Die Entdeckung des Urknalls - KITjwagner/WS1011/... · 2. Matts Roos: An Introduction to Cosmology...
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Die Entdeckung des UrknallsDie Entdeckung des Urknalls
W. de Boer, Karlsruhe 1
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Urknall•Unendlich heiße und dichte Anfangssingularität Unendlich heiße und dichte Anfangssingularität,
in der physikalische Gesetze, Raum und Zeit zusammenbrechen
•Anfang von Raum und Zeit
Urknalltheorie
• Beschreibung der Ereignisse unmittelbar nach dem Urknall
• Erste 10‐43 s noch nicht zugänglich mit gegenwärtigen Theorieng g g g g
•Zeitliche Entwicklung des Universum bis heute
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Die 3 Säulen der UrknalltheorieDie 3 Säulen der Urknalltheorie
UrknalltheorieUrknalltheorieUrknalltheorieUrknalltheorie
Rotverschiebung/
Hubble‐Expansion
3K Kosmische
Hintergrund‐Nukleosynthese
eweist Materie beweist, es gab einen Urknall
Strahung
beweist, ni ers m ar
eweist, Materie entstand aus einem Plasma
universum war früher heißes
Plasma
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Das Universum13.7 billion years
Kosmologiey
95% of energy in universe of unknown natureunknown nature
AstroteilchenphysikAstronomie 102s
Teilchenphysik10-34 s
El t t il h
10-12 s
Urknall
Elementarteilchen
W. de Boer, Karlsruhe 4
Urknall
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Literatur
1 Vorlesungs-Skript/Folien:1. Vorlesungs Skript/Folien:http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/
2. Matts Roos: An Introduction to CosmologyWiley, 3th Edition, 2004
3. Lars Bergström and Ariel Goobar: An Introduction to CosmologyAn Introduction to Cosmology
Springer, 2nd Edition, 2004
4. Bernstein: An Introduction to CosmologyPrentice Hall, 1995
W. de Boer, Karlsruhe 5
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LiteraturPopuläre Bücher:
Weinberg: Die ersten drei Minuten
Silk A h t hi t f th iSilk: A short history of the universe
Hawking: A brief History of TimeHawking: A brief History of Time
Fang and Li: Creation of the Universeg
Parker: CreationVi di ti f th Bi BVindication of the Big Bang
Ledermann und Schramm: Vom Quark zum Kosmos
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Ledermann und Schramm: Vom Quark zum Kosmos
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Literatur
Bibel der Kosmologie:Bibel der Kosmologie:
Börner: The early UniverseBörner: The early Universe
Kolb and Turner: The early UniverseKolb and Turner: The early Universe
Gönner: Einführung in die KosmologieGönner: Einführung in die Kosmologie
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Temperaturentwicklung des Universums
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Hubble mit dem 2.5m Teleskop in Palomar (CA) (ca. 1920)und der heutige Hubble Space Telescope (HTS)
Palomar, Kalifornien, USA
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Millenium Simulation
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Sloan Sky Survey: ⅓ million galaxiesDoppler Verschiebungen ->
Geschwindigkeiten der Galaxien
Universum: 1011 Galaxien1 Galaxie: 1011 Sterne
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Unsere Galaxie ist hier
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RotverschiebungRotverschiebung
Rel. Doppler‐Verschiebung:
Annäherung v<0: Blauverschiebung
Entfernung v>0: RotverschiebungEntfernung v>0: Rotverschiebung
Erwartung bei statischem Universum: Geschwindigkeiten der Galaxien sind
fälli ilzufällig verteilt.
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Das Das UniversumUniversum
EXPANDIERTEXPANDIERTEXPANDIERTEXPANDIERT(entdeckt von Hubble
v(entdeckt von Hubble vor ca. 80 Jahren!)
UND v=Hdd
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Hubblesche Gesetz: v=Hd
Jede Rosine (Galaxie)(Galaxie)sieht andere Galaxienvon sich wegfliegen
it Hdmit v=Hd(brauche alsoNICHT im NICHT im Zentrum zu sitzen um
d lld ll b k db k d k hk h
Urknall zu beobachten)
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ModellModell: : backenderbackender RosinenkuchenRosinenkuchen
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Altersabschätzung des Universum
Berücksichtigung =1/H =2/3
S 1/T t2/3 S t2/3
0=1/H0, uni=2/3 0
Richtige Antwort:
tuni 1/H0 13,7 . 109 a,da durch Vakuumenergied t d gnicht-lineare Termeim Hubbleschen Gesetz
ft t ( t h d
d=vt odert=d/v1/H
Zeit der Ausdehnung auftreten (entsprechendabstoßende Gravitation).
