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...und die Probleme des Standardmodells. Die Geometrie unseres Universums. Institut für Theoretische Physik Universität Wien. Franz Embacher. Vortrag am GRG 1 Stubenbastei 20. Dezember 2005. Andromeda-Nebel M31 mit M32 und M110. HST Deep Field. Objekt(e). Echte Größenordnung.
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...und die Probleme des Standardmodells Die Geometrie unseres Universums... Institut für Theoretische Physik Universität Wien Franz Embacher Vortrag am GRG 1 Stubenbastei 20. Dezember 2005
Objekt(e) Echte Größenordnung Maßstab 1 : 3.09×10251 Mpc º 1 mm Radius der Milchstraße 0.03 Mpc 0.03 mm Dicke der Milchstraße 0.005 Mpc 0.005 mm Radius der Milchstraße inklusive Halo 0.1 Mpc 0.1 mm Radius der meisten Galaxien 0.1 - 1 Mpc 0.1 - 1 mm typischer Abstand zweier Galaxien 1 Mpc 1 mm Radius eines Galaxienhaufens (Cluster, ca 1000 Galaxien) 5 Mpc 5 mm typischer Abstand zweier Galaxienhaufen 50 Mpc 5 cm Radius eines Superhaufens 100 Mpc 10 cm Radius eines Leerraums (Void, größte beobachtete Strukturen) 200 Mpc 20 cm Radius des sichtbaren Universums 3000 Mpc 3 m Größenordnungen im heutigen Universum 1 Mpc = 1 Megaparsec = 3.26 Millionen Lichtjahre
Allgemeine Relativitätstheorie • „Materie krümmt den Raum“Materiedichte und Druck krümmen die Raumzeit(„Friedmann-Gleichung“) • Die Rolle des Drucks (und der „Zustandsgleichung“) der Materie ist wichtig für die Kosmologie. • Die ART sagt für gewöhnliche Materie eine Expansion des Universums voraus.
Was ist Krümmung? • Krümmung = Verletzung der Gesetze • der euklidischen Geometrie
HST – Einstein-Ring Lichtablenkung 1
Geometrie des Universums • Luftballon und Backofen • Ist das Universum offen oder geschlossen? Zusammenhang zwischen Geometrie und Dichte • Wie alt ist das Universum?
? Offen oder geschlossen? Zusammenhang zwischen Geometrie und Dichte: H 0 offen („negativ gekrümmt“) Dichte < kritische Dichte Dichte = kritische Dichte (kritischer Grenzfall) offen („flach“) geschlossen („positiv gekrümmt“) Dichte > kritische Dichte
Offen oder geschlossen? Für ein materiedominiertes Universum: Zusammenhang mit der Zeitentwicklung: expandiert ewig expandiert ewig (kritischer Grenzfall) rekollabiert („Big Crunch“)
Wie alt ist das Universum? Aktueller Wert: t = 13.7 0.2 Milliarden Jahre 0
Probleme des Standardmodells • Der Urknall • Kosmologischer Horizont • Horizontenproblem • Flachheitsproblem • Dunkle Materie und dunkle Energie • Kosmologische Konstante?
Der Urknall als Singularität • Ende (Anfang) von Raum und Zeit„Vor“ dem Urknall „gab“ es weder Raum noch Zeit • Dichte und Druck unendlich
Horizontenproblem Wie ist die Isotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung möglich?
Flachheitsproblem Wieso ist die heutige Dichte so nahe an der kritischen Dichte? Beobachtungen und Theorie: Dichte = zwischen 0.1 und 1 mal der kritischen Dichte Zusammenhang zwischen Dichte und Geometrie das Universum ist nahe an der „kritischen Grenze“ zwischen offen und geschlossen. Vermutung: Dichte = kritische Dichte
Flachheitsproblem • „fine tuning“ • 3 Modelle: Dichten 1 Nanosekunde nach dem Urknall
Dunkle Materie und dunkle Energie • Galaxienrotation • Nukleosynthese • Wir sehen nur einige Prozent der (baryonischen und nicht-baryonischen) Materie, die esgeben muss. • Baryonische Materie trägt nur zu etwa 2 % zum Energieinhalts des Universums bei.
Dunkle Materie und dunkle Energie Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:
Kosmologische Konstante? • Einsteins „größte Eselei“ • Vakuumenergie, negativer Druck • Entfernung-Rotverschiebungs-Messungenan Typ Ia Supernovae Abweichung vom Hubble-Gesetz, beschleunigte Expansion? • Kosmologische Konstante, dunkle Energie?Ist das Universum heute materiedominiert oder dominiert von dunkler Energie?
Wie wird sich das Universum weiterentwickeln? Zur Zeit scheint es beschleunigt zu expandieren.
Das inflationäre Universum • Exponentielle Expansion („inflationäre Phase“)im sehr frühen Universum • Lösung des Flachheitsproblems • Lösung des Horizontenproblems
Lösung des Flachheitsproblems Dichte kritische Dichte
Quantentheorie und Quantengravitation • Wie kamen Strukturen zustande, wenn derUrknall isotrop war? Quantenfluktuationen • Anisotropie der Hintergrundstrahlung • Galaxienverteilung • Quantengravitation: Entstehung des Universumaus dem Nichts?
Anisotropie der Hintergrundstrahlung DT -6 = 6 10 T COBE, 1992
Anisotropie der Hintergrundstrahlung DT -6 = 6 10 T WMAP, 2003
Quantengravitation: Entstehung des Universums... • ...aus dem Nichts? • Tunneleffekt: • Entstehung des • Universums:
Das anthropische Prinzip • Sind die Naturkonstanten konstant? • Symmetriebrechung • Verschiedenartige Bereiche eines sehr großen Universums? Anthropisches Prinzip: Der von uns bewohnte Bereich des Universum ist bewohnbar, da wir ihn ansonsten nicht beobachten könnten. Erklärung für die Werte der Naturkonstanten? • „Test“: An den Naturkonstanten „schrauben“
Danke... Diese Präsentation steht im Web unter zur Verfügung http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/grg1stubenbastei20.12.2005/