Kosmologie heute

Vikariats-Regionalseminare Enkirch und „Nord“

30. Sept. 2004K. Goeke, Ruhr-Universität Bochum

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

Kosmische Entfernungen 1

0.1 Mio Lj

Kosmische Entfernungen 2

Kosmische Entfernungen 3

Kollision

Kosmische Entfernungen 4

Kosmische Entfernungen 5

Strukturen: Wie kamen sie zustande ?

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

Expansion des Universums

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

Expansion

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

Entfernte Galaxien

Messungen: Hubble-Parameter

dHv

1 10

2002

: 100 sec

0.65 0.1 0.71 0.04WMAP

Heute H hkm Mpc

h

Zukunft des Universums festgelegt durch Krümmung

Vergangenheit: Urknall - Big Bang

1

1

1

2

c

Messbare Materiedichte

3kritische Dichte 8

Wenn also bekannt

bekannt =

c

c

HG

H

Krümmung des Universums

0

<1Winkelsumme:

180

1

1

1 0

1Winkelsumme:

180

0

1Winkelsumme:

180

Gauss, 1818: Messung derWinkelsumme im DreieckBrocken-Inselsberg-Göttingen

heute

Glaubte man früher

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Penzias und Wilson

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.

Schwarzer Körper vs. Universum

Verteilung der Strahlung über Frequenzen (Energieverteilung) hängt nur von der Temperatur ab.

Messung der Temperatur

Universum ist erfüllt von einer Schwarz- körperstrahlung

Messung der Frequenzen und ihrer Intensitäten

Mikrowellenhintergrundstrahlung

Strahlung ist die eines Schwarzen Körpers

T =

KelvinT _004.0726.2 270T C

Mikrowellen:

Mikrowellen aus dem Mikrowellen-Herd haben eine andere Energieverteilung über die Frequenzen als die kosmische Hintergrundstrahlung.

Isotropie der Hintergrundstrahlung

Durchbruch für Urknall-Theorie

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Expansion des Universums

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

Big Bang

Zeit

„Presse“ Universum zusammen und „schraube“ Temperatur hoch, Mikrowellen werden kurzwelliger und damit energiereicher

heuteUrknall

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.

3000 K Aufbrechen der Atome

H- und He-Atome und Photonen

Freie Atomkerne und Elektronen und

Photonen

Tem

pera

tur

1010 K Aufbrechen der AtomkerneTe

mpe

ratu

r

Atomkerne und

Photonen

Freie Nukleonen (Protonen und

Neutronen) und Photonen

1012 K Aufbrechen der Nukleonen

Nukleonen und

Photonen

Freie Quarks und Gluonen und

Photonen

Tem

pera

tur

Strahlung Materie

Strahlung erzeugt Teilchen- Antiteilchen-Paare

Teilchen- Antiteilchen-Paare vernichten sich zu Strahlung

Geschichte des Universums

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Masse im Universum

Mehr oder weniger gesichert

gesichert

Rotation von Galaxien

Starre Rotation

Differentielle Rotation

Halo aus dunkler Materie

Heisses Gas Dunkle MaterieNGC 720 Die sichtbare Materie reicht nicht aus

Die heisse Gaswolke gravitativ zu-Sammenzuhalten

NGC 2300

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

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Krümmung des Universums

negativ

flach

positiv

Flaches Universums

Warum flach ??

Kein Zufall, sondern Mechanismus

Krümmung

• 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

Inflationäres Universum

Quantenfluktuationen bei Inflation

Dichte-Instabilität

Dichtefluktuationen vergrößern sich durch gravitative Anziehung.

Unterdichte Bereiche wachsen und werden dünnerÜberdichte Bereiche schrumpfen und werden dichter

Koppeln sich von der Expansion ab

Bilden stabile selbstgravitierende Bereiche

Zunächst auf kleinen Skalen, dann auf größeren selbstähnlich

z=5

Computer Simulation

z=3

Computer Simulation

z=1

Computer Simulation

Computersimulation mit dunkler Materie

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Entwicklungsphasen des UniversumsUrknall, inflationäre Ausdehnung, Enstehung des kosmischen Hintergrundstrahlung nach 400000 Jahren heute

Großräumige Verteilung der Galaxien im Universum

Resultate: COBE

3

Penzias und Wilson (1965):

Genauigkeit: 10TT

6

COBE (1992):

Genauigkeit: 10TT

Boomerang: Größere Genauigkeit

Boomerang 1999: Viel genauer als COBE

Mond

WMAP 2002

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

Anisotropie und

Krümmung

Zukunft des Universums festgelegt durch Krümmung

Vergangenheit: Urknall - Big Bang

1

1

1

Universum expandiert

beschleunigt

Dunkle Energie Kosmologische

Konstante

Urknall und Inflation

Universum flach

Energieverteilung im Universum

Mehr oder weniger gesichert

Ursprung unbekannt

Einsteins kosmologische Konstante

• Einstein – Friedman: kosmologische Gl.• Einstein wollte statisches Universum• Führte deshalb negative kosm. Konst. ein• Hubble entdeckte Expansion• Einstein:• Beschleunigte Expansion heute entdeckt• Positives gefordert

Das Universum: Entwicklung

• Entstanden von 13-14 Mrd. Jahren• Hot Big Bang:• Inflation• Expansion und Abkühlung• Sukzessives „Ausfrieren“ von Strukturen• Entkopplung Strahlung-Materie (400000 y)• Entstehung von Sternen und Gaswolken• Gravitative Ballung zu Galaxien und Haufen• Abkühlung der Hintergrundstrahlung (CMB)

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

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”

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

Entwicklung Universum: Tabelle

KTK

sts1215

410

1010

1010

KTK

sts1012

4

1010

110

KTK

sts

1650010

10110

11

KTKst300016500

1010 1311

KTKstt

330001010 17

013

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.

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.

Grossräumige Strukturen

Schwarz

Materiedominanz und Entkopplung

y3000sec1011

log(Zeit)

log(

Tem

pera

tur)

1160

0 K

strahlungsdominiert

materiedominiert

300000yung Entkoppl1013

s

3000

KGeht man in der Zeit zurück, nimmt die Temperatur des Universums zu

Messungen: Hubble-Parameter

dHv

1 10

2002

: 100 sec

0.65 0.1 0.71 0.04WMAP

Heute H hkm Mpc

h

Krümmung des Universums

Riemannsche Geometrie

Optische Effekte=1

Umfang Kreis:2 R

>1Umfang Kreis:

2 R

<1Umfang Kreis:

2 R

1

1

1

Teilchen der dunklen Materie

Geladene Teilchen

wechselwirken immer durch

Strahlung

•Normale (baryonische) Materie ist fast immer geladen

•Protonen, Elektronen, etc.

•Nur Neutrinos sind ungeladen

•Teilchen der dunklen Materie sind ungeladen

Spiegelteilchen bisher noch in keinem Beschleuniger direkt nachgewiesen.

Ungeladenes Neutralino, Higgsino Dunkle Materie ??

Dunkle Materie: Supersymmetrie ?Zu jeder Teilchensorte existiert eine Spiegel-Teilchensorte

Neutralino: Leichtestes stabiles supersymmetrisches Teilchen

Higgsino: Supersymmetrischer Partner des Higgs-Teilchens

Higgs-Teilchen wird postuliert,

wurde aber noch nicht gefunden