Die Urknalltheorie

1
Kosmologie Versuch eines Überblicks
PART I
"In the beginning the Universe was created.
This has made a lot of people very angry and
been widely regarded as a bad move. The Hitch
Hiker's Guide to the Galaxy  Douglas Adams
(1952-2001), British writer
2
Vom Urknall bis .....
3
Die 4 Ecksteine der Kosmologie

• Expansion des Universums
• Universum begann mit einem BIG BANG, vor ca.
  13.7 Milliarden Jahren
• Das Universum expandiert
• Das Universum ist auf großen Längen isotrop und
  homogen
• Ursprung der kosmischen Hintergrundstrahlung
  (CMB)
• Die CMB ist der Überrest des heißen Urknalls
• Die letzte Streufläche stellt die letzte WW von
  Strahlung und Materie dar
• Die Strahlungstemperatur des CMB entwickelte
  sich von 3000K nach 2.7K
• Nukleosynthese der leichten Elemente
• Kernbausteine verschmelzen in den ersten drei
  Minuten zu den leichten Kernen Wasserstoff und
  Helium
• Das Urknall-Modell sagt korrekt das Verhältnis
  von Wasserstoff zu Helium voraus 25
• Entstehung von Galaxien und Galaxienhaufen
• Strukturentstehung beginnt nach der Entkopplung
  von Materie und Strahlung
• Das Urknall-Modell stellt den Rahmen dar, in dem
  sich die Strukturentstehung verstehen lässt

4
Die Geschichte des Universums

• t0
• T8

5
Die Geschichte des Universums

• Epochen

Epoch Time To(K) r (kg/m3)
Big Bang 0 ? ? Birth of the Universe ?
Planck Era lt10-43s gt1031 gt1097 String Theory / Quantum Cosmology
Inflation Era lt10-35s gt1027 Symmetry Breaking -gt Exponential Expansion
Quark Era lt10-23s gt1022 gt1058 Free Quarks in Thermal Equilibrium
Hadron Era lt10-4s gt1012 gt1017 Matter Anti Matter Asymmetry
Lepton Era lt100s gt1010 gt108 Rapid Expansion/cooling (leptons/photons equilibrium)
Radiation Era lt106yr gt3000 gt10-19 Nucleosynthesis, Decoupling
Matter Era gt106yr lt3000 lt10-19 Structure Formation, first galaxies
Acceleration Era present 3 lt10-27 Acceleration phase of the Universe
6
Die Planckwelt und die anfängliche Singularität

• Am Anfang
• Planck Ära 0 - 10-43 s nach dem Urknall

• Mit der Planckzeit tp
• Planck Länge lp? ctp
• Planck Dichte rp? 1/Gtp2
• Planck Masse mp? rp lp3

• tlt10-43s bekannt als die Planckära
• Quanteneffekte werden wichtig
• Einsteins Theorie der Gravitation bricht
• zusammen

7
Planck Ära / Ära der Quantengravitation

• Gravitation (Einstein)
• Schwarzschildradius (Ereignishorizont)
• Quantenmechanik
• Unschärferelation

• Einleitung
• Was besagt die Theorie?
• Überblick
• Ablauf
• Planck Ära
• GUT Ära
• Inflation
• Elektroschwache Ära
• Leptonen Ära
• Photonen Ära
• Universum wird transparent
• Galaxien und Sterne entstehen
• Wodurch wird sie gestützt?
• Schwachpunkte

8
Quantenschaum
ART
Quantentheorie
Quantenfluktuationen, alles unterliegt
Unschärferelation
Glatte räumliche Geometrie
Raum wird auf mikroskopischem Level verzerrt
Gravitationsfeld ist Krümmung des Raumes
Längenskala Plancklänge
9
(No Transcript)
10
GUT Ära
Ab 10-43 s

• Einleitung
• Was besagt die Theorie?
• Überblick
• Ablauf
• Planck Ära
• GUT Ära
• Inflation
• Elektroschwache Ära
• Leptonen Ära
• Photonen Ära
• Universum wird transparent
• Galaxien und Sterne entstehen
• Wodurch wird sie gestützt?
• Schwachpunkte

