvöllig unbekannt!

„Dunkle Energie“ sindQuantenfluktuationen?

„Kalte Dunkle Materie“ sindsupersymmetrischePartner der Photonen?LHC wird dies zeigen!

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Jetzt Grundlagen der

Allgemeinen Relativitätstheorie

ARTBeschreibt Gravitation als Krümmung der Raum-Zeit

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Friedmannsche Gl. und Newtonsche Mechanik

Die Friedmannsche Gleichungen der ART entsprechen

1. Newtonsche Mechanik2. + Krümmungsterm k/S2

3. + E=mc2 (oder u=c2)4. + Druck ( Expansionsenergie im heißem Univ.)5. + Vakuumenergie (=Kosmologische Konstante)

Dies sind genau die Ingredienten die man brauchtfür ein homogenes und isotropes Universum,das evtl. heiß sein kann (Druck ≠ 0)

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Licht empfindet Gravitation???

Nach der bekannten Einsteinschen Energie-Masse-Beziehung kann man dem Photon der Energie h×f eine Masse zuordnen. Es gilt:

Gravitation wirkt auf Masse:wird Energie des Photonssich ändern im Grav. Feld????

Erwarte für Höhe H = 22.5m:

Frequenzverschiebung im Gravitationsfeldwurde von Pound und Rebka mitMössbauereffekt bestätigt!!

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http://www.uni-duisburg.de/FB10/LAPH/Keune/hs/Utochkina.pdf

Moessbauereffekt

Durch die extrem kleine natürliche Breite der Kernniveaus werden Energieverlusteim Gravitationsfeld schon Absorption verhindern. Absorption kann wieder hergestelltwerden durch die Photonen ein bisschen mehr Energie zu geben durch die Quelle langsam zu bewegen, bis die Gravitationsverluste ausgeglichen sind

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Pound-Rebka Versuch: Licht empfindet Gravitation (1960)

In 1960, R. Pound and G. Rebka, Jr. at Harvard University conducted experiments in which photons (gamma rays) emitted at the top of a 22.57 m high apparatus were absorbed at the bottom, and photons emitted at the bottom of the apparatus were absorbed at the top. The experiment showed that photons which had been emitted at the top had a higher frequency upon reaching the bottom than the photons which were emitted at the bottom. And photons which were emitted at the bottom had a lower frequency upon reaching the top than the photons emitted at the top. These results are an important part of the experimental evidence supporting general relativity theory which predicts the observed "redshifts" and "blueshifts."

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Einsteins Gedankenexperiment: Licht durch Gravitation abgebogen

D.h. der Raum ist gekrümmt!

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Äquivalenzprinzip

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Raumkrümmung

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Raumkrümmung

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Gravitation = Scheinkraft

Scheinkräfte können verschwinden:Zentrifugalkraft = 0 in einem ruhenden System (ω = 0)Corioliskraft = 0 in einem ruhenden System (ω = 0)Schwerkraft = 0 in einem geschickt beschleunigten SystemElektrisches Feld um ein Elektron niemals 0!

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Einsteins happiest thought

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Abbiegung im Gravitationsfeld der Sonne

Scheinbare Verschiebung der Sternen hinter der Sonne,Beobachtbar bei Sonnenfinsternis!

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Raumkrümmung in 1919 von Eddington beobachtet. Einsteins ART bestätigt

Verschiebung der Positionen der Sterne von Eddingtongleichzeitig in Westafrika und Brasilien beobachtet.Vorhersage nach Newton: δ=0.87 GradVorhersage nach Einstein: δ= 2 x 0.87 Graddurch zusätzliche Zeitverzögerung !

Mond

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Sonnenfinsternis von 1919 machte Einstein berühmt

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Grundidee der Allgemeinen Relativitätstheorie

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Zeitverzögerung im Gravitationsfeld

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Zeitverzögerung im Gravitationsfeld

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Zeitverzögerung im Gravitationsfeld

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Licht empfindet Gravitation

Details in: S. Weinberg, Gravitation and Cosmology!

(

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Äquivalenzprinzip bedeutet:

Beschleunigung = Gravitation = Raumkrümmung

Experiment: bringe Cs Uhr von A->B und messe Zeit(=n Wellenberge) bis C. Vergleiche mit Uhr in A bis gleiche Anzahl an Wellenberge. Durch Rotverschiebung läuft Uhr im Potentialfeld bei BC langsamer, d.h.tt0 AB nicht parallel DC oder Raum gekrümmt durch Gravitation!

t0

t´Höhe

Zeit

Gravitation = Raumkrümmung!

A

B C

D

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3 km

Extremste Form der Raumkrümmung: Schwarzes Loch

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Ein Schwarzes Loch wird sichtbar durch Zuwachs

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Extremste Form der Raumkrümmung: Schwarzes Loch

SL umgeben von Akkretionsscheibe,Durch Drehimpulserhaltung rotierteinfallende Materie immer schnellerbei kleinen Radien und bildet Akkretionsscheibe, die heiss wird und Röntgenstrahlung aussendet.Magnetfeld im Zentrum sehr hoch,wo Beschleunigungsprozesse dergeladenen Teilchen stattfinden.Diese führt zu Materieströmenaus dem Zentrum (Jets).

Praktisch jede Galaxie hat im Zentrumein SL. In der Milchstraße sichtbardurch Drehung einiger Sterne um einen sehr kleinen Radius mit sehrHoher Geschwindigkeit.

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Größe und Dichte eines SL.

Radius eines SL:R = 2GM/c2, d.h. wächst mit Masse!

Masse unseresUniversums, die kritische Dichte von 10-29 g/cm3 (1023 M☼) entspricht,liegt auf diese Linie, d.h. es ist nicht ausgeschlossen, dass wirin einem SL leben.

J. Luminet

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Zum Mitnehmen:

1. Licht empfindet Gravitation. Lichtquant (Photon)

hat effektive Masse m = E/c2 = hν/c2

2. Materie krümmt den Raum und Weltlinien folgen Raumkrümmung. Diese gekrümmte Weltlinien erzeugen für

Licht Gravitationslinsen und Schwarze Löcher