Post on 10-Sep-2019
Einführung in die
Astronomie und Astrophysik II
Teil 12
Jochen LiskeFachbereich Physik
Hamburger Sternwarte
jochen.liske@uni-hamburg.de
Wer? Alle an der UHH, die irgendwie mit Astro zu tun haben
Wo? Hamburger Sternwarte
Gojenbergsweg 112
21029 Hamburg
Wann? Donnerstag, 11. Juli 2019, 15:00
Was? Führung durch die Sternwarte, Kaltgetränke, Erhitzung
von Essbarem durch die Bestrahlung mit
Schwarzkörperstrahlung
Astro-Semester-Abschlussveranstaltung
Benotete Prüfungsklausur:
Do, 25.07.2019, 10:00 – 12:00, HS INF
2. Termin: Mo, 30.09.2019, 10:00 – 12:00, HS II
Anmeldung in STiNE erforderlich
Aufgaben orientieren sich an den Übungszetteln
Erlaubte Hilfsmittel:
• Taschenrechner
• Ein von Hand, beidseitig beschriebenes A4 Blatt
(benötigte physikalische Konstanten und astronomische
Größen werden in Aufgabenstellung angegeben)
Klausureinsicht auf Anfrage möglich
Modulabschlussnote
Modulnote = 0.75×Klausurnote + 0.25×Übungsnote
Klausur
Themen
Interstellare Materie
Sternentstehung
Sternentwicklung
Exoplaneten
Die anderen „Boten“
Die Milchstraße
Galaxien
Aktive Galaktische Kerne
Intergalaktische Materie
Kosmologie
Zusammenfassung:
ART
Kosmologie
Zusammenfassung:
ART + Kosmologisches Prinzip (Universum ist homogen und isotrop)
Kosmologie
Zusammenfassung:
ART + Kosmologisches Prinzip FLRW-Metrik als Ansatz
Kosmologie
Zusammenfassung:
ART + Kosmologisches Prinzip FLRW-Metrik als Ansatz
+ 2 Friedmann Gleichungen
Kosmologie
Zusammenfassung:
ART + Kosmologisches Prinzip FLRW-Metrik als Ansatz
+ 2 Friedmann Gleichungen (+ Zustandsgleichung: p = wc2)
Kosmologie
Zusammenfassung:
ART + Kosmologisches Prinzip FLRW-Metrik als Ansatz
+ 2 Friedmann Gleichungen (+ Zustandsgleichung: p = wc2)
Kosmologie
Zusammenfassung:
ART + Kosmologisches Prinzip FLRW-Metrik als Ansatz
+ 2 Friedmann Gleichungen (+ Zustandsgleichung)
Unbekannte: [R(t), k] und [i, wi] für alle Energiekomponenten i
Kosmologie
Zusammenfassung:
ART + Kosmologisches Prinzip FLRW-Metrik als Ansatz
+ 2 Friedmann Gleichungen (+ Zustandsgleichung)
Unbekannte: [R(t), k] und [i, wi] für alle Energiekomponenten i
Es gibt keine statische Lösung, auch nicht nach Modifikation der
Gleichungen (zumindest keine stabile) Einsteins „größte Eselei“
Kosmologie
Kann diese Modifikation für ein statisches Universum sorgen?
Georges Lemaître
Ja, aber Lösung mit ist instabil!
Kann diese Modifikation für ein statisches Universum sorgen?
Georges Lemaître
„Meine größte Eselei …“
Zusammenfassung:
ART + Kosmologisches Prinzip FLRW-Metrik als Ansatz
+ 2 Friedmann Gleichungen (+ Zustandsgleichung)
Unbekannte: [R(t), k] und [i, wi] für alle Energiekomponenten i
Es gibt keine statische Lösung, auch nicht nach Modifikation der
Gleichungen (zumindest keine stabile) Einsteins „größte Eselei“
„Vorhersage“ eines dynamischen Universums
Erklärung der Rotverschiebung und des Hubbleschen Gesetzes
Ursprung der modernen relativistischen Kosmologie
Kosmologie
Fragen?
