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Teleskope: Galaxien

Einf ührung in die Kosmologie. 13.7 Milliarden Jahre. Beobachtungen. 95% der Energie des Universums unbekannter Natur. Teleskope: Galaxien. Mini-Urknall im Labor mit Teilchenbeschleuniger hergestellt. 380.000Jahre. 10 2 s. WMAP Satellit: Fernsehschüssel, womit man

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Teleskope: Galaxien

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Presentation Transcript

  1. Einführung in die Kosmologie 13.7 Milliarden Jahre Beobachtungen 95% der Energie des Universums unbekannter Natur Teleskope: Galaxien Mini-Urknall im Labor mit Teilchenbeschleuniger hergestellt 380.000Jahre 102s WMAP Satellit: Fernsehschüssel, womit man das Licht des Urknalls “gesehen“ hat. 10-12 s 10-34 s Urknall

  2. Einteilung der VL • 0. Einführung • Hubblesche Gesetz • Gravitation • Evolution des Universum • Temperaturentwicklung/Kernsynthese • Kosmische Hintergrundstrahlung • CMB kombiniert mit SN1a • Strukturbildung • Neutrinos • Grand Unified Theories • -13 Suche nach DM

  3. Literatur • 1. Vorlesungs-Skript: • http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/ • MattsRoos: An Introduction to Cosmology • Wiley, 3th Edition, 2004 • 3. Lars Bergströmand Ariel Goobar: • An Introduction to Cosmology • Springer, 2nd Edition, 2004 • 4. Bernstein: An Introduction to Cosmology • Prentice Hall, 1995 • 5. Dodelson: Modern Cosmology Academic Press 2003 • 6. Ryden: Introduction to cosmology Addison 2003 hauptsächlich benutzt

  4. Literatur Weitere Bücher: Weigert + Wendker, Astronomie und Astrophysik Populäre Bücher: Silk: A short history of the universe Weinberg: Die ersten drei Minuten Hawking: A brief History of Time Fang and Li: Creation of the Universe Parker: Creation Vindication of the Big Bang Ledermann und Schramm: Vom Quark zum Kosmos

  5. Literatur Bibel der Kosmologie: Börner: The early Universe Kolb and Turner: The early Universe Gönner: Einführung in die Kosmologie

  6. Übungen Kosmologie Vorlesung : Einführung in die Kosmologiede Boer 2 SWS Do 14:00 – 15:30 Seminarraum 10.1, PHH (ÄNDERUNG!!!) Übungende Boer, Iris Gebauer 1 SWS Di.14:00 - 15:30 Sem. 8.2 PHH 30.23 (ab. 30.10 ) Folien auf: http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/Lehre Übungen auf: http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~gebauer/

  7. Die SäulenderUrknalltheorie Die Urknalltheorie ist eine wohl definierte Theorie, die an Hand von DATEN entwickelt wurde!

  8. AllgemeineRelativitäts-theoriebeschreibtEntwicklung von Raum und Zeit VäterderUrknalltheorie Albert Einstein Alexander Friedmann Georges Lemaître George Gamow zeigt 1948, wie sich der Kosmos aus einem heißen Anfangszustand entwickelt haben könnte und sagt die kosmische Hintergrundstrahlung voraus. entwickelt 1927 eine Theorie, der zufolge das Universum einst als einziges Teilchen begann. löst 1922 die Feldgleichungen der ART für eine isotrope und homogene Massenverteilung Lösung zeitabhängig! Auch Licht empfindet Schwerkraft

  9. Universum ist homogen und isotrop auf großen Skalen Dichte bei großen z nimmt ab, weil viele Galaxien nicht mehr sichtbar. homogen, nichtisotrop nichthomogen, isotrop

  10. Wichtigste Errungenschaft der Kosmologie 96% der Energie UNBEKANNTER NATUR! Zwei Komponenten: DM mit anziehender Gravitation und DE mit abstoßender Gravitation Gesamtenergie = kin. Energie+ pot. Energie =0 (Welt aus einer Quantenfluktuation hervorgegangen?

