T.Hebbeker

Urknall und Entwicklung des

UniversumsThomas Hebbeker

RWTH AachenDies Academicus

08.06.2005

Grundlegende Beobachtungen

Das Big-Bang – Modell

Die Entwicklung des Universums 1.1

T.HebbekerBlick ins Universum: Sterne und GalaxienDie Milchstrasse

Nachbarstern

„Proxima Centauri“

4 Lichtjahre

25000 Lj

1 Lichtjahr=70000 mal

Abstand Erde-Sonne

Aachen

Das Sonnensystem in der

Milchstrasse„Unsere“ Galaxie = Milchstrasse

T.HebbekerBlick ins Universum: Sterne und Galaxien

Nachbargalaxie

„Andromeda“

3 Millionen Lichtjahre

Andere Galaxien

„Whirlpool“ (Hubble Teleskop)

37 Millionen LjPalomar Observatory, E. Hubble (1949)

T.HebbekerBlick ins Universum: Sterne und Galaxien

Hubble-Teleskop

bis zu einigen

Milliarden Lichtjahren

Blick in die

Vergangenheit!

Entfernte Galaxien

T.HebbekerDoppler-Effekt (Licht)

Sonnenlicht: Atomare Spektrallinien:

mµ4.0 mµ8.0Wellenlänge

T.Hebbeker

Universum expandiert !

Rotverschiebung der Spektrallinien

mµ4.0 8.0

E. Hubble

T.Hebbeker1

2

3

r

v

x

Explosionsmodell

v = H r•Hubble-Gesetz:

1/H = 15 Milliarden Jahre = Weltalter

T.Hebbeker

„Big Bang“ = Ur-“Knall“

RaumZe

it-1

5 M

illiar

den

Jahr

e08

.06.

2005

T.Hebbeker

Das heutige Universum

Materie:

• Galaxien1110

mit je 1110

Strahlung:

• Sternenlicht

• Hintergrundstrahlung

Sternen• dunkle Materie

T.Hebbeker

Zusammenfassung„Grundlegende Beobachtungen“

Universum = viele Galaxien

Galaxien fliegen auseinanderBig-Bang

- Modell

T.Hebbeker

Adler-Nebel(M16)

Hubble-Teleskop

Grundlegende Beobachtungen

Das Big-Bang – Modell

Die Entwicklung des Universums

T.Hebbeker

Ist das Urknall-Modell richtig ?

Beobachtbare „Überbleibsel“ des heißen Urknalls ?

Entstehung der Atome im frühen Universum ?

Alter des Universums ?

Zukunft ? Geht die Expansion immer weiter ?

Unsere Vorstellung:

Universum früher dicht und heiß;

Galaxien fliegen voneinander weg

FRAGEN:

T.HebbekerLicht von der UrexplosionUrexplosion: heißes Gas / Plasma(ähnlich Sonne)

Sonne

T = 6000 K

Plancksche

Strahlungskurve

T.HebbekerLicht von der UrexplosionUrexplosion: heißes Gas / Plasma(ähnlich Sonne)

Ur-Licht heute nochbeobachtbar

Wellenlängen ~ 1000 mal größer

Spektrum gleiche Form

Sonne

Vorhersage von R. Alpher u.a.1948:

T = 6000 K

Plancksche

Strahlungskurve

T.Hebbeker

Die kosmische Hintergrundstrahlung

COBE

Plancksche

Strahlungskurve

1%

T = 3 K

A. Penzias und

R. Wilson 1965:

Mikrowellenstrahlung aus dem Kosmos

= Blitz der Urexplosion

T.Hebbeker

Ist das Urknall-Modell richtig ?Unsere Vorstellung:

Universum früher dicht und heiß;

Galaxien fliegen voneinander weg

Beobachtbare „Überbleibsel“ des heißen Urknalls ?FRAGEN:

Ja, kosmische „Hintergrundstrahlung“

= Mikrowellenstrahlung

T.Hebbeker

Proz

esse

im fr

ühen

Uni

vers

uma1010 08.06.2005

a000300 Atome

Kernemin3

s1010−

Ladungssumme = 0

T.Hebbeker

Nukleosyntheset = 3 min T = 1 000 000 000 K

2 n + 2 p 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

min3 Kerne

He-Kern + 2 e He-Atom H-Kern + e H-Atom „kosmische

Hintergrund-strahlung“

25% Masse

75%

Weltall ohne freie Ladung!

Licht kann sich ungehindert ausbreiten!

Universum wird durchsichtig!

T.HebbekerDie Chemie des Universums

Vor der Sternbildung:

BIG BANG-Modell sagt Messdaten richtig voraus!

Am Ende des Sternenlebens:

75 % 25 %Wasserstoff Helium

Wir bestehen aus Sternenasche !

T.Hebbeker

Ist das Urknall-Modell richtig ?Unsere Vorstellung:

Universum früher dicht und heiß;

Galaxien fliegen voneinander weg

FRAGEN:

Entstehung der Atome im frühen Universum ?