Zeit der Ausdehnung Alter des Universums 13,7 Milliarden Jahre
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Wie groß ist das (sichtbare) Universum?
Licht ist die schnellste Kommunikation (Lichtgeschwindigkeit c), so einLichtstrahl kann maximal 13,7 Milliarden Lichtjahre zurückgelegt haben., j g g
Dies entspricht einem Abstand D=ct=3.108 m/s x 13.7 109 Jahre x 3,15 x107 s/Jahr= ca. 1026m
(Unter Berücksichtigung der Expansion: D=3ct)
Dieses sichtbare Teil ist vermutlich ein sehr kleiner Teilunseres Universums
Zum Vergleich: unsere Galaxie ist ca. 6.1020 m groß,D i d 60 000 Li htj h Das sind ca 60.000 Lichtjahre.
Raumschiff mit Lichtgeschwindigkeit braucht also 60.000 Jahreum durch unsere Galaxie zu fliegen!
Es ist gut möglich, dass es schon sehr vielältere Universen gibt denn vermutlich gab es viele “Big Bangs”
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ältere Universen gibt, denn vermutlich gab es viele Big Bangs
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13.7 billion yearsNucleosynthese
Kosmologiey
95% of energy in universe of unknown natureunknown nature
AstroteilchenphysikAstronomie 102s
Teilchenphysik10-34 s
El t t il h
10-12 s
Urknall
Elementarteilchen
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Urknall
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Nukleosynthese
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Nukleosynthese
Nach t=1.5 s nur noch Neutronenzerfall und Kernsynthese durch starkeWechselwirkung aber keine schwache Wechselwirkungen mehr
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Wechselwirkung, aber keine schwache Wechselwirkungen mehr
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Nukleosynthese
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Nukleosynthese
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13.7 billion years
Kosmische Hintergrundstrahlung
Kosmologiey
95% of energy in universe of unknown natureunknown nature
AstroteilchenphysikAstronomie 102s
Teilchenphysik10-34 s
El t t il h
10-12 s
Urknall
Elementarteilchen
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Urknall
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Schwarzkörperstrahlung: ein Thermometer des Universums
Rotverschiebung:z=(-0)/0( 0) 01+z=/0
Erwarte Plancksche Verteilungder CMB mit einer Temperatur
T 2 7 K d T 1/S 1/1T= 2.7 K, denn T 1/S 1/1+z.Entkoppelung bei T=3000 K , z=1100.
T jetzt also 3000/1100 =2.7 K Dies
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entspricht λmax2 mm (Mikrowellen)
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Bell Labs(1963)
Observing the CosmicMicrowave Background (CMB)
(1963)COBE satellite
(1992)Penzias and WilsonNobel prize 1967 (1992)p
WMAP satellite Mather and SmoothNobel prize 2006(2003) Nobel prize 2006
2003:WMAP: universe is flat, which implies an energy density
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which implies an energy density ρcritical=2.10-29 g/cm3
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Th l hThe oval shapesshow a sphericalsurface, as in aglobal map Theglobal map. Thewhole sky canbe thought ofas the inside of
ha sphere.Patches in thebrightness areabout 1 part in100,000 = abacterium on ab li b llbowling ball =60 meterwaves on thesurface of the
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surface of theEarth.
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Licht des frühen Universums sichtbarals kosmischer Hintergrundstrahlung (CMB)
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Dichtefluktuationen zeigen Wellencharakter, sowohl im Ozean als in der CMB
WMAP
http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=4724Blick vom Satelliten auf die ErdeBlick vom Satelliten ins Universum
WMAP
Temperatur des Universum: 2.7250,001K mit kleinen Schwankungen
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p , gvon einigen K durch akustische Wellen im Plasma des Urknalls
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Entwicklung des Universums
Early Universe
Th C iThe Cosmic screen
i
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Present Universe
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Warum akustische Wellen im frühen Universum?