  11. Sloan Sky Survey: ⅓ million galaxies Doppler Verschiebungen -> Geschwindigkeiten der Galaxien 3 Milliarden Lichtjahre (~20% zum “Rand”) Universum: 1011 Galaxien 1 Galaxie: 1011 Sterne Unsere Galaxie ist hier

  12. Sloan Digital Sky Survey Teleskop in Arizona, USA

  13. Hubble mit dem 2.5m Teleskop in Palomar (ca. 1920) und der heutige Hubble Space Telescope (HTS) Palomar, Kalifornien, USA Hubble Space Telescope

  14. Expansion des Universums Rosinenkuchenmodell Messungen ergeben, dass sich scheinbar alle Galaxien von uns wegbewegen. Galaxien bewegen sich nicht selbst, sondern werden mit der Raum-Zeit mitgetragen. Je weiter die Rosinen voneinander entfernt sind, je schneller fliegen sie aus einander: v=Hd (v=Geschwindigkeit zwischen 2 Rosinen auf Abstand d, H=Konstante) Da sich alle Galaxien voneinander entfernen, ist keine Aussage zu treffen, wo sich der Mittelpunkt des Universums befindet

  15. Geschwindigkeitsmessung Um das Hubble-Gesetz verifizieren zu können, kann man die Geschwindigkeit und den Abstand entfernter Galaxien messen. Die Geschwindigkeit einer Galaxie ergibt sich aus der Rotverschiebung der Wasserstoffspektrallinien (wie bei Radarmessungen der Polizei -> Geschwindigkeit)

  16. Abstandsmessung Entfernungsmessungen beruhen darauf, dass man gemessene Helligkeit mit ihrer Strahlungsleistung vergleicht. Beispiele für sogenannte „Standardkerzen“: (Details VL2) • RR-Lyrae-Sterne • Cepheiden (pulsierende Sterne) • Supernovae vom Typ la

  17. Messdaten Proportionalitätsfaktor zwischen v und D wird nach Entdecker Hubble-Konstante genannt. H = Expansionsrate = v/D = h 100 km/s/Mpc (VL2) h = 0.71+-0.03 = Hubblekonstante in Einheiten von 100 km/s/Mpc

  18. Das Universum EXPANDIERT StarksterBeweisfür den Urknall!

  19. D Hubblesches Gesetz in “comoving coordinates” Beispiel: D = S(t) d (1) Diff, nach Zeit D = S(t) d (2) oder D = v = S(t)/S(t) D Oder v = HD mit H = S(t)/S(t) d D = S(t) d S(t) = zeitabhängige Skalenfaktor, die die Expansion berücksichtigt. Durch am Ende alle Koordinaten mit Skalenfaktor zu multiplizieren, kann ich mit einem festen (comoving) Koordinatensystem rechnen.

  20. Alter des Universumsaus v=HD H=v/D=71.4 (km/s)/Mpc=71400 (m/s)/(3.1*1022m) T=1/H=D/v=1/71400(m/s)*3.1*1022 (m)= 4.3*1017 s/(3.15*107 s/Jahr)=1.38 1010Jahre = 13.8 MilliardenJahre (= 13.8 Gyr) Problem bei dieser Abschätzung: v nicht konstant, sondern nimmt ab durch gravitative Abbremsung

  21. Wie groß ist das (sichtbare) Universum? Lichtist die schnellsteKommunikation (Lichtgeschwindigkeit c), so ein Lichtstrahlkann maximal 13,8 MilliardenLichtjahrezurückgelegt haben. Dies entspricht einem Abstand D=ct=3.108 m/s x 13.7 109Jahre x 3,15 x107 s/Jahr= ca. 1026m Dieses sichtbareTeilistvermutlicheinsehrkleinerTeil unseresUniversums Zum Vergleich: unsere Galaxie ist ca. 6.1020 m groß, Das sind ca.100.000 Lichtjahre. Raumschiff mit Lichtgeschwindigkeit braucht also 100.000 Jahre um durch unsere Galaxie zu fliegen! Es ist gut möglich, dass es schon sehr viel ältere Universen gibt, denn vermutlich gab es viele “Big Bangs” Problem bei dieser Abschätzung: Universum expandiert gleichzeitig, also größer, siehe VL2

  22. Die kritische Energie nach Newton M m v Dimensionslose Dichteparameter:

  23. Einfluss des Dichteparameters auf die Expansion Offenes Univ. (T>U) Flaches Univ. (U=T, E=0) Geschlossenes Univ. (T<U) Vergleich mit einer Rakete mit U<T, U=T und U>T Radius des sichtbaren Universum  S, d.h. S(t) bestimmt Zukunft des Universums!

