Vermessung des Universums Rotverschiebung und

Distanzen von Galaxien

Max Camenzind

Senioren Akademie

Heidelberg @ 2014

• Aristoteles trennt Physik in „Himmel und Erde“.

• 1543: Heliozentrisch Erde rotiert, nicht die Fixsternsphäre, aber immer noch Kreisbahnen.

• 1687: Newton führt Gravitationskraft ein gültig im ganzen Universum, noch statisch.

• Seit 1920: Teleskope erweitern den Horizont.

• 1924: Hubble bestimmt Distanz zu Andromeda.

• 1922/1927: Geburt expandierendes Universum

• 2004: Hubble Ultra-deep Field Blick ins Universum bis 13 Mrd. Jahre zurück.

Meilensteine der Kosmologie

• Wie messe ich die Distanzen zu den nächsten Galaxien, Andromeda/LMC? 1924 von Edwin Hubble entschieden / 2011 nachgemessen.

• Wie messe ich Distanzen zu Galaxien? kosmische Eichkerzen m–M = 5log(d/10 pc) RR Lyrae, Cepheiden und Supernovae Ia.

• Was ist kosmische Rotverschiebung? Hubble-Gesetz der Raum expandiert.

• Wie bestimme ich die Hubble-Konstante?

• Welche Bedeutung hat die Hubble-Konstante?

• Kosmische Distanzen Supernovae Ia

• Der Cosmic Web – Filamente, Haufen, Voids.

Distanzen und Rotverschiebung

Distanzen von Galaxien

• Geometrische Distanzen (selten möglich, z.B. Supernova 1987A).

• Standard-Kerzen: d² = L / 4p f

• Distanzmodul: µ = m – M = 5 log(d/10 pc)

• (i) RR-Lyrae Sterne (~ 0,5 Sonnenmassen), Riesensterne der Spektralklasse A, F, Pulsationsveränderliche (h Bereich)

• (ii) Delta Cephei Sterne ( < 20 Mpc, seit 1912)

• (iii) hellste Sterne (nicht gut definiert)

• (iv) Tully-Fisher Relation für Scheibengalaxien

• (v) Supernovae vom Typ Ia ( z < 2, seit 1990 )

Die Leuchtkraft-Distanz r Strahlung durch Fläche bleibt konstant

f = L / 4p r²

• Parallaxe: < 500 pc (Hipparcos), < 100 kpc (GAIA)

• Spektroskopische Parallaxe (über Distanzmodul): 10 kpc

• RR Lyrae Sterne (70 LS): < 100 kpc, Kugelsternhaufen

• Cepheiden (10.000 LS): < 30 Mpc, Virgohaufen

• Typ Ia Supernovae (1 Mrd. LS): < 10.000 Mpc, z < 2

GAIA

Kosmische Distanz-Leiter

Der Kugelsternhaufen Messier 55

Massereiche Sterne

entwickeln sich

Richtung Riesenast

Massearme Sterne

sind immer noch

auf der Hauptreihe

Turn-off Punkt

Horizontal-Ast

RR Lyr

FH Diagramm Kugelsternhaufen M 55

RR Lyrae Sterne

<MV> = 0,65 mag

RR Lyrae Sterne in Messier 3

Stellare

Pulsation Instabilitäts-

streifen im HRD

Leu

ch

tkra

ft

Zeit

Distanz zu LMC ?

mo = 18,5 +/- 0,1

(d = 50 kpc, +- 10%)

Cepheiden-Eichung

Fundamentale Limitierung der lokalen Werte von Ho

Frage wird mit GAIA

gelöst werden!

Leavitt-Law Cepheiden 2012

Freedman et al. 2012

d = 49,6 kpc

µSN87A = 18,55 +/- 0,05 mag

SN Ia als Standard-Kerzen

SNe werden so hell wie das Zentrum der Galaxie SN 1994D CO Weißer Zwerg

an Chandrasekhar

Massengrenze

MB = -19,31 mag für SN Ia

d = 16,7 Mpc uncorrected

mB = 11,8 mag

Typische

SN Ia

Lichtkurven-

Breite

(Streckung)

Maximale

Helligkeit

Maximale

Helligkeit

Lichtkurve

Breite

(stretch)

Farbe (c)

csm BBB m )1(M

Typische

SN Ia

Methode

der

Kalibration

B. D

ilda

y

500 spektroskopisch bestätigte SNe Ia von SDSSII

Supernovae Ia sind hell !

