Die dunkle seite der kosmologie
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Die dunkle Seite der Kosmologie. Fakultät für Physik Universität Wien. Franz Embacher. Vortrag im Rahmen von UNIorientiert Universität Wien, 16. September 2010. Kapitel 1. Schwarze Löcher. Nebel, WeißerZwerg, SL. Schwarzes Loch. Video-Clip: Sterne umkreisen. Quelle:

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Die dunkle Seite der Kosmologie

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Presentation Transcript


Die dunkle Seite der Kosmologie

Fakultät für Physik

Universität Wien

Franz Embacher

Vortrag im Rahmen von UNIorientiert

Universität Wien, 16. September 2010


Kapitel 1

Schwarze Löcher


Nebel, WeißerZwerg, SL

Schwarzes Loch


Video-Clip: Sterne umkreisen ...

Quelle:

http://www.mpe.mpg.de/ir/GC/images/movie2003.gif


2

2

T

a

4p

G M

M = 4 Millionen Sonnenmassen!

=

3

Im Zentrum der Milchstraße...

  • Was befindet sich im Zentrum der Milchstraße?

Ellipsenbahn eines Sterns:große Halbachse a= 5 LichttageUmlaufszeit T= 15 Jahre

Drittes Keplersches Gesetz:

Srg A* (Sagittarius A*) ... supermassives Schwarzes Loch


Schwarze Löcher

  • Es gibt

    • stellare („kleine“) Schwarze Löcher(die aus kollabierenden Sternenentstanden sind)

  • und

    • supermassive Schwarze Löcher in den Zentren vieler Galaxien.


Kapitel 2

Dunkle Materie


Andromeda-Nebel M31 mit M32 und M110


HST Deep Field


Video-Clip: Zoom auf ferne Galaxien

Quelle:

http://oposite.stsci.edu/pubinfo/pr/96/01/HDF.mpg


Galaxien

  • Woraus bestehen Galaxien?

    • Sterne

    • Neutronensterne, Schwarze Löcher

    • kleine kalte Objekte, ausgebrannte Sterne, Staub

    • interstellares Gas

  • und:

    • „Dunkle Materie“


Dunkle Materie

  • Rotationskurven weit entfernter Sternen um Galaxien.Theoretische Betrachtung:

Aus dem Newtonschen

Gravitationsgesetz folgt:

Galaxie

M

v

G M

v =

r

r

Stern

4-fache Entfernung  halbe Geschwindigkeit


Dunkle Materie

Theoretisch wird also ein solcher Zusammenhang

zwischen Entfernung und Geschwindigkeit erwartet:

normiert auf Radius = 1, v(Rand) = 1


Dunkle Materie

  • Vermessung von Rotationskurven:


Dunkle Materie

  • Rotationskurve der Galaxie NGC 3198:

v (km/s)

200

150

100

50

r (kpc)

10

20

30

40


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.


Dunkle Materie

  • Woraus besteht die Dunkle Materie?

    • Neutrinos? ... zu geringe Dichte