Welche der möglichen Lösungen der Friedmann-
Gleichung entsprechen denn jetzt der Realität?
Was kann man messen?
tot durch aufsummieren aller bekannten
Materie und Energieformen
Die Expansionsgeschichte
Die räumliche Krümmung
Die zeitliche Entwicklung von
Dichtestörungen
Kombination
Zig „kosmologische Tests“ im Laufe der
Jahrzehnte entwickelt. Moderne Beispiele:
Schwacher Gravitationslinseneffekt
Baryonische Akustische Oszillationen
SNIa
Kosmologie
Im frühen Universum entstehen durch
das Wechselspiel von Gravitation und
Strahlungsdruck Dichtewellen
Dadurch wird später der
Galaxienverteilung eine bevorzugte
Größenskala „aufgedruckt“
Bekanntes Standardmaß zur Anwendung
der Winkeldurchmesserentfernung
Messung von DA(z)
Baryonische Akustische Oszillationen
WD in Doppelsternsystem mit Massenübertragung:
MWD MCh Kern erreicht T für C-Fusion
Typ Ia Supernova = thermonukleare Explosion
Weiße Zwerge
WD in Doppelsternsystem mit Massenübertragung:
MWD MCh Kern erreicht T für C-Fusion
Typ Ia Supernova = thermonukleare Explosion
Weiße Zwerge
Jede SNIa Explosion läuft sehr ähnlich
ab, weil die Ausgangslage immer die
Gleiche ist
Absolute Helligkeit einer SNIa korreliert
mit der Breite ihrer Lichtkurve
SNIa sind standardisierbar
Bekannte Leuchtkraft zur Anwendung
der Leuchtkraftentfernung
Messung von DL(z)
SNIa
R(t)
Heute
M = 1
t
geschlossen
M > 1
offen M < 1
M = 0
- 14 - 9 - 7
Milliarden Jahre
Jede SNIa Explosion läuft sehr ähnlich
ab, weil die Ausgangslage immer die
Gleiche ist
Absolute Helligkeit einer SNIa korreliert
mit der Breite ihrer Lichtkurve
SNIa sind standardisierbar
Bekannte Leuchtkraft zur Anwendung
der Leuchtkraftentfernung
Messung von DL(z)
Überraschung: die Ausdehnung des
Universums beschleunigt sich!
SNIa
Jede SNIa Explosion läuft sehr ähnlich
ab, weil die Ausgangslage immer die
Gleiche ist
Absolute Helligkeit einer SNIa korreliert
mit der Breite ihrer Lichtkurve
SNIa sind standardisierbar
Bekannte Leuchtkraft zur Anwendung
der Leuchtkraftentfernung
Messung von DL(z)
Überraschung: die Ausdehnung des
Universums beschleunigt sich!
WIE KANN DAS SEIN??? (d2R/dt2 < 0)
SNIa
Jede SNIa Explosion läuft sehr ähnlich
ab, weil die Ausgangslage immer die
Gleiche ist
Absolute Helligkeit einer SNIa korreliert
mit der Breite ihrer Lichtkurve
SNIa sind standardisierbar
Bekannte Leuchtkraft zur Anwendung
der Leuchtkraftentfernung
Messung von DL(z)
Überraschung: die Ausdehnung des
Universums beschleunigt sich!
WIE KANN DAS SEIN??? (d2R/dt2 < 0)
SNIa
Jede SNIa Explosion läuft sehr ähnlich
ab, weil die Ausgangslage immer die
Gleiche ist
Absolute Helligkeit einer SNIa korreliert
mit der Breite ihrer Lichtkurve
SNIa sind standardisierbar
Bekannte Leuchtkraft zur Anwendung
der Leuchtkraftentfernung
Messung von DL(z)
Überraschung: die Ausdehnung des
Universums beschleunigt sich!