  24. Zeitabhängigkeit des Skalenfaktors S(t) bei =1 r  S(t) und   1/r3  E=0 (flaches Universum) 

  25. Altersabschätzung des Universum für =1 Oder dS/dt = H Soder mit S = kt2/3 2/3 k t-1/3 = H kt2/3 oder t0 =2/(3H0)10.109 a RichtigeAntwort: t0 1/H0 14 . 109a = 14 Gyr, da durch Vakuumenergie nicht-lineare Terme im Hubbleschen Gesetz auftreten (entsprechend abstoßende Gravitation). 0=1/H0, da tan α = dS / dt = S0 / t0 uni = 2 / 3H0

  26. Zum Mitnehmen: 1. Gravitation bestimmt Geschehen im Weltall 2. Comovingcoordinates erlauben Rechnungen OHNE die Expansion zu berücksichtigen. Nachher werden alle Abstände (und auch die Zeit, siehe VL2) mit dem Skalenfaktor S(t) multipliziert. Zeitabhängigkeit des Skalenfaktors: S = kt2/3 4. Hubblesches Gesetz: v=HD H = Expansionsrate = v/D = h 100 km/s/Mpc (VL2) h = 0.71+-0.03 = Hubblekonstante in Einheiten von 100 km/s/Mpc

  27. Zum Mitnehmen: 5. Alter des Universums für  = 1 und ohne Vakuumenergie: t0 = 2/(3H0)  10 . 109 a Dieser Wert ist zu niedrig, weil die beschleunigte Expansion durch die Vakuumenergie vernachlässigt wird. Korrekter Wert: 1/H0 = 14 Milliarden Jahre = 14 Gyr

  28. Kosmologie und Studienplan • Schwerpunktfach 20 ECTS =v4u2+v2u1+v2u1 • Ergänzungsfach 14 ECTS= v2u2 +v2u1 • Nebenfach 8 ECTS= v2u2 • Einschränkungen: • eins der Fächer muss theoretisch und eins muss experimentell sein. • Ergänzungsfach darf nicht aus dem Bereich der Nebenfächer (Elektronik, Datenanalyse) sein, es sei denn dieses Fach ist auch in einer der 7 Themenbereiche vermerkt. • Ergänzungsfach darf nicht im gleichen Bereich wie Schwerpunktfach sein.

  29. Beispiel: Fächer für Teilchenphysiker Schwerpunktfach (benotet im Abschluss) exp. Teilchenphysik I (v2u2=8P), eine der exp. Teilchenphysik II VL (v2u1=6P) Datenanalyse (v2u1=6P) Total=20ECTS Ergänzungsfach: (benotet im Abschluss) (darf keine Module aus dem Schwerpunktfach enthalten) Kombination aus Astroteilchenphysik I (v2u2=8P) Kosmologie (v2u1=6P) Detektoren oder Elektronik oder eine der weiteren Astroteilchenphysik VL (v2u1=6P) Total=14 ECTS

  30. Beispiel: Fächer für Teilchenphysiker Nebenfach:(NICHT benotet im Abschluss) Theoretische Teilchenphysik (v4,u2) (=12 ECTS) Obwohl nur 8 gebraucht werden, bekommt man 50% mehr ECTS bei TTP, aber es gibt kein Theorie-light in der Teilchenphysik. Man kann natürlich ein nicht theoretisches Nebenfach nehmen (Elektronik, Datenanalyse) und TTP1 als Ergänzungsfach nehmen, aber dann wird es benotet. Aber man sollte als Detektorbauer eine sehr gute Note bei TTP1 als Ergänzungsfach bekommen, wenn man nachher promovieren möchte.

  31. Zukunftschancen für Teilchenphysiker • Datenanalyse: • umgehen mit großen Datenmenge • Analysetechniken,wie neuronale Netze • Ergebnisse der Datenanalysen können sein: • Absatzprognosen • Risikovorhersagen • Produktempfehlungen • Bestellmengenoptimierungen • Beschaffungsvorschläge • Kündigungsverhinderungen • Social-Media-Aktivitäten

  32. Zukunftschancen für Teilchenphysiker • Kenntnisse über Halbleitertechnology: • CMS Detektor hat 200 m2 Si verbaut, • Strahlungshärte unserer Elektronik VIEL • besser als die des Militärs • Berufschancen: Raumfahrttechnik, Autoindustrie • (z.B. bei Bosch, herausfinden warum Auto-Elektronik • so anfällig ist…)

  33. Zukunftschancen für Teilchenphysiker Kenntnisse über Strahlung: Berufschancen: Strahlungsmonitore, Bestrahlungen in Industrie und Medizintechnik

  34. Beispiel: Fächerfür Astroteilchenphysiker Schwerpunktfach (benotet im Abschluss) Astroteilchenphysik I (v2u2=8P), Astroteilchenphysik II (v2u1=6P), Kosmologie (v2u1=6P) Total=20ECTS Ergänzungsfach: (benotet im Abschluss) (darf keine Module aus dem Schwerpunktfach enthalten) Datenanalyse(v4u2=8P) (v4u2=8P) Detektoren oder Beschleunigerphysik (v2u1=6P) Total=14 ECTS Nebenfach:(NICHT benotet im Abschluss) Theoretische Teilchenphysik (v4,u2) (=12 ECTS)

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