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T.Hebbeker
AstrophysikAstroteilchenphysik
Kosmologie
Thomas HebbekerRWTH Aachen
April 2002
1.1
T.HebbekerErforschung des Universums
1) Beobachtung der Teilchen/Strahlung
Universum Erde
3) Modellbildung
2) Experimente im Labor
Kosm
olog
ie
T.HebbekerTeilchen/Strahlung aus dem Universum
+ Anti
teilch
en !
80 GeVW+ W-W-Boson
91 GeVZZ-Boson
masselosγPhoton
masselosgGluon
masselosGGraviton
??? unbekannte Teilchen ???
T.HebbekerTeilchen/Strahlung aus dem Universum
Kerne
80 GeVW+ W-W-Boson
91 GeVZZ-Boson
masselosγPhoton
masselosgGluon
Lern
e üb
er U
nive
rsum
und
/
masselosGGraviton
??? unbekannte Teilchen ???
oder
übe
r Te
ilche
n !
Forderung:
stabil, beobachtbar!
T.HebbekerTeilchen/Strahlung aus dem Universum
Kerne
Astroteilchen-physik
??? unbekannte Teilchen ???
E > 1 GeVγPhoton
Astrophysik/AstronomiePhoton E < 1 GeVγ
Gravitations-physikmasselosGGraviton
T.HebbekerRate / Energiefluss (primäre Teilchen)
Atmosphäre
Elektronen~ keV / GeV
Kerne (p)~ keV / GeV
??andereNeutrinos~ MeV
Elektron-neutrinos ~ MeV
Photonen ~ eV
extrasolarRate
solarE
solarRate
12102 ⋅
sm // 2 smJ // 2 sm // 2
14106 ⋅
12102 ⋅
3101⋅21105 ⋅1102 ⋅
4103 −⋅4103 −⋅ 210
410
1410
710
zeit
lich
gem
itte
lt
710
van-Allan-Gürtel
nur wenige geladene ANTIteilchen !
T.HebbekerRate / Energiefluss (primäre Teilchen)
Atmosphäre
Elektronen~ keV / GeV
Kerne (p)~ keV / GeV
??andereNeutrinos~ MeV
Elektron-neutrinos ~ MeV
Photonen ~ eV
extrasolarRate
solarE
solarRate
12102 ⋅
sm // 2 smJ // 2 sm // 2
14106 ⋅
12102 ⋅
3101⋅21105 ⋅1102 ⋅
4103 −⋅4103 −⋅ 210
410
1410710
710
zeit
lich
gem
itte
lt
Sternoberfläche
van-Allan-Gürtel
Kernfusion im Sternzentrum Sonnenwind Supernovae
T.HebbekerInhalt
• Einleitung
• Beobachtungen1) Astronomie/Astrophysik 2) Astroteilchenphysik3) Gravitationsphysik
• Kosmologie1) Evolution des Kosmos2) Prozesse im frühen Universum
T.Hebbeker1) Astronomie/Astrophysik
• Technische Fortschritte der klassischen Astronomie
• Interessante Objekte
• Supernovae
• Gamma Ray Burster
• Quasare, Galaxien mit Jets, ...
• Kosmische Hintergrundstrahlung
• Chemie des Universums
• Rotverschiebung der Galaxien
• Heutiges Bild des Universums
T.Hebbeker„klassische Astronomie“
Nachbargalaxie
„Andromeda“
2 Millionen Lichtjahre
„Whirlpool“ (HST)
37 Millionen Lj
Hubble Space Telescope
rasante Fortschritte:• Satelliten (HST)
• adaptive/aktive Optik
• Interferometrie
HST „deep field“
bis zu 10 Milliarden Lichtjahre
Blick in die Vergangenheit!
„Whirlpool“ (HST) 37 Millionen Lj
T.HebbekerSupernovae IaExplosion wenn Masse kritischen Wert Sonnem⋅≅ 4.1erreicht!
„Standardkerzen“
Zeitskala: einige Wochen
Helligkeit:
gleich
groß
Entfernungs-
bestimmung
T.Hebbeker
extragalaktisch ?
Quellen ?
Energie ?
10 keV – 100 MeV
M i l c h s t r a s s e
Gamma Ray BursterGamma Ray Burstermysteriöse kurze (Sekunden - Tage) hochenergetische Ausbrüche
„Nachglühen“
(sichtbares Licht)
T.HebbekerQuasare - Jets -AGNs...