Definiere: δ=Δρ/ρ P
F=maρ ρ
Newton: F=maδ``+ (Druck Gravitation) δ=0
FG
δ + (Druck-Gravitation) δ=0
Lösung:Druck gering: δ=aebt ,
d.h. exponentielle Zunahme von δd.h. exponentielle Zunahme von δ(->Gravitationskollaps)Druck groß: δ=aeibt , d h Oszillation von δd.h. Oszillation von δ
(akustische Welle)
Rücktreibende Kraft: Gravitation
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Rücktreibende Kraft: GravitationAntreibende Kraft: Photonendruck
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Die Die erstenersten akustischenakustischen WellenWellen des des UrknallsUrknalls
a) Gas wird durch Gebiete mit Überdichte angezogen
dunkelhellV dü
Verdichtung dunkelVerdünnunghell
b) Es expandiert nach Kompression durch Überhitzung
Verdünnung Verdünnung
b) Es expandiert nach Kompression durch Überhitzung
dunkel hellh ll dunkelVerdünnung
hellVerdichtung
hellVerdichtung
c) Es komprimiert wieder nach Abkühlung
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DieseDiese oszillierendeoszillierende DichteschwankungenDichteschwankungen SIND SIND akustischeakustische WellenWellen
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Akustische Peaks
1. akust. Peak
t=trec (=380.000a)
t=1/2trec t=1/2trec2 akust Peak2. akust. Peak
t 1/3tW. de Boer, Karlsruhe 32
t=1/3trec 3. akust. Peak
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Akustische Wellen im frühen Universum
Ü
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Überdichten am Anfang: Inflation
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Klang des Urknalls nach 380.000 Jahren (transponiert um 50 Oktaven nach oben)
Click forsound Beachte:
m Anf n b
©Mark Whittle
acoustic am Anfang gabes keinen Knall,
sondernabsolute Ruhe!
non-acousticabsolute Ruhe!
03av
er 2
00
A220 Hz
Line
wea
W. de Boer, Karlsruhe 34Frequency (in Hz)
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A “broad” note sounds quite different from a pure toneThe difference seems greatest for the lowest note.
Single toneSingle tonePure sine wave
Spread of tones~200 Hz range
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Warum sind Töne des Urknalls so tief?
WEIL DAS UNIVERSUM SO GROß IST!
©Mark Whittle
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Licht wird gekrümmt wenn Energiedichte 0
Nach Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie: Licht wird in einem Gravitationsfeld abgebogen.
This picture made Einstein famous
MondMoonSunStars
Earth
Nur wenn die gesamte Gravitationsenergie gleich Null, bewegt sich Licht auf gerade Linien (“flat universe”)g g
Beachte: wenn Masse des Sterns so groß ist, dass Licht gefangen wird, dann hat man ein schwarzes Loch.
Entsteht nur wenn Stern ausgebrannt ist und Masse auf ein kleines
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Entsteht nur wenn Stern ausgebrannt ist und Masse auf ein kleinesVolumen zusammenstürzt (nach Supernovae Explosion)
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Position des ersten akustischen Peaksbestimmt Krümmung des Universums
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Position des ersten Peaks
Berechnung der Winkel, worunter mandie maximale Temperaturschwankungen der Grundwelle beobachtet:
Raum-Zeit x
t Inflationder Grundwelle beobachtet:
Maximale Ausdehnung einer akust. Wellezum Zeitpunkt trec: c * trec (1+z)
t
Entkopplungzum Zeitpunkt trec: cs trec (1+z)Beobachtung nach t0 =13.8 109 yr.Öffnungswinkel θ = cs * trec * (1+z) / c*t0 Mit (1 ) 3000/2 7 1100 nd Mit (1+z)= 3000/2.7 =1100 und trec = 3,8 105 yr und Schallgeschwindigkeitcs=c/3 für ein relativ. Plasma folgt: θ 0 01 5 10 ( l (kl ) R k )max. T / T θ = 0.0175 = 10 (plus (kleine) ART Korrekt.)
Beachte: cs2 ≡ dp/d = c2/3, da p= 1/3
max. T / Tunter 10
Schlussfolgerung aus Position des ersten akustischen Peaks:Universum ist flach d h Gesamtenergie U+T=0!
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Universum ist flach, d.h. Gesamtenergie U+T=0!Oder Universum hat “kritische Dichte”.
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Berechnung der kritische Dichte nach Newton
MM mv
DimensionsloseDichteparameter:
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WMAP analyzer tool
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http://wmap.gsfc.nasa.gov/resources/camb_tool/index.html
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Schlussfolgerungen aus Beobachtungen der kosmischenHintergrundstrahlung (CMB=Cosmic Microwave background)
Das Universum war am Anfang unglaublich heiss(wegen der hohen Intensität der heutigen CMB: 400 Photonen/cm3)(wegen der hohen Intensität der heutigen CMB: 400 Photonen/cm3)
Position des ersten akustischen Peaks zeigt:
Licht geht gerade aus, d.h. keine gekrümmte Bahnen, d.h.
