Vom Anfang und Ende des Vom Anfang und Ende des UniversumsUniversums

Göttingen, 10. Februar 2009

Wolfgang Hillebrandt MPI für Astrophysik Garching

Worüber ich nicht sprechen will ….

Das ,,neue” kosmologische Weltbild ….Das ,,neue” kosmologische Weltbild ….

Das ,,neue” kosmologische Weltbild ….Das ,,neue” kosmologische Weltbild ….

Das ,,neue” kosmologische Weltbild ….Das ,,neue” kosmologische Weltbild ….

……. und wie alles . und wie alles begann ….begann ….

Kosmologischer HintergrundKosmologischer Hintergrund Einstein’sche FeldgleichungenEinstein’sche Feldgleichungen

- Λ gµν???

Wie kann man den Kosmos ,,vermessen”Wie kann man den Kosmos ,,vermessen”?? Durch die Messung von AbstDurch die Messung von Abständenänden

und/oderund/oder durch die Messung von Winkeln.durch die Messung von Winkeln.

Entfernungsmessungen:Entfernungsmessungen:Unsere kosmische Nachbarschaft:(1 Lichtjahr = 9,46 Billionen km!)

Astronomie: Blicke in die Vergangenheit!Astronomie: Blicke in die Vergangenheit!

Galaktisches Zentrum:

Auf der Erde lebten Neandertaler

Andromeda-Galaxie:

Die Alpen entstehen

Der Coma-Haufen:

Der Archeopterix flog

Methoden fMethoden für ür kosmische Entfernungsmessungekosmische Entfernungsmessungenn

1. Die Paralaxe1. Die Paralaxe

Methoden fMethoden für ür kosmische Entfernungsmessungekosmische Entfernungsmessungenn

1. Die Paralaxe1. Die Paralaxe

2. Die “Standardkerze”2. Die “Standardkerze”

3. Geeichte Standardkerzen: variable Sterne3. Geeichte Standardkerzen: variable Sterne

Wenn sich ein Stern oder ein Galaxie Wenn sich ein Stern oder ein Galaxie von uns wegbewegt: von uns wegbewegt:

Das Licht erscheintDas Licht erscheint

rot-verschoben!rot-verschoben!

,,Hubble-Gesetz”,,Hubble-Gesetz”

v

4. Der Doppler-Effekt4. Der Doppler-Effekt

Ein “modernes” Hubble-DiagrammEin “modernes” Hubble-Diagramm

• mit undmit und

wwMM= 0 (Materie) = 0 (Materie)

wwRR= = ⅓⅓ (Strahlung) (Strahlung)

ww= -1 (Kosmologische Konstante/Vakuum)= -1 (Kosmologische Konstante/Vakuum)

zdzzS

H

czD

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iiL

i

21

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ik 12c

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LeuchtkraftabstLeuchtkraftabstände (ersetzt 1/rände (ersetzt 1/r2 2 – Gesetz)– Gesetz)::

Mittlerer Abstand zwischen den Galaxien

heute

schwächer

Rotverschiebung

M = 1

Zeit

Geschlossen

M > 1

Offen M < 1

M = 0

- 14 - 9 - 7

Milliarden Jahre

Supernovae als Standardkerzen?Supernovae als Standardkerzen?Supernova (SN) 1604 (“Keplers Supernova”)

Was ist eine (Typ Ia) Supernova?Was ist eine (Typ Ia) Supernova?

Supernovae in entfernten GalaxienSupernovae in entfernten Galaxien

Lichtkurven von gut beobachteten SNe IaLichtkurven von gut beobachteten SNe Ia

Gemessen

Zeit nach dem Maximum in Tagen

HELLIGKEIT

Lichtkurven von gut beobachteten SNe IaLichtkurven von gut beobachteten SNe Ia

Zeit nach dem Maximum in Tagen

HELLIGKEIT

“Kalibrierte” Lichtkurven

Das Hubble-Diagramm fDas Hubble-Diagramm für nür nahe Supernovaeahe Supernovae

,,Rotverschiebung”

(nahe) (fern)

(dunkel)

(hell)

Scheinb. minus absolute Größe

Supernovae sind sehr selten, ca. 1 SN pro 100 Jahre und Galaxie.

Man muß sehr viele Galaxien beobachten!

Sehr weit entfernte Supernovae

Suchstrategie:

1. Wiederholtes Scannen eines Feldes.

2. Elektronisches Auslesen der Daten.

3. Nachfolge-beoachtungen.

Supernovae werdenheute beiRotverschie-bungen von Z > 0,1routinemäßigentdeckt!

Die ErgebnisseDie Ergebnisse

Supernovae, die weit weg sind, also Supernovae, die weit weg sind, also explodierten, als das Universum etwa halb so explodierten, als das Universum etwa halb so alt war wie heute (vor bis zu 8 Milliarden alt war wie heute (vor bis zu 8 Milliarden Jahren), sind etwas lichtschwJahren), sind etwas lichtschwächer als sie es ächer als sie es sein sollten.sein sollten.

