Das neue kosmologische Weltbild – zum Angreifen!

1. Das neue kosmologische Weltbild– zum Angreifen! http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/ franz.embacher@univie.ac.at Fakultät für PhysikUniversität Wien Franz Embacher Vortrag im Rahmen von physics:science@school2012

2. Das Universum… • „Wie alt ist das Universum eigentlich?“ • „Nach unserem heutigen Wissen 13.7 Milliarden Jahre.“ • „Also ist es 13.7 Milliarden Lichtjahre groß?“ • „Nein!“ • „Wieso?“ • „Wir wissen nicht, wie groß es ist. Vielleicht ist es unendlich groß. Oder einfach nur sehr groß. Aber es gibt einen Ausschnitt, den wir grundsätzlich beobachten können, das ‚beobachtbare Universum‘.“ • „Also ist das ‚beobachtbare Universum‘ 13.7 Milliarden Lichtjahre groß?“ • „Auch nicht!“ • „Wie groß ist es denn dann?“ • „Das kommt drauf an, was du mit der ‚Größe des Universums‘ genau meinst!“ • „Oohh…“

3. Das Universum… • „Aber das Universum expandiert?“ • „Ja.“ • „Mit welcher Geschwindigkeit?“ • „Das kann man nicht durch eine Geschwindigkeit ausdrücken!“ • „Wodurch denn dann?“ • „Durch eine Expansionsrate.“ • „Versteh ich nicht. Aber es ist von einem Urknall ausgegangen?“ • „Ja, ich denke schon! Alles deutet darauf hin.“ • „Also von einem Punkt?“ • „So einfach kann man das nicht sagen!“ • „Wo hat denn der Urknall stattgefunden?“ • „Überall!“ • „Oohh…“

4. Das Universum… • „Aber immerhin stimmt es, dass das Universum expandiert!“ • „Ja.“ • „Wohin?“ • „Nirgends ‚hin‘. Er wird einfach immer größer!“ • „Aber an seinem Rand…“ • „Es hat keinen Rand!“ • „Wie auch immer – stimmt es auch, dass sich das Universum beschleunigt, also immer schneller expandiert?“ • „Ja.“ • „Aber etwas, das ‚immer schneller‘ wird, muss doch eine Geschwindigkeit haben!?“ • „Genau genommen hat es viele Geschwindigkeiten, wenn du so an diesem Begriff hängst!“ • „Oohh…“

5. Das Universum… • „Und stimmt es, dass wir die Hauptbestandteile, aus denen das Universum besteht, kaum kennen.“ • „Ja. Wir können sie nicht sehen, daher nennen wir sie ‚dunkel‘. Das Universum besteht vorwiegend aus ‚dunkler Materie‘ und ‚dunkler Energie‘.“ • „Es könnte also Sterne, Planeten und Lebewesen aus dunkler Materie geben.“ • „Nein, weil dunkle Materie nicht strahlen kann.“ • „Ich dachte, wir wissen nichts über sie! Und was hat das mit Strahlung zu tun?“ • „Ein bisschen wissen wir doch. Und Materie, die nicht strahlen kann, kann sich nicht zusammenballen, aus thermodynamischen Gründen.“ • „Oje, Thermodynamik… “

6. Hubble Deep Field

7. Das heutige Universum – maßstäblich verkleinert • Sehen wir uns zuerst das heutige Universum an (so, als wäre es in seiner Bewegung „eingefroren“), • und verkleinern wir es maßstäblich, damit es leichter vorzustellen ist:Kosmologische Längeneinheit „Megaparsec“: 1 Mpc= 3.26 Millionen Lichtjahre = 3.09*10 mMaßstab: 1 Mpc= 1 mm 22 1‘‘ 1AE = 150 Mio km 1 pc

8. Das heutige Universum

9. Das heutige Universum Schematisch: Galaxien-haufen Void Galaxien-Superhaufen

10. Hubble DeepFiels

11. Galaxienzählund

12. Galaxienzählung

13. Das heutige Universum • Gibt es noch größere Strukturen? • Auf Skalen größer als etwa 30 cm (in unserem verkleinerten Modell) scheint es keine weiteren „Zusammenballungen“ mehr zu geben. • Wie weit reicht diese Struktur? • Wir wissen es nicht. Auf jeden Fall einige Meter weit, vielleicht aber sehr viel weiter!Hunderte Meter? Viele Kilometer? Unendlich weit??? • Wie geht die Kosmologie mit dieser Situation um? • Mit einer Arbeitshypothese, dem „kosmologischen Prinzip“: Das Universum ist auf großen Skalen homogen und isotrop.