WIE KANN DAS SEIN??? (d2R/dt2 < 0)
Benötigen zusätzliche
Energiekomponente mit exotischer
Zustandsgleichung: w = -1
Dunkle Energie
SNIa
Georges Lemaître
„Meine größte Eselei …“
„Meine größte Eselei …“ Oder etwa doch nicht?
Kosmologie mit Dunkler Energie
Kosmologie mit Dunkler Energie
Beste Messungen:
0.7
M 0.3 (b 0.05)
rad 10-5
Das Universum
ist flach
ist unendlich
expandiert beschleunigt!
expandiert für immer
ist 13.8 x 109 yr alt
besteht zu 95% aus uns
unbekannten Energie-
komponenten!
Unser Universum
Das CDM Standard-Modell der Kosmologie
Pla
nck C
olla
bora
tion (
2015)
Der „Urknall“ ist eine hypothetische Singularität bei t = 0. Über ihre
tatsächliche Existenz oder Natur können keine belastbaren
Aussagen gemacht werden, da die bekannte und verifizierte Physik
bei t 10-43 s ihre Gültigkeit verliert.
Dementsprechend weiß niemand, was vor dem Urknall war (man
kann aber natürlich auf der Grundlage von Erweiterungen der
bekannten Physik darüber spekulieren).
Der Urknall hat an keinem bestimmten Ort im Universum
stattgefunden, sondern überall. Er bezeichnet einen Zeitpunkt, nicht
einen Punkt im Raum.
Der Urknall war keine Explosion.
Die ART liefert keinen Grund für die Ausdehnung des Universums.
Die Ausdehnung ist eine „Anfangsbedingung“, die durch zusätzliche
Physik erhellt werden muss (z.B. Inflation).
Klarstellungen
Das Universum ist unendlich groß.
Der theoretisch beobachtbare Teil des Universums ist endlich groß.
Der tatsächlich beobachtbare Teil des Universums ist noch etwas
kleiner.
Das Universum war im Moment des Urknalls schon unendlich groß.
Jedoch war jedes heute endliche Volumen unendlich klein.
Das Universum dehnt sich nicht in irgendetwas hinein aus.
Klarstellungen
Das frühe Universum
FLRW-Modelle: Singularität bei t = 0
Vergleichbar mit dem Zentrum eines Schwarzen Lochs
Physikalische Beschreibung (derzeit) nicht möglich, dafür
benötigt man eine Quantengravitationstheorie
Physikalische Beschreibung erst ab 5 x 10-44 s
(= Planck-Zeit) möglich
Jedenfalls: das heutige Universum entstand aus einer dichten,
heißen, energiereichen Anfangsphase
„Urknall“ (Big Bang, Begriff geprägt
von Fred Hoyle, einem Gegner dieser
Theorie)
Fred Hoyle
Strahlungsdominiertes Universum
ρrad ∝ (1 + z)4 und ρM ∝ (1 + z)3
ρrad dominiert im frühen Universum
Ab wann? ρrad = ρM bei zeq 3500 (radiation-matter equality)
t(zeq) 8 x 104 yr
T(z) = 2.73 K (1 + z) T(zeq) 104 K
Bei z >> zeq gilt:
R(t) ∝ t1/2
T(t) 1.5 x 1010 K (t / 1 s)−1/2
Das frühe Universum
Je früher desto höher T und E
Strukturen brechen auf:
t 3.8 x 105 yr, T 3000 K, E 1 eV
Atome brechen auseinander
t 1 s, T 1010 K, E 1 MeV
Atomkerne brechen auseinander
t 10-6 s, T 1013 K, E 1 GeV
Nukleonen brechen auseinander
Das frühe Universum
Die Entwicklung des Universums
Die Entwicklung des Universums
Die Entwicklung des Universums
Die Entwicklung des Universums
Inflation
Andrei Linde
Alan Guth
Paul Steinhardt
Hypothetische, kurze Periode
exponentieller Expansion am
Ende der GUT Ära
Löst mehrere Probleme:
Warum ist das Universum flach?