Gesamtenergiedichte entspricht kritische Dichte vonGesamtenergiedichte entspricht kritische Dichte vonca. 2.10-29 g/cm3
Dies ist MEHR als die bekannte Materie, die nur4% d k iti h Di ht ht!4% der kritischen Dichte ausmacht!
Daher 96% der Energie ist unbekannter Natur!!!!
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Energieinhalt des Universums
Nur Atome gut verstanden, d.h.96% d E i96% der Energiedes Universumsvöllig unbekannt!völlig unbekannt!
„Dark Energy“ sindgyQuantenfluktuationen?
C ld D k M tt “ i d„Cold Dark Matter“ sindsupersymmetrische
Partner der Photonen?WIMP=Weakly Interacting
Massive Particle Partner der Photonen?LHC wird diese produzieren?
Unterschied zwischen DE und DM:Vorzeichen der Gravitation: DE hat
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pabstoßenden Gravitation
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Vakuumenergie abstoßende Gravitation
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Vakuumenergie and cosmological constant both produce repulsive gravity equivalent!
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Erste Evidenz für Vakuumenergie
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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 canregularly, i.e. determining v(t), which can
be used to reconstruct x(t) =∫v(t)dt. (speed distance, for universe Hubble law)
This distance can be compared laterpwith distance as determined from the
luminosity of lamp posts (assuming same brightness for all lamp posts)p p
(luminosity distance, if SN1a treated as ‘standard’ candles with known luminosity)
f h f l f h 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
) d f d l l )
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energy) instead of decelaration only)
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Perlmutter 2003Perlmutter 2003AbstandAbstand
Zeit
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Vergleich mit den SN 1a Daten
SN1a empfindlich für Beschleunigung, d.h.u gu g, . .
- m
CMB empfindlich für totale Dichte d.h.
+ m
( )
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= (SM+ DM)
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13.7 billion years
Indirect DM detection
Kosmologiey
95% of energy in universe of unknown natureunknown nature
AstroteilchenphysikAstronomie 102s
Teilchenphysik10-34 s
El t t il h
10-12 s
Urknall
Elementarteilchen
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Urknall
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Expansion rate of universe determines WIMP annihilation cross section
Thermal equilibrium abundance
A t l b d
T>>M: f+f->M+M; M+M->f+fT<M: M+M->f+fT=M/22: M decoupled stable densityActual abundance
ity
T=M/22: M decoupled, stable density(when annihilation rate expansion-rate, i.e. =<v>n(xfr) H(xfr) !)
er d
ensi
WMAP -> h2=0.1130.009 -><v>=2.10-26 cm3/s
ng n
umb
DM increases in Galaxies:1 WIMP/coffee cup 105 <ρ>.DMA ( 2) t t i
T=M/22Com
ovin DMA (ρ2) restarts again..
Annihilation into lighter particles likeT=M/22C
x=m/T
Annihilation into lighter particles, likequarks and leptons -> 0’s -> Gammas!
Only assumption in this analysis:
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x m/TJungmann,Kamionkowski, Griest, PR 1995
y p yWIMP = THERMAL RELIC!
50WS08/09
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Indirekte Suche nach Dunkler Materie
A ihil ti s d ktAnnihilationsprodukteDunkler Materie:
Gamma rays(EGRET, FERMI)
Positronen (PAMELA)
Antiprotonen (PAMELA)
e+ + e-(ATIC, FERMI, HESS, PAMELA)
Neutrinos (Icecube, no results yet)
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e-, p ertrinken in kosmischer Strahlung
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G F 5000 cm2 srG.F. 5000 cm2 srExposure > 3 yrs
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dP/P2 ~ 0.004 2.5 TV, p rejection = 10-5 (ECAL +TRD); Δx=10µm; Δt=100ps
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AMS to be launched in 2011
AMSAMS
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Model of AMS-02 on ISS
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Zum Mitnehmen
a) Der Urknall experimentell bewiesen u.a. durch
• die Hubble Expansion der Galaxien mit v=Hd• die Kernsynthese
di k i h Hi d hl d• die kosmische Hintergrundstrahlung aus demfrühen Universum mit akustischen Peaks des Urknalls,d h man hat den Urknall “gehört”d.h. man hat den Urknall gehört .
b) G ß F n d K m l i nd T il h nph ik:b) Große Fragen der Kosmologie und Teilchenphysik:
• Woraus besteht 95% der unbekannte Energie des Universums?g m(dunkle Materie, dunkle Energie, ….)
• Antworten erhofft vom LHC und Raumfahrtexperiment AMS
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Antworten erhofft vom LHC und Raumfahrtexperiment AMS