14. Das dynamische Universum • Das Universum expandiert. • Was bedeutet das? • Auf großen Skalen werden alle Abstände zwischen Galaxien größer: Faktor 3 früher später

15. Das dynamische Universum • Das Universum expandiert. • Was bedeutet das? • Auf großen Skalen werden alle Abstände zwischen Galaxien größer: Faktor 3 Milchstraße Milchstraße früher später

16. Das dynamische Universum • Das Universum expandiert. • Was bedeutet das? • Auf großen Skalen werden alle Abstände zwischen Galaxien größer: Faktor 3 andere Galaxie andere Galaxie früher später

17. Die Expansion des Universums Entfernungen imVergleich zu heute(„Skalenfaktor“) Zeit Galaxie 1 Galaxie 4 Galaxie 2 Galaxie 3 Milchstraße Galaxie 4 heute a = 1 a = 0.8 früher a = 0.7 noch früher a = 0.5 a = 0.4 Raum

18. Die Expansion des Universums • Wie „schnell“ expandiert es? Die Geschwindigkeit, mit dersich eine Galaxie von derMilchstraßeentfernt Zeit Ds v = Dt Ds Ds Ds heute hängt ab von deren Entfernungund von der (kosmologischen)Zeit. Dt Dt Dt früher noch früher Dt Ds Raum

19. Die Expansion des Universums • Wie „schnell“ expandiert es? Die Geschwindigkeit, mit dersich eine Galaxie von derMilchstraßeentfernt Zeit D Ds v = Dt Ds hängt ab von deren Entfernungund von der (kosmologischen)Zeit: Dt Ds D v = = Dt K K

20. Die Expansion des Universums • Wie „schnell“ expandiert es? Die Geschwindigkeit, mit dersich eine Galaxie von derMilchstraßeentfernt Zeit D Ds v = Dt Ds hängt ab von deren Entfernungund von der (kosmologischen)Zeit: Dt Ds D v = = Dt K K Bezeichnung: 1 K = H 0

21. Die Expansion des Universums • Wie „schnell“ expandiert es? Die Geschwindigkeit, mit dersich eine Galaxie von derMilchstraßeentfernt Zeit D Ds v = Dt Ds hängt ab von deren Entfernungund von der (kosmologischen)Zeit: Dt Ds D v = = Dt K K Bezeichnung: 1 v = H D K = 0 H Hubble-Gesetz 0 daher km/s H = 71 0 Mpc Hubble-Konstante

22. Die Expansion des Universums • Hubble-Konstante:Eine Galaxie, die sich (heute) in der Entfernung D = 10 Mpcbefindet, bewegt sich (heute) mit einer Geschwindigkeitv = 71*10 km/s = 710 km/s von uns weg. Eine Galaxie, die sich (heute) in der Entfernung D = 100 Mpcbefindet, bewegt sich (heute) mit einer Geschwindigkeitv = 71*100 km/s = 7100 km/s von uns weg. … also: viele Geschwindigkeiten! km/s H = 71 0 Mpc

23. Die Expansion des Universums • Wohin expandiert das Universum? • Modell eines unendlich großen, „offenen“ Universums:

24. Die Expansion des Universums • Was bedeutet das für unser verkleinertes Modell des Universums?„Verkleinern“ wir auch den Zeitmaßstab: • Dann wird die Hubble-Konstante zu 1 Milliarde Jahre = 1 Minute km/s mm/s H = 71 =1.2 0 Mpc m

25. Die Expansion des Universums • Was bedeutet das für unser verkleinertes Modell des Universums?„Verkleinern“ wir auch den Zeitmaßstab: • Dann wird die Hubble-Konstante zu • und die Lichtgeschwindigkeit zu 1 Milliarde Jahre = 1 Minute km/s mm/s H = 71 =1.2 0 Mpc m km mm c = 300000 =5.1 (Ameise) s s

26. Das Alter des Universums • Grobe Abschätzung unter Annahme gleichbleibender Geschwindigkeiten der Galaxien: v = H D (Hubble-Gesetz) 0 D t Alter des Universums: 0 1 t == 14 Mrd Jahre =14 min 0 H 0 Vor ca. 14 Milliarden Jahre (14 min) waren alle Abständeim Universum gleich 0  Urknall!

27. Das Alter des Universums • Grobe Abschätzung unter Annahme gleichbleibender Geschwindigkeiten der Galaxien: v = H D (Hubble-Gesetz) 0 D t Alter des Universums: 0 1 t == 14 Mrd Jahre =14 min 0 H 0 Vor ca. 14 Milliarden Jahre (14 min) waren alle Abständeim Universum gleich 0  Urknall! In diesem Sinn hatder Urknall „überall“ stattgefunden!