• Quasare = Quasi Stellar Radio Source
• Jets (aus Galaxien)
• AGN = Active Galactic Nuclei
• Seyfert-Galaxien
• Blazars
HST: M87 in Virgo
Astro-Monster-Katalog:
Vermutung:
im Prinzip alle gleich!
Zentrum: schwarzes Loch
T.HebbekerDie kosmische Hintergrundstrahlung
Mikrowellenstrahlung aus allen Richtungen
= „schwarzer Körper“ mit T = 2.7K
Kleine Temperatur-unterschiede
COBEKµ100±
Penzias, Wilson
1965
1995
T.HebbekerDie Chemie des Universums
Vor der Sternbildung: Am Ende des Sternenlebens:
75 % 25 % (Masse)Wasserstoff Helium
Wir bestehen aus Sternenasche !
T.HebbekerRotverschiebung der Galaxien
nm
Hubble 1929: Universum expandiert
dHv ⋅=
v
d)1015(/1
//2//65
9aLjscmMpcskmH
⋅=
==
T.Hebbeker
Das heutige Universum
Materie:
• Galaxien1110
mit je 1110
Strahlung:
• Sternenlicht
• Hintergrundstrahlung
Sternen
T = 2.7 K
H,He
• dunkle Materie
T.Hebbeker2) Astroteilchenphysik
• Geladene Strahlung
Eigenschaften
Nachweis
Höchste Energien
•Neutrinos
aus Supernovae
solare
andere
•hochenergetische Photonen
Eigenschaften
Nachweis
T.HebbekerGeladene Strahlungprimär (p, Kerne)
sekundär
Entdeckung: V. Hess 1912
T.HebbekerEigenschaften geladener Strahlung
Energie-
Spektrum:
Chemie (bei kleinen Energien): 87% p, 12% He, 1% Rest
!Supernovae
?
E/eV
T.HebbekerNachweis primärer geladener Strahlung II) direkt: Detektoren an Ballon
oder in Satelliten
bis max. 100 TeV (Rate!)
JACEE= Japanese-American Collaborative Emulsion Exoeriment
T.HebbekerNachweis primärer geladener Strahlung IIII) indirekt (Luftschauer):• Detektor-Arrays (Szintillatoren) (ab 50 TeV)
• Cerenkov-Strahlung
• Fluoreszenzstrahlung
(ab 10 TeV)
Fly‘s Eye
T.HebbekerKosmische Teilchen bei höchsten Energienprimäre kosmische
Teilchen mit (kin.) Energie
wurden nachgewiesen !
Agasa Array (Japan):
GeV1110>= Tennisball !
Erzeugung im Weltall:
unverstanden!
ungehinderter „Transport“:
„unmöglich“ wegen Wechselwirkung mit Hintergrundstrahlung:
∆→+γp1993eV20102 ⋅
T.HebbekerAntimaterie im Universum ?Ja ! Positronen, Antiprotonen... = Sekundärprodukte von Teilchenkollisionen
Gibt es schwere Anti-Kerne im Universum (aus dem Urknall) ?
Bisher
kein
Antihelium ...
gefunden
T.HebbekerNeutrinos aus dem Universumaus Supernovae: SN 1987A (Magellansche Wolke)
aus der Sonne (s.u.)
aus anderen kosmischen Quellen (s.u.)
HST 1996
T.HebbekerSolare Neutrinos (~ MeV)Nur ~ 50% werden auf Erde nachgewiesen! ?
Homestake-Mine Supe
rkam
ioka
nde
eArCl +→+νγνν ++→+ ee
~ 1 / Tag !
Licht:Chemie:
T.HebbekerExtrasolare hochenergetische Neutrinosγµν ++→+ XKernMethode: (Cerenkov)
Amanda, Südpol, EisAmanda: Photomultiplier
500
m
noch keine Neutrino-Quellen gefunden...
