Die Entwicklung unseres Universums...

Peter Oswald

In Anlehnung an die Präsentation von Franz EmbacherInstitut für Theoretische Physik

Universität Wien

...das frühe Universum...Strukturen des Kosmos

...die Zukunft des Universums

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und M110

Gesetz von Hubble

Neben dem Gravitationsgesetz und den 3 Gesetzen von Kepler gilt ein weiteres wichtiges Gesetz:

v = Ho * r

Gesetz von Hubble

v: Geschw. der Galaxie relativ zur Erde

Ho: Hubblekonstante (75 km s-1 Mpc-1)

r: Entfernung von der Erde

Gesetz von Hubble

Dieses Gesetz ist eine Folge aus dem von Hubble gefundenen Zusammenhang :

λ …die beobachtete Wellenlängeλo ..die vom Objekt aus- gesandte Wellenlängez …Rotverschiebung

z = (λ-λo)/λo

Geschwindigkeit v – Rotverschiebung z

Warum expandiert das Universum?

Erklärung dafür liefert die ART!(Massen müssten sich anziehen)

Beschreibung: Friedmann-Gleichung

Vermutung: Es gab eine Singularität (Urknall)

Der Urknall als Singularität

• Ende (Anfang) von Raum und Zeit

„Vor“ dem Urknall „gab“ es weder Raum noch Zeit

• Dichte und Druck unendlich

Das frühe Universum?

Anfang: Superkraft (Raum, Zeit, Materie, Strahlung sind nicht

unterscheidbar!)

Das frühe Universum?

Anfang: T ≈ 1032 K Dichte ρ ≈ 1097kg/m3

4 Grundkräfte in der Natur – sie entstehen der Reihe nach:Gravitationstarke Kernkraftschwache Wechselwirkungelektromagnetische Kraft

1. Abspaltung: Gravitation (nach der Planck-Ära: 10-43s) die anderen drei bilden die GUT-Kraft (GUT: Grand Unified Theory) Planck-Ära: keine physikalischen Gesetze

Das frühe Universum?

2. Abspaltung: starke Kernkraft nach 10-36s und T ≈ 1027 K

3. Abspaltung: nach 10-12s und T ≈ 1016 K Schwache Wechselwirkung und elektromagnetische Kraft spalten sich ab

4 Grundkräfte - Übersicht

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.

Was ist Krümmung?

Krümmung = Verletzung der Gesetze

der euklidischen Geometrie

Geometrie des Universums

Ist das Universum offen oder geschlossen Zusammenhang zwischen Geometrie und Dichte

Offen oder geschlossen?

Zusammenhang zwischen Geometrie und Dichte:

Dichte < kritische Dichte

Dichte = kritische Dichte

(kritischer Grenzfall)

Dichte > kritische Dichte

offen

(„negativ gekrümmt“)

offen („flach“)

geschlossen

(„positiv gekrümmt“)

?

H0

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 Jahre0

Probleme des Standardmodells

• Der Urknall• Kosmologischer Horizont• Horizontenproblem• Flachheitsproblem• Dunkle Materie und dunkle Energie• Kosmologische Konstante?

Flachheitsproblem

Wieso ist die heutige Dichte so nahe an 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

3 Modelle: Dichten 1 Nanosekunde nach dem Urknall

„fine tuning“

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?

Wie wird sich das Universum weiterentwickeln?

Zur Zeit scheint es beschleunigt zu expandieren.

Aktuelle Vermutung: Vorhandensein von Raumzeit-Wellen

Sie treiben die beschleunigte Expansion an.

Anisotropie der Hintergrundstrahlung

COBE, 1992

T

T= 6 10

6

Anisotropie der Hintergrundstrahlung

WMAP, 2003

T

T= 6 10

6