Ja, Wasserstoff und Helium,

im Urknallmodell richtig berechnet

T.HebbekerWie alt ist das Universum ?a) Objekte im Universum:

~ 4 Milliarden Jahre ~ 14 Milliarden Jahre

ausgebrannte

Sterne

Sonnensystem

v = H r•b) Zeitpunkt des Urknalls

Hubble-Gesetz:1/H ~ 15 Milliarden Jahre = Weltalter

T.Hebbeker

Ist das Urknall-Modell richtig ?Unsere Vorstellung:

Universum früher dicht und heiß;

Galaxien fliegen voneinander weg

FRAGEN:

Alter des Universums ?

Ungefähr 15 Milliarden Jahre

T.Hebbeker

Zusammenfassung„Big-Bang - Modell“

Universum entstand aus heißem Urknall

vor ~15 Milliarden Jahren

Mit Abkühlung entstanden Atome

(Wasserstoff + Helium) und Galaxien

Die kosmische Hintergrundstrahlung zeugt vom

„Explosionsblitz“

T.Hebbeker

Adler-Nebel

Grundlegende Beobachtungen

Das Big-Bang – Modell

Die Entwicklung des Universums

T.Hebbeker

In jedem Szenarium: Urknall !

Zeit

Entwicklung des Universums ? Hat Einstein Recht ?

Beschleunigte Expansion Kollaps

T.HebbekerEvolution des Universums (a la Einstein)

Geschwindigkeit nimmt ab, da Gravitationanziehend

proportional zur Massendichte

Galaxie

(Unbekannter) Parameter gibt an, welcher Effekt die Oberhand gewinnt:

mΩ

> 1: Schwerkraft „gewinnt“ mΩ

entscheidet über unser Schicksal !mΩ

T.Hebbeker

entf

ernt

en G

alax

ien

Evolution des Universums (Einstein)

Big Bang =Urknall

Welche Kurve ist richtig ?

„Big Crunch“

= A

bsta

nd z

wisc

hen

zwei

Alter des Universums

~ 15 Milliarden Jahre

T.HebbekerWie kann man die Evolution messen ?

Idee:

weit entfernte Objekte = Blick in die Vergangenheit

(Lichtlaufzeit !)

Geschwindigkeitsmessung mit Dopplereffekt

schnel

l langsam negativ

Bestimmung der

Geschwindigkeitsänderung

der Galaxien

mit der Zeit

T.HebbekerSupernovae Ia

Helligkeit:

gleich

groß

Explosion wenn Masse

Entfernung

Blick in Vergangenheit !

Zeitskala: einige Wochen

Sonnem4.1≈

Flucht-

geschwindigkeit

T.HebbekerMessung der Geschwindigkeitsänderungmit Supernovae

„dunkleEnergie“

wirkt abstoßend!

Neue Kraft,

neue Energieform:

Ergebnis:

ΛErweitertes Modell: Einsteins „kosmologische Konstante“

T.HebbekerMessung der Geschwindigkeitsänderung mit Supernovae

Geschwindigkeit heute höher als früher!

Abstoßung, beschleunigte Expansion

Ergebnis:

modifiziertes Gravitationsgesetz

neue Energieform: „dunkle Energie“

Konsequenz:

T.HebbekerEnergieformen im Universum

Anteil in %

25

70

5 1

dunkle Materie

dunkle Energie

baryonischeMaterie

leuchtendeMaterie

(nichtleuchtend)

[kosmol. Konst.]

73

23

14

?

???

unverstanden !

unbekannt !

T.Hebbeker

Zusammenfassung„Entwicklung des Universums“

Urknall-Modell qualitativ erfolgreich

Messungen zeigen Abweichung von berechneter

Entwicklung der Galaxiengeschwindigkeiten !

Mögliche Erklärung:

Erweiterung des Gravitationsgesetzes,

„dunkle Energie“

T.HebbekerZusammenfassung

„goldenes Zeitalter der Kosmologie“

.... Messungen....Theorie....

http://www.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/welcome.html#presentations

Revolution in der Physik !?

Urknall und Entwicklung des UniversumsBlick ins Universum: Sterne und GalaxienBlick ins Universum: Sterne und GalaxienBlick ins Universum: Sterne und GalaxienDoppler-Effekt (Licht)Rotverschiebung der Spektrallinien„Big Bang“ = Ur-“Knall“Das heutige UniversumZusammenfassung„Grundlegende Beobachtungen“Ist das Urknall-Modell richtig ?Licht von der UrexplosionLicht von der UrexplosionDie kosmische HintergrundstrahlungIst das Urknall-Modell richtig ?Prozesse im frühen UniversumNukleosyntheseBildung von AtomenDie Chemie des UniversumsIst das Urknall-Modell richtig ?Wie alt ist das Universum ?Ist das Urknall-Modell richtig ?Zusammenfassung„Big-Bang - Modell“Entwicklung des Universums ? Hat Einstein Recht ?Evolution des Universums (a la Einstein)Evolution des Universums (Einstein)Wie kann man die Evolution messen ?Supernovae IaMessung der Geschwindigkeitsänderung mit SupernovaeMessung der Geschwindigkeitsänderung mit SupernovaeEnergieformen im UniversumZusammenfassung„Entwicklung des Universums“Zusammenfassung