Warum ist das Universum
homogen und isotrop?
Woher stammt die Struktur des
Universums?
Die Entwicklung des Universums
Warum gibt es Baryonen?
Es müsste eigentlich
nQuark = nAnti-Quark
Es muss also einen Prozess
geben, der eine Asymmetrie
erzeugt:
CP-Symmetrie-Brechung?
Wenn Asymmetrie erstmal
vorhanden: winziger
Überschuss an Materie
bleibt nach Zerstrahlung der
meisten Teilchen-Anti-
Teilchen-Paare übrig
Die Entwicklung des Universums
Big-Bang-Nukleosynthese
Elemententstehung mit A > 1
läuft über Deuterium (2H)
Bindungsenergie: ΔE = 2.2 MeV
Für T > 2.2 MeV 3 x 1010 K ist
die Reaktion p + n ↔ D + γ
im Gleichgewicht
Für T < 109 K (t 100 s) können
sich leichte Elemente bilden:
D + D → 3He + n → T + p
(T = Tritium = 3H)
T + D → 4He + n
4He + T → 7Li
Die Entwicklung des Universums
Big-Bang-Nukleosynthese
Elemententstehung mit A > 1
läuft über Deuterium (2H)
Bindungsenergie: ΔE = 2.2 MeV
Für T > 2.2 MeV 3 x 1010 K ist
die Reaktion p + n ↔ D + γ
im Gleichgewicht
Für T < 109 K (t 100 s) können
sich leichte Elemente bilden:
D + D → 3He + n → T + p
(T = Tritium = 3H)
T + D → 4He + n
4He + T → 7Li
Die Entwicklung des Universums
Big-Bang-Nukleosynthese
Reaktionen frieren schnell aus
Prozess nach wenigen 100 s
abgeschlossen
Fast alle n in 4He „gefangen“
Robuste Vorhersage der 4He
Häufigkeit
Erklärt 4He in alten Pop II
Sternen
Die Entwicklung des Universums
Big-Bang-Nukleosynthese
Reaktionen frieren schnell aus
Prozess nach wenigen 100 s
abgeschlossen
Fast alle n in 4He „gefangen“
Robuste Vorhersage der 4He
Häufigkeit
Erklärt 4He in alten Pop II
Sternen
Primordiale Häufigkeiten leichter
Elemente abhängig von B
Die Entwicklung des Universums
Big-Bang-Nukleosynthese
Reaktionen frieren schnell aus
Prozess nach wenigen 100 s
abgeschlossen
Fast alle n in 4He „gefangen“
Robuste Vorhersage der 4He
Häufigkeit
Erklärt 4He in alten Pop II
Sternen
Primordiale Häufigkeiten leichter
Elemente abhängig von B
Messung von D in Quasar-
Spektren B
Die Entwicklung des Universums
Big-Bang-Nukleosynthese
Reaktionen frieren schnell aus
Prozess nach wenigen 100 s
abgeschlossen
Fast alle n in 4He „gefangen“
Robuste Vorhersage der 4He
Häufigkeit
Erklärt 4He in alten Pop II
Sternen
Primordiale Häufigkeiten leichter
Elemente abhängig von B
Messung von D in Quasar-
Spektren B
Die Entwicklung des Universums
Ionisationsgrad x = ne / nHI gegeben durch Saha-Gleichung:
a 3.8, η = nB / nγ 6 x 10−10
Für x = 0.01 T 3000 K, E 0.3 eV, z 1100, t 4 x 105 yr
Vorher: Gas vollständig ionisiert, Photonen und Baryonen
gekoppelt, Universum opak
Nachher: Gas neutral, Photonen und Baryonen entkoppelt,
Universum durchsichtig
Rekombination
e-
Rekombination
Kosmische Hintergrundstrahlung
Vorhersage der Existenz der Hintergrundstrahlung (CMB) durch
G. Gamow (1946): Schwarzkörperstrahlung
Korrektur der vorhergesagten T durch Alpher & Herman (1948):
David WilkinsonJim Peebles
Robert
Dic
ke
