Einführung in die Astronomie unf Astrophysik II - Teil 12 · Einführung in die Astronomie und...

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Einführung in die Astronomie und Astrophysik II Teil 12 Jochen Liske Fachbereich Physik Hamburger Sternwarte [email protected]

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Einführung in die

Astronomie und Astrophysik II

Teil 12

Jochen LiskeFachbereich Physik

Hamburger Sternwarte

[email protected]

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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

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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

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Themen

Interstellare Materie

Sternentstehung

Sternentwicklung

Exoplaneten

Die anderen „Boten“

Die Milchstraße

Galaxien

Aktive Galaktische Kerne

Intergalaktische Materie

Kosmologie

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Zusammenfassung:

ART

Kosmologie

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Zusammenfassung:

ART + Kosmologisches Prinzip (Universum ist homogen und isotrop)

Kosmologie

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Zusammenfassung:

ART + Kosmologisches Prinzip FLRW-Metrik als Ansatz

Kosmologie

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Zusammenfassung:

ART + Kosmologisches Prinzip FLRW-Metrik als Ansatz

+ 2 Friedmann Gleichungen

Kosmologie

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Zusammenfassung:

ART + Kosmologisches Prinzip FLRW-Metrik als Ansatz

+ 2 Friedmann Gleichungen (+ Zustandsgleichung: p = wc2)

Kosmologie

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Zusammenfassung:

ART + Kosmologisches Prinzip FLRW-Metrik als Ansatz

+ 2 Friedmann Gleichungen (+ Zustandsgleichung: p = wc2)

Kosmologie

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Zusammenfassung:

ART + Kosmologisches Prinzip FLRW-Metrik als Ansatz

+ 2 Friedmann Gleichungen (+ Zustandsgleichung)

Unbekannte: [R(t), k] und [i, wi] für alle Energiekomponenten i

Kosmologie

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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

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Kann diese Modifikation für ein statisches Universum sorgen?

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Georges Lemaître

Ja, aber Lösung mit ist instabil!

Kann diese Modifikation für ein statisches Universum sorgen?

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Georges Lemaître

„Meine größte Eselei …“

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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

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Fragen?

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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

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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

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WD in Doppelsternsystem mit Massenübertragung:

MWD MCh Kern erreicht T für C-Fusion

Typ Ia Supernova = thermonukleare Explosion

Weiße Zwerge

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WD in Doppelsternsystem mit Massenübertragung:

MWD MCh Kern erreicht T für C-Fusion

Typ Ia Supernova = thermonukleare Explosion

Weiße Zwerge

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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

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R(t)

Heute

M = 1

t

geschlossen

M > 1

offen M < 1

M = 0

- 14 - 9 - 7

Milliarden Jahre

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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

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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

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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

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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

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Georges Lemaître

„Meine größte Eselei …“

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„Meine größte Eselei …“ Oder etwa doch nicht?

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Kosmologie mit Dunkler Energie

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Kosmologie mit Dunkler Energie

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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

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Das CDM Standard-Modell der Kosmologie

Pla

nck C

olla

bora

tion (

2015)

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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

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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

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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

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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

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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

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Die Entwicklung des Universums

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Die Entwicklung des Universums

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Die Entwicklung des Universums

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Die Entwicklung des Universums

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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?

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Die Entwicklung des Universums

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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-

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Rekombination

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Kosmische Hintergrundstrahlung

Vorhersage der Existenz der Hintergrundstrahlung (CMB) durch

G. Gamow (1946): Schwarzkörperstrahlung

Korrektur der vorhergesagten T durch Alpher & Herman (1948):

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David WilkinsonJim Peebles

Robert

Dic

ke

Kosmische Hintergrundstrahlung

1960er in Princeton:

Erneute Vorhersage der

Existenz der Kosmischen

Hintergrundstrahlung und

ihrer Temperatur

Erste Nachweisversuche

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Nur 60 km entfernt in Holmdel, New Jersey …

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Penzias & Wilson (1965)

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Penzias & Wilson (1965)

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Erste eingehende Beobachtung 1998

durch Cosmic Microwave Explorer

(COBE)

CMB ist perfekte Schwarz-

körperstrahlung mit TCMB = 2.725 K

Kosmische Hintergrundstrahlung

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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

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Kosmische Hintergrundstrahlung

George SmootJohn Mather

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Kosmische Hintergrundstrahlung

2009 – 2013: Sehr genaue Vermessung

durch den Planck Satelliten der ESA

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Kosmische Hintergrundstrahlung

Planck: Messungen bei 9 Frequenzen

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Kosmische Hintergrundstrahlung

Planck: Messungen bei 9 Frequenzen

Wichtig für zuverlässige Subtraktion störender

Vordergrundstrahlung:

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Credit: NASA / WMAP Science Team

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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

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Das CDM Standard-Modell der Kosmologie

Pla

nck

Colla

bora

tion (2015)

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Strukturentstehung

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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)

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Credit: M. Alvarez, R. Kähler & T. Abel

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Quasarspektrum

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Reionisation

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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

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Credit: Springel et al. (2005)

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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

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Relativistische Kosmologie

Hubblesches Gesetz,

Ausdehnung des

Universums

Big-Bang-

Nukleosynthese,

Häufigkeit leichter

Elemente

Kosmische

Hintergrundstrahlung,

Temperatur und

Verteilung der

Temperaturfluktuationen

Strukturentstehung