28. Der Urknall • Modell der Raumzeit des Universums (in einer Raumrichtung) Zeit t (schematisch,gleichbleibendeGeschwindigkeitender Galaxien) 0 0 Raum „Urknall“ = Grenze der Raumzeit (Singularität)

29. Das Universum beobachten heißt… • …in die Vergangenheit zu schauen: Zeit t (schematisch,gleichbleibendeGeschwindigkeitender Galaxien) 0 Lichtsignal 0 Raum

30. Raumzeitmodell des Universums nach heutigem Wissen Galaxien Licht

31. Raumzeitmodell des Universums nach heutigem Wissen (bis heute)unbeobachtbares Universum Galaxien (bis heute)beobachtbares Universum Licht

32. Raumzeitmodell des Universums nach heutigem Wissen beschleunigte Expansion gebremste Expansion

33. Die beschleunigte Expansion • Woher wissen wir davon? • Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten Galaxien.

34. Die beschleunigte Expansion • Woher wissen wir davon? • Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten Galaxien. Doppelsternsystem Materiefluss weißer Zwerg

35. Supernova Ia Vorläufer

36. Die beschleunigte Expansion • Woher wissen wir davon? • Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten Galaxien. Doppelsternsystem Materiefluss weißer Zwerg

37. Die beschleunigte Expansion • Woher wissen wir davon? • Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten Galaxien. Doppelsternsystem Materiefluss weißer Zwerg „Zündung“ einer thermonuklearenExplosion des Weißen Zwerges bei Erreichen einer kritischen Masse (von ca. 1.4 Sonnenmassen)

38. Supernova RCW-86-SN-185

39. Die beschleunigte Expansion • Woher wissen wir davon? • Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten Galaxien. Doppelsternsystem Materiefluss weißer Zwerg „Zündung“ einer thermonuklearenExplosion des Weißen Zwerges bei Erreichen einer kritischen Masse (von ca. 1.4 Sonnenmassen)

40. Die beschleunigte Expansion • Woher wissen wir davon? • Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten Galaxien. Doppelsternsystem Materiefluss weißer Zwerg „Zündung“ einer thermonuklearenExplosion des Weißen Zwerges bei Erreichen einer kritischen Masse (von ca. 1.4 Sonnenmassen) „Standardkerzen“

41. Die beschleunigte Expansion • Woher wissen wir davon? • Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten Galaxien. Doppelsternsystem Materiefluss weißer Zwerg „Zündung“ einer thermonuklearenExplosion des Weißen Zwerges bei Erreichen einer kritischen Masse (von ca. 1.4 Sonnenmassen) „Standardkerzen“

42. Die beschleunigte Expansion • Woher wissen wir davon? • Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten Galaxien. Faktor 3 Rotverschiebung: Die Wellenlängen von Licht dehnen sich mit der Expansion des Universums aus  Licht wird röter.

43. Die beschleunigte Expansion • Woher wissen wir davon? • Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten Galaxien. Faktor 3 Rotverschiebung: Die Wellenlängen von Licht dehnen sich mit der Expansion des Universums aus  Licht wird röter.Rotverschobene Silizium-Spektrallinien im Licht von einer Supernova

44. Die beschleunigte Expansion • Woher wissen wir davon? • Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten Galaxien. Faktor 3 Rotverschiebung: Die Wellenlängen von Licht dehnen sich mit der Expansion des Universums aus  Licht wird röter.Rotverschobene Silizium-Spektrallinien im Licht von einer Supernova

45. Die beschleunigte Expansion • Beobachtung + Interpretation (kosmologisches Prinzip): Die Expansion des Universums verläuft seit ungefähr 7 Milliarden Jahren beschleunigt!

46. Die beschleunigte Expansion • Wie kommt es dazu? Die beherrschende Kraft im Universum ist doch die Gravitation, und die ist anziehend. Also sollte die Expansion gebremst sein! • Eine Theorie: Das Vakuum hat eine Energiedichte(die „dunkle Energie“ oder „kosmologische Konstante“), und diese wirkt auf Materie (auf großen Skalen) abstoßend!

47. Vakuumenergie Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so hat es einen negativen Druck! Materie normalesVerhalten   Energieinhalt wird verkleinert. Energieinhalt wird vergrößert. positiver Druck Vakuum E ~ V   Energieinhalt wird vergrößert. Energieinhalt wird verkleinert. negativer Druck

48. Wie groß ist das beobachtbare Universum? • Das hängt davon ab, was wir darunter verstehen:

49. Dunkle Materie Und die „dunkle Materie“?

50. Dunkle Materie Rotationsgeschwindigkeit von Sternen, die „weit draußen“ um eine Galaxie kreisen: M v v