T.HebbekerHochenergetische Gamma-Strahlung
synchrotron compton
nur wenige Quellen identifiziert
crab
nebula
(= SNR 1054)
T.HebbekerNachweis von Gamma-Strahlung
Luftschauer, Cerenkov-Strahlung): (ab 50 GeV)
HESS
Namibia
T.Hebbeker3) Gravitationsphysik
• Dunkle Materie
• Gravitationslinsen
• Gravitationswellen
• indirekter Nachweis
• direkte SucheBi
sher
nur L
icht/R
adiom
essu
ngen
, kein
direk
ter
is de
r Gra
vitati
onse
ffekte
!
Nachw
e
T.HebbekerDunkle Materie
v(r) ist Maß für
eingeschlossene Masse !
etwa 10 mal mehr dunkle als
leuchtende Materie !
= dunkle Materie
Spiralga
laxi
e
Rotationsgeschwindigkeit v(r)
via Doppler-Effekt:
T.HebbekerGravitationslinsenHST
VLA
Einstein-Ringe
T.HebbekerGravitationswellen
Vorhersage:
Einstein 1918
Enstehung im Universum :Urknall Supernovaezwei verschmelzende Neutronensterne
Nachweis:
schwierig wegen kleiner Leistung/Amplitude:
Erde um Sonne: P = 200 W
Supernova in Milchstrasse: auf Erde 1810~/ −∆ ll
T.HebbekerGravitationswellen: indirekter NachweisDoppelpulsar PSR1913+16:
/sErde
Umlaufzeit und Abstände
nehmen ab
wegen Abstrahlung von
GravitationswellenEntdecker: Taylor und Hulse
T.HebbekerGravitationswellen: direkte Suche
GEO600 Hannover
B) Michelson-
Interferometer
A) Zylinderantenne
T.HebbekerDas Big-Bang - ModellEinsteins allgemeine Relativitätstheorie
AstrophysikalischeBeobachtungen+Der Raum expandiert
Anfang: „Big Bang“=
Hintergrundstrahlung
Rotverschiebung
Chemie
T.HebbekerEvolution des UniversumsExpansionsgeschwindigkeit gegeben durch:
• Hubble-Konstante (kinetische Energie Expansion)
• mittlere Massendichte (potentielle Energie Kontraktion) Gravitation!
nicht genau bekannt==Ω
kritm ρ
ρ mittlere Massendichte
3/3 mAtomeH −≈kritische Massendichte
Hubble-Konstante
Skalenparameter R:
Abstand zwischen zwei
entfernten Galaxien
T.Hebbeker
Neu
e M
esse
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niss
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Mod
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Er
weit
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odel
l: Ei
nste
ins
„kos
mol
ogis
che
Kons
tant
e“
Λ„dunkleEnergie“
wirkt abstossend!
T.Hebbeker
Supernovae Typ Ia
= „Standardkerze“
Fluchtgeschwindigkeit
Hel
ligke
itMessung der Expansion
Entfe
rnun
g ~
Alte
r
tvdtvd
logloglog +=⋅=
T.HebbekerBerechnung der Evolution
22
2
)()(
tRMmG
dttRdm N
⋅⋅−=⋅
mit kosmologischer Konstanten :
3/)(tRm ⋅Λ⋅+
22
2
)()(
tRMmG
dttRdm N
⋅⋅−=⋅
consttRtM == )()(3
4 3ρπ
abstossendgrosse
Entferng!
Λ
ohne kosmologische Konstante:
T.HebbekerheutePr
ozes
se im
früh
en U
nive
rsum
a1010
a000300 Atome
Kernemin3
s1010−
Ladungssumme = 0
T.Hebbeker
Nukleosyntheset = 3 min T = 1 000 000 000 K E = 0.1 MeV
2 n + 2 p g He-Kern (stabil)
p = H-Kern (übriggebliebene Protonen)
Schwere Kerne (C, O, U...) entstanden erst in Sternen/Supernovae !
T.Hebbeker
Bildung von Atoment = 300 000 a T = 3000 K E = 0.3 eV
min3 Kerne
He-Kern + 2 e g He-AtomH-Kern + e g H-Atom
Weltall ohne freie Ladung!
Licht kann sich ungehindert ausbreiten!
Universum wird durchsichtig!
kosmische
Hintergrund-
strahlung !
T.HebbekerZusammenfassung
Zunehmende Verzahnung zwischen
Astrophysik und Teilchenphysik: Astroteilchenphysik
„goldenes Zeitalter der Kosmologie“
stark verbesserte und neue Beobachtungstechniken
-> viele spannende Resultate !