Kosmische Hintergrundstrahlung
1960er in Princeton:
Erneute Vorhersage der
Existenz der Kosmischen
Hintergrundstrahlung und
ihrer Temperatur
Erste Nachweisversuche
Nur 60 km entfernt in Holmdel, New Jersey …
Penzias & Wilson (1965)
Penzias & Wilson (1965)
Arn
o P
enzia
s u
nd R
obert
Wils
on
Erste eingehende Beobachtung 1998
durch Cosmic Microwave Explorer
(COBE)
CMB ist perfekte Schwarz-
körperstrahlung mit TCMB = 2.725 K
Kosmische Hintergrundstrahlung
Erste eingehende Beobachtung 1998
durch Cosmic Microwave Explorer
(COBE)
CMB ist perfekte Schwarz-
körperstrahlung mit TCMB = 2.725 K
Entdeckung winziger
Temperaturfluktuationen T/T 10-5
Kosmische Hintergrundstrahlung
Kosmische Hintergrundstrahlung
George SmootJohn Mather
Kosmische Hintergrundstrahlung
2009 – 2013: Sehr genaue Vermessung
durch den Planck Satelliten der ESA
Kosmische Hintergrundstrahlung
Planck: Messungen bei 9 Frequenzen
Kosmische Hintergrundstrahlung
Planck: Messungen bei 9 Frequenzen
Wichtig für zuverlässige Subtraktion störender
Vordergrundstrahlung:
Kosmische Hintergrundstrahlung
Winzige Temperaturfluktuationen von
T/T 10-5
Vergleichbare Dichtefluktuationen:
Statistische Verteilung am Himmel
kann in Abhängigkeit von kosmo-
logischen Parametern berechnet
werden
Abgleich zwischen Daten und Modellen
Parameter
Das CDM Standard-Modell der Kosmologie
Pla
nck
Colla
bora
tion (2015)
Strukturentstehung
Strukturentstehung Reionisation des Universums
Bildung der ersten (Pop III) Sterne
Bisher noch nicht beobachtet ( JWST, ELT)
t 150 Myr???
Primordiale Gaszusammensetzung
Ineffiziente Kühlung
Große baryonische Jeansmasse
Entstehung in DM Minihalos mit MMH 105 − 108 Mʘ
Hohe Akkretionsrate
Pop III Sterne sehr massereich: MPopIII 100 − 1000 Mʘ?
Sehr intensive UV-Strahlung
Reionisierung des Universums (end of dark ages)
Credit: M. Alvarez, R. Kähler & T. Abel
Quasarspektrum
Reionisation
Strukturentstehung Reionisation des Universums
Bildung der ersten (Pop III) Sterne
Bisher noch nicht beobachtet ( JWST, ELT)
t 150 Myr???
Primordiale Gaszusammensetzung
Ineffiziente Kühlung
Große baryonische Jeansmasse
Entstehung in DM Minihalos mit MMH 105 − 108 Mʘ
Hohe Akkretionsrate
Pop III Sterne sehr massereich: MPopIII 100 − 1000 Mʘ?
Sehr intensive UV-Strahlung
Reionisierung des Universums (end of dark ages)
Sehr kurze Lebensdauer
Typ II / core-collapse SN (auch Hypernova)
Metallanreicherung des Universums
Verändert nachfolgende Sternentstehung
Credit: Springel et al. (2005)
Strukturentstehung
Galaxien als Tracer des „Cosmic Web“
Abgleich mit 3D Galaxien-Durchmusterungen:
Entstehung und Eigenschaften großskaliger DM-Strukturen mit Hilfe
von N-body Simulationen gut verstanden
Relativistische Kosmologie
Hubblesches Gesetz,
Ausdehnung des
Universums
Big-Bang-
Nukleosynthese,
Häufigkeit leichter
Elemente
Kosmische
Hintergrundstrahlung,
Temperatur und
Verteilung der
Temperaturfluktuationen
Strukturentstehung