Moderne Standardkerzen

SDSS SN Ia in Redshift Space

• Weißer Zwerg akkretiert H vom Roten Riesen

• H fusioniert stetig zu He Bildung einer Heliumhülle

• Massenzunahme bis Chandrasekhargrenze Explosion

Akkretion auf WZ SN Ia

Hubble-Gesetz mit Supernovae

• H0 ist die “Hubble Konstante”,

• H0 = 63 +/- 6

km/s/Mpc

Calán-Tololo Daten 1989 - 1995

Distanzen im lokalen Universum

• Expansion ist linear, d.h. es gilt das

Hubble-Gesetz

• v = cz = H0·D

• Verwende Distanz-Modulus

• µ = m - M = 5 log(D/10 pc)

• Hubble-Konstante aus ‘Standard Kerzen’ (M=const.)

• m = 5 log(z) + b

• b = M + 25 – 5 log([c/H0] / Mpc)

Typ Ia SNe gute Standardkerzen z<2

2011

Conley et al. 2011

Satelliten HST EUCLID, …

Wichtig: Fehler bleibt

konstant mit z !

Abweichungen vom Hubble-Gesetz kosm. Expansion

z = 1

z = 2

Entdeckung – 1998 ! Hat Europa geschlafen ?

Nobelpreis in Physik 2011 !

Supernova Cosmology Project

Mark Philips

Hi z Supernova Team

Nobelpreisträger 2011

2006

2011

WFIRST / NASA

1,5 m Spiegel

Finanzierung ?

Supernovae Programme > 2012

LSST / 8-m Survey Tel Chile

250.000 SNe Ia/Jahr

Überwachung SHimmel 5 d

ESA M-Mission

Start 2019

MPIA HD, Bonn, MPIeX Garching

Dark Energy Survey Chile > 2012

Future prospects

• Cosmic microwave background radiation

– Distribution of dark matter at early times

• Distribution of galaxies

– Some clues to distribution of matter

• Galaxy velocities

– Galaxies fall towards dark matter clumps

• Gravitational lensing

The Dark Energy Survey CTIO Blanco / 5000 Quadratgrad / 2012 - 2017

Survey 300 Mio. Galaxien | 3000 Supernovae

Dark Energy Survey | 570 MPixel GBytes pro Bild | 400 Bilder pro Nacht TBs

ESA/EUCLID

Wir sind

scheinbar

im Zentrum

des

Universums

r = 0

Jede

Kugel-

Schale:

r = const

Kugel-

schalen

expandieren

mit der Zeit

r a(t)r

Photosphäre

Universum

3000 K

2,725 K

Galaxien-

Sphäre

Big Bang

Das Beobachtbare Universum ist endlich

Ph

oto

sph

äre

Un

iversu

m

C

MB

Alter des Universums in Mrd. Jahren

Stra

hlu

ngs-S

ph

äre

381.000 a 0

r = 0

?

Das Universum ist

isotrop Sphären Je weiter entfernt umso jünger

Michael S Turner

Das Moderne Universum

Du

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Mate

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En

erg

ie

Infl

ati

on

… ruht auf drei Säulen Jede bedeutet neue Physik!

Sonne mit Universum

„Grand Universe“ by Antifan-Real

Künstlerische Annäherung

Der Mikrowellenhintergrund isotrop

Penzias & Wilson 1965

1978

Kosmisches Rauschen

zu Temperatur von 5 K

COBE: T0 = 2,725 K

Kosmische Hintergrundstrahlung – CMB 1965-2012

Die ältesten Photonen

im Universum

2009 - 2012 Planck

Entdeckten das Nachglühen vom

Big Bang.

3,0 K Rayleigh-Jeans

Schwarzer Körper 2,725 K,

Entdeckte Strukturen

(Anisotropien) im Nachglühen.

Winkelskala ~ 7° im Bereich

ΔT/T ~ 10-5

(Wilkinson Microwave Anisotropy

Probe): Anisotropien auf

Winkelskala ~ 14’

Resultate WMAP7 2011

Parameter des Universums

Winkelskala ~ 5’,

ΔT/T > 2x10-6, 30 - 867 GHz

Resultate ~ 2013 erwartet

Zum ersten Male sub-mm!

1989-1992

2001-2010

Lokale Gruppe bewegt sich

gegenüber CMB Dipol

Isotropie der

Photosphäre Penzias & Wilson 1965

COBE 1989-1993 (NASA)

WMAP 2001-2010 (NASA)

Planck 2009-2012 (ESA)

1978 2006 ????

Fluktuationsgenerator Expansion

Fluktuationsverstärker

Cosmological

functions (z), G(z,k), Ps(k), Pt(k)

(Graphics from Gary Hinshaw/WMAP team)

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