→ → Sie sind weiter von uns entfernt als Sie sind weiter von uns entfernt als eine ,,normale” Kosmologie erlaubt.eine ,,normale” Kosmologie erlaubt.

→ → Das Universum expandiert (heute) Das Universum expandiert (heute) beschleunigt ! Warum???beschleunigt ! Warum???

Mittlerer Abstand zwischen den Galaxien

heute

schwächer

Rotverschiebung

M = 1

Zeit

Geschlossen

M > 1

Offen M < 1

M = 0

- 14 - 9 - 7

Milliarden Jahre

Beschleunigte Expansion !

209 SNe Ia und Mittelwerte209 SNe Ia und Mittelwerte

“Geschlossenes” Universum

“Leeres” Universum

“Flaches” Universum mit Beschleunigung

Die ,,Dunkle Energie’’Die ,,Dunkle Energie’’ ,,Kosmologische Konstante” (oder eine andere ,,Kosmologische Konstante” (oder eine andere

Modifikation der Allgemeinen Relativitätstheorie)?Modifikation der Allgemeinen Relativitätstheorie)? Energie des (Quanten-)Vakuums ?Energie des (Quanten-)Vakuums ? Ein neues unbekanntes Energiefeld ?Ein neues unbekanntes Energiefeld ?

Das Vakuum wirkt wie ein Gas mit negativem Druck!

Kosmologie und Typ Ia Supernovae

Die “Zustandsgleichung” des Universums:

p = wρ

ä ~ (ρ + 3p)

w ‹ -1/3 :

BeschleunigungBeschleunigung!!

Galaxiensurveys

Supernovadaten

Kosmologische Konstante = Vakuumenergie?

Was ist also die Zukunft des Universums?Was ist also die Zukunft des Universums?

Was ist also die Zukunft des Universums?Was ist also die Zukunft des Universums?

HHängt von der Natur der Dunklen Energie ab !ängt von der Natur der Dunklen Energie ab !

Ein unabhEin unabhängiger Test:ängiger Test: Der kosmische Mikrowellen-HintergrundDer kosmische Mikrowellen-Hintergrund

George Gamow (1946): Es gibt ~400 Photonen pro Kubikzentimeter Arno Penzias und Robert Wilson: Zufällige Entdeckung 1964

Der kosmische Mikrowellen-HintergrundDer kosmische Mikrowellen-Hintergrund

Vor der Rekombination: Das Universum is undurchsichtig.

Nach der Rekombination: Das Universum ist durchsichtig.

Übergang ~300 000 Jahre nach dem Urknall!

300000 J

109 J

heute

Oberfläche der “letzten Streung”Oberfläche der “letzten Streung”

transparenttransparent

undurchsichtigundurchsichtig

Nobel-Preis für Physik 2006 für COBE:Nobel-Preis für Physik 2006 für COBE:

John MatherJohn Mather

George SmootGeorge Smoot

Können wir den “Klang” des Universums Können wir den “Klang” des Universums “sehen”?“sehen”?

Komprimiertes Gas erwärmt sichKomprimiertes Gas erwärmt sich

TemperaturfluktuationenTemperaturfluktuationen

Der Himmel im “Licht” der 2,7° K StrahlungDer Himmel im “Licht” der 2,7° K Strahlung

(nach WMAP)

Die Interpretation der DatenDie Interpretation der Daten

Interpretation der Daten:Geometrie des Universums:

“flach” (Euklidisch)

“Dunkle Energie”:

~73%

“Dunkle Materie”:

~23%

Baryonen:

~4%

Alter des Universums:

~13,7 Milliarden Jahre

(Fehler < 2% !!!)

Was sind die möglichen Fehler?

“Statistisch”?

“Systematisch”?

Laufende und zuküftige Projekte

SN Projekte

ESSENCECFHT Legacy Survey

Hohe-z SN Suche(GOODS)

SN FactoryCarnegie SN Projekt

JDEM/SNAP (Supernova Acceleration Probe)

Weitere Projekte: EUCLID (ESA)

1,2m –Teleskop (in L2)

Sichtbar/NIR

Himmelsdurchmus-terung

Galaxien und Haufen von Galxien

Weitere Projekte: JDEM

(SNAP /ADEPT/DESTINY) (NASA/DOE)

1,5m –Teleskop (in L2)

Sichtbar/NIR/IR

Himmelsdurchmus-terung

Supernovae, Galaxien und Haufen von Galxien

ZIEL:

Was ist die Natur der dunklen Energie?

Mittlerer Abstand zwischen den Galaxien

heute

schwächer

Rotverschiebung

M = 1

Zeit

Geschlossen

M > 1

Offen M < 1

M = 0

- 14 - 9 - 7

Milliarden Jahre

“Es gibt eine Theorie, die behauptet: Sobald irgend jemand herausfindet, was genau es mit dem Universum auf sich hat, und warum es hier ist, verschwindet es sofort und wird durch etwas ersetzt, das noch bizarrer und unerklärlicher ist.”

“Es gibt eine andere Theorie die sagt, das habe bereits stattgefunden.”

Douglas Adams