11
Elektroschwache Ära
Ab 10-34 s

• Einleitung
• Was besagt die Theorie?
• Überblick
• Ablauf
• Planck Ära
• GUT Ära
• Inflation
• Elektroschwache Ära
• Leptonen Ära
• Photonen Ära
• Universum wird transparent
• Galaxien und Sterne entstehen
• Wodurch wird sie gestützt?
• Schwachpunkte

• Es entstand das noch heute bestehende Verhältnis

12
Leptonen Ära
Ab 10-10 s

• Quarks aus dem Quark-Gluon-Plasma bilden Baryonen
  und Mesonen
• Antimaterie verschwunden
• Neutrinos entkoppeln
• Neutronen-Protonen-Verhältnis 17 entsteht

• Einleitung
• Was besagt die Theorie?
• Überblick
• Ablauf
• Planck Ära
• GUT Ära
• Inflation
• Elektroschwache Ära
• Leptonen Ära
• Photonen Ära
• Universum wird transparent
• Galaxien und Sterne entstehen
• Wodurch wird sie gestützt?
• Schwachpunkte

13
Photonen Ära
Ab 102 s

• Es ist heiß genug, damit durch Fusion leichte
  Kerne entstehen können, aber nicht mehr heiß
  genug, dass die Photonen diesen Prozess
  rückgängig machen könnten.
• Deuterium, Helium, Lithium (Kerne) entstehen

• Einleitung
• Was besagt die Theorie?
• Überblick
• Ablauf
• Planck Ära
• GUT Ära
• Inflation
• Elektroschwache Ära
• Leptonen Ära
• Photonen Ära
• Universum wird transparent
• Galaxien und Sterne entstehen
• Wodurch wird sie gestützt?
• Schwachpunkte

14
Universum wird transparent
Ab 300000 a

• Die Kerne können Elektronen an sich binden
• Keine Streuung von Photonen an freien Elektronen
• Universum wird durchsichtig

• Einleitung
• Was besagt die Theorie?
• Überblick
• Ablauf
• Planck Ära
• GUT Ära
• Inflation
• Elektroschwache Ära
• Leptonen Ära
• Photonen Ära
• Universum wird transparent
• Galaxien und Sterne entstehen
• Wodurch wird sie gestützt?
• Schwachpunkte

15
Galaxien und Sterne entstehen
Ab 1 Mrd. a

• Einleitung
• Was besagt die Theorie?
• Überblick
• Ablauf
• Planck Ära
• GUT Ära
• Inflation
• Elektroschwache Ära
• Leptonen Ära
• Photonen Ära
• Universum wird transparent
• Galaxien und Sterne entstehen
• Wodurch wird sie gestützt?
• Schwachpunkte

16
Wodurch wird sie gestützt?

• Expansion des Universums
• Hintergrundstrahlung
• Häufigkeit der Elemente
• Altersverteilung der Sterne

Einleitung Was besagt die Theorie? Wodurch wird
sie gestützt? Schwachpunkte
17
Expansion des Universums

• Hubble (1929) v H0 r

• Einleitung
• Was besagt die Theorie?
• Wodurch wird sie gestützt?
• Expansion des Universums
• Hintergrundstrahlung
• Häufigkeit der Elemente
• Altersverteilung der Sterne
• Schwachpunkte

18
Expansion des Universums

• Einleitung
• Was besagt die Theorie?
• Wodurch wird sie gestützt?
• Expansion des Universums
• Hintergrundstrahlung
• Häufigkeit der Elemente
• Altersverteilung der Sterne
• Schwachpunkte

19
Hintergrundstrahlung

• Entstanden durch häufige Streuung der Photonen an
  Elektronen in der Photonen-Ära
• 1948 vorhergesagt
• 1964 zufällig gemessen (1978 Nobelpreis)

• Einleitung
• Was besagt die Theorie?
• Wodurch wird sie gestützt?
• Expansion des Universums
• Hintergrundstrahlung
• Häufigkeit der Elemente
• Altersverteilung der Sterne
• Schwachpunkte

Schwarzkörperspektrum
20
Hintergrundstrahlung

• Sehr isotrop, jedoch geringe Anisotropie mit
  besser werdenden Messgeräten festgestellt (WMAP)

