Die beschleunigte Expansion

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Die beschleunigte Expansion

• Franz Embacher

Fakultät für Physik Universität Wien
Vortrag im Rahmen von University Meets Public VHS
Meidling, 12. 3. 2012
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Nobelpreis 2011
an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt und
Adam G. Riess für die Entdeckung der
beschleunigten Expansion des Universums
durchBeobachtungen weit entfernter Supernovae.
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Die beschleunigte Expansion des Universums

• Die Expansion des Universums in der Theorie
• Einsteins kosmologische Kontante
• Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
• Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
  Standardkerzen
• Das moderne Standardmodell des Universums

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Andromeda-Nebel M31 mit M32 und M110
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HST Deep Field
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Die Expansion des Universums in der Theorie

• Albert Einstein 1915 Allgemeine
  Relativitätstheorie Theorie der Gravitation
• Gravitation ist die dominierende Kraft im
  Universum ? Beschreibung des Universums als
  Ganzes?
• Kosmologisches Prinzip Das Universum ist auf
  großen Skalen homogen und isotropDaraus folgt
  Die einzige Freiheit für die Bewegung des
  Universums im Großen ist eine Skalierung aller
  Abstände (? Skalenfaktor)
• Was sagte die Theorie zunächst voraus?

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Die Expansion des Universums in der Theorie
Newtonsche Argumentation
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Die Expansion des Universums in der Theorie
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Die Expansion des Universums in der Theorie
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Die Expansion des Universums in der Theorie
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Die Expansion des Universums in der Theorie
Masse M
? gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer
Probemasse im Gravitationsfeld einer
Punktmasse M !
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Die beschleunigte Expansion des Universums

• Demnach kann das Universum expandieren oder
  kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
  statischen Zustand befinden!
• Einstein repariert seine Theorie, indem er eine
  abstoßende Kraft einführt die kosmologische
  Konstante L. Ihre Bedeutung ist die einer
  Energiedichte des Vakuums.

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Energiedichte des Vakuums

• Was ist das Vakuum?
• Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!In
  diesem Fall besitzt das Vakuum einennegativen
  Druck!

Materie normalesVerhalten(z.B. Gas)
?
?
Energieinhalt wird verkleinert.
Energieinhalt wird vergrößert.
positiver Druck
Vakuum E V
?
?
Energieinhalt wird vergrößert.
Energieinhalt wird verkleinert.
negativer Druck
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Energiedichte des Vakuums

• Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
  ein statisches Universum.
• Leider ist es instabil, d.h. kleinste
  Inhomogenitäten lassen es kollabieren!
• Überlegungen zu einem expandierenden Universum
  (Willem de Sitter, Georges Lemaitre) werden
  zunächst wenig beachtet

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Die Galaxienflucht

• 1912 Vesto Slipher ErsteMessungen
  zurRotverschiebung einzelnerObjekte ?
  Geschwindigkeitenvon Galaxien!
• 1912 Henrietta Swan LeavittPerioden-Leuchtkraft-
  Beziehung von Cepheiden? erste Methoden
  derEntfernungsbestimmung(Cepheiden)
• 1920er Jahre Edwin Hubblekann erste Sterne
  imAndromeda-Nebel auflösen.

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Die Galaxienflucht

• 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien
  umso schneller von uns fortbewegen je weiter sie
  von uns weg sind!Hubble-Gesetz v H D

0
Hubble-Konstante(Hubble-Parameter)
km/s
H 71
(1 Mpc 3.26 Mio Lichtjahre)
heutiger Wert
0
Mpc
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Das Universum dehnt sich aus
Das Universum ist heute (fast) flach.
Das Universum war früher kleiner ? Urknall !
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Wo fand der Urknall statt?
Wo?
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Wo fand der Urknall statt?
Überall !
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Das Universum dehnt sich aus

• Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
  Dehnung aller Längen.
• Modell Gummiband, das ausgedehnt wird
• fix markierte Punkte Galaxien
• Spielzeugautos Licht
• Quantitative Beschreibung der Expansionder
  Skalenfaktor

Länge zur Zeit t
a(t)
Länge heute
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Das expandierende Universum

• Einstein bezeichnet die kosmologische Konstante
  als seine größte Eselei und entfernt sie aus
  seinen Gleichungen!

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Kosmologie bis in die 1990er Jahre

• Die Details der Expansion des Universums hängen
  von seinem Inhalt ab.
• frühes Universum strahlungsdominiert
• heutiges Universum materiedominiert
• Kosmologische Probleme
• Horizontenproblem
• Flachheitsproblem
• Lösung
• sehr frühes Universum Inflation (rapide
  exponentielle Expansion)!
• Entdeckung der dunklen Materie
• Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

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Dunkle Materie
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Dunkle Materie

• Jede Galaxie ist mit einem Halo aus Dunkler
  Materie umgeben!
• Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos
  erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der
  Galaxiengröße!)
• Nur knapp 2 der Materie, die eine Galaxie
  enthält, ist sichtbar!
• Nur etwa 5 der Materie, die eine Galaxie
  enthält, kann baryonisch (d.h. normale Materie)
  sein!
• Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie
  (fast) nur durch die Schwerkraft.

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Kosmische Hintergrundstrahlung
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1990er Jahre Blick in die Tiefe!

• Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
  gemessen werden?Standardkerzen

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Supernovae Ia als Standardkerzen

• Wie können sehr große Entfernungen gemessen
  werden?
• Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd
  Standardkerzen, d.h. ihre absoluten
  Helligkeiten sind (ungefähr) gleich und
  (ungefähr) bekannt

Doppelsternsystem
Zündung bei Erreichen einer kritischen Masse
Materiefluss
weißer Zwerg
Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann
die Entfernung abgeschätzt werden.
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Supernova September 2011 in M101
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Das Universum dehnt sich aus

• Vergleich verschiedener Theorien
• Falls Strahlung oder Materie dominiert? die
  Expansion verläuft gebremst.(Strahlungsdominierte
  s oder materiedominiertes Universum)
• Falls die Vakuumenergie dominiert? die Expansion
  verläuft beschleunigt!(Vakuumdominiertes
  Universum,Energiedichte des Vakuums
  kosmologische Konstante Dunkle Energie)
• Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird
  sie irgendwann einmal dominant!

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Modell Materiedominiertes Universum
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Modell Universum mit Vakuumenergie
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Überprüfung von Weltmodellen

• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
  überprüft werden?
• Rotverschiebung ? Geschwindigkeit der Quelle
• Hubble-Gesetz

nicht messbar
v H D
0
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

• Rotverschiebungs-Entfernungs-RelationBeziehung
  zwischen
• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
  Aussendung des Lichts

direkt messbar
indirekt messbar
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Vorhersagen Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
vakuumdominiertes Modell
materiedominiertes Modell
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Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
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Ergebnisse
Supernova Cosmology Project High-Z SN
Search
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ZusammenführungverschiedenerBeobachtungen
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Das moderne Standardmodell der Kosmologie

• Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie
  (Dunkle Energie, kosmologische Konstante).
• Sie bewirkt, dass das Universum heute
  beschleunigt expandiert.
• Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als
  70 der gesamten Energie des Universums.
• Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen
  gestützt
• Großräumige Galaxienverteilung
• Verteilung der leichten Elemente im Universum
• Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung

-26
3
-9
3
10 kg/m
10 J/m
bzw.
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Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild
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Danke...
... für Ihre Aufmerksamkeit! Diese
Präsentation finden Sie im Web unter http//home
page.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/