• Einleitung
• Was besagt die Theorie?
• Wodurch wird sie gestützt?
• Expansion des Universums
• Hintergrundstrahlung
• Häufigkeit der Elemente
• Altersverteilung der Sterne
• Schwachpunkte

21
Hintergrundstrahlung

• Einleitung
• Was besagt die Theorie?
• Wodurch wird sie gestützt?
• Expansion des Universums
• Hintergrundstrahlung
• Häufigkeit der Elemente
• Altersverteilung der Sterne
• Schwachpunkte

Hintergrundstrahlung und deren Spektrum
Nur über Urknallmodel erklärbar
22
Häufigkeit der (leichten) Elemente
Verhältnis Nn/Np 1/7 (aus Leptonen Ära) Alle
Neutronen in He gt Rest an Protonen für
Wasserstoff Nuklidkarte keine Kerne mit 5 oder
8 Nukleonen, die dazwischen großteils instabil

• Einleitung
• Was besagt die Theorie?
• Wodurch wird sie gestützt?
• Expansion des Universums
• Hintergrundstrahlung
• Häufigkeit der Elemente
• Altersverteilung der Sterne
• Schwachpunkte

Verteilung der baryonischen Materie
23
Häufigkeit der (leichten) Elemente

• Einleitung
• Was besagt die Theorie?
• Wodurch wird sie gestützt?
• Expansion des Universums
• Hintergrundstrahlung
• Häufigkeit der Elemente
• Altersverteilung der Sterne
• Schwachpunkte

Z
N
0 1 2 3
4 5 6
7
24
Altersverteilung der Sterne

• Einleitung
• Was besagt die Theorie?
• Wodurch wird sie gestützt?
• Expansion des Universums
• Hintergrundstrahlung
• Häufigkeit der Elemente
• Altersverteilung der Sterne
• Schwachpunkte

S Skalenfaktor
O0 Dichteparameter
25
Probleme
Dunkle Materie / Energie Inflation Felder
mit abstoßender Gravitation nötig, bislang nicht
gefunden

• Einleitung
• Was besagt die Theorie?
• Wodurch wird sie gestützt?
• Schwachpunkte
• Dunkle Materie
• Inflation

26
Skalenfaktor
Um von der Expansion unabhängige Koordinaten zu
haben führt man den Skalenfaktor S(t) ein. Dieser
gibt somit auch die Größenentwicklung des
Universums wieder.

• Einleitung
• Was besagt die Theorie?
• Überblick
• Mathematik
• Ablauf
• Wodurch wird sie gestützt?
• Schwachpunkte

27
Friedmann Modelle

• Einleitung
• Was besagt die Theorie?
• Überblick
• Mathematik
• Ablauf
• Wodurch wird sie gestützt?
• Schwachpunkte

28
Friedmann Modelle

• Einleitung
• Was besagt die Theorie?
• Überblick
• Mathematik
• Ablauf
• Wodurch wird sie gestützt?
• Schwachpunkte

29
Was wird beobachtet?
30
Der Himmel im Radio- und Infrarotbereich
31
Wie entstehen die Schwankungen?
32
1 DM und Akustische Wellen
Gravitationswellen
verursachen
Akustische Wellen
Verdichtungen von leuchtender Materie
Stärkstes Argument für die Anwesenheit von DM
33
1. Computersimulation Millennium Run
MPI Astrophysik
Normale Materie
Dunkle Materie
34
Das expandierende Universum im Computer
35
Noch eine Simulation
36
Was kann man aus den Schwankungen über die
Krümmung des Raumes lernen?
37
Informationen aus der Hintergrundstrahlung
38
1. Charakterisierung
39
1 Indizien
Indizien für Dunkle Materie

• Rotationskurven Galaxien
• Galaxienhaufen
• Strukturbildung im Universum

40
1 Rotationskurven
Annahmen

• Masse im Zentrum konzentriert
• Sterne bewegen sich auf Kreisbahnen

41
1. Rotationskurven
Rotationskurve Galaxie
42
1 Ergebnisse der Messung
43
Rotationskurven
Rotationskurven versch. Galaxien
44
Halo aus Dunkler Materie
Modell
Galaxie von einem kugelförmigen DM-Halo
stabilisiert.
Typische Durchmesser
Halo
Galaxie
100 kpc
10 kpc
45
Nachweis DM in Clustern
Gravitationslinsen bei Abell 2218
Goeke, Uni Bochum
Nicht verzerrte Galaxie
Isodense (DM)
46
2. Kandidaten für Dunkle Materie
zwei große Klassen

• Baryonische Materie (3 Quarks)
• Nicht-Baryonische Materie

47
2. Baryonische Materie
Baryonische Kandidaten für DM

• Gas und Staub

• Asteroiden, Meteoriten und Planeten

• braune Zwerge

• weiße Zwerge

• Neutronensterne

• Schwarze Löcher

48
2. Gas
Heißes Gas emittiert Strahlung
49
2. Staub, Asteroiden und Meteoriten
Staubwolken

• streuen das Licht von Sternen

im Infraroten sichtbar
Zur Lösung des Problems wäre mehr Staub nötig als
beobachtet!
Adlernebel
50
2. Schwarze Löcher
Massive Schwarze Löcher

• extreme Masse 10MSlt M lt 106MS
• sehr große Schwerkraft
• leuchten gar nicht
• Vermutung
• Im Zentrum von Galaxien
• mit M gt 100MS

Keine Erklärung der Rotationskurven müssten im
Halo sein
51
2. MACHOs
Möglicherweise verantwortlich für 20 der
baryonischen DM
52
2. MACHOs
Jupiterähnliche Planeten

• größtenteils H2
• Hohe Masse
• Einfluss auf Bewegung des Zentralsterns

53
2. MACHOs
Weiße Zwerge

• Masse

Sehr alt und leuchtschwach guter Kandidat
54
2. Nicht-Baryonische Materie
Nicht-baryonische Kandidaten für DM

• Neutrino
• WIMP (Schwache WW und Gravitation)

WIMP Weakly Interacting Massive Particle

• weitere Teilchen aus Supersymmetrie

electron selectron neutrino sneutrino gluon
gluino
55
2. Neutrinos
Rotationskurven in Galaxien durch Neutrinos
Abschätzung Neutrinomasse mn gt 10 eV
56
2. WIMPs
LSP Lightest Supersymmetric Particle
Neutralino (LSP)

• Masse 50-1000 GeV
• elektrisch ungeladen
• stabil
• schwach-wechselwirkend

WIMP-Hauptkandidat!
57
3. Sitzverteilung im Kosmos
Anteile an Gesamtenergiedichte
WMAP(2003)
58
3. Dunkle Energie
59
3. Implementierung von L
in den Friedmangleichungen
60
3. DE Interpretation
61
3. Vakuumenergiedichte/Vakuumfluktuation
Heisenbergsche Unschärferelation
62
3. Casimir Effekt
Zwei Platten (Abstand L Angström)
dazwischen
außerhalb
lylt 2L
lylt ?
Wenig Teilchen
Viele Teilchen
Druckgradient
S. Lamoreaux, Seattle
63
3. QM Abschätzung
Energie hn/2 pro Schwingungszustand
64
3. Vergleich QM Beobachtung
Zur Erinnerung
rgesamt rkrit k 0
flache (euklid.) Raumzeit
65
3. Flaches Universum?
Skalierungen
66
3. Struktur und Dynamik des Universums
Experimentelle Daten
Raumzeit flach (euklidisch)
Vereinbar mit Hubble-Exp.
Big Bang zu früh
Universum wird für immer expandieren
67
3. Beschleunigungsparameter
Erweiterte Friedman-Gleichung
unabhängig von k !
68
3. Beschleunigungsparameter
Experimentelle Daten
q0 -0,55
Beschleunigte Expansion
Geraden gelten für beliebige k
69
3. DE und Weltalter
Bester Fit im k0-Universum
Fine-Tuning
Zu großes rL ließe Hubble Alter divergieren
Kein Urknall
70
3. Koinzidenzproblem
Verhältnis rm / rL nicht konstant!
rm und rL zur heutigen Zeit in der gleichen
Größenordnung
Zufall?
heute
71
(No Transcript)
72
Die Urknalltheorie
Ende
Geistesgegenwärtig hatte Gott damals vom Urknall
ein Foto geschossen, welches er immer noch recht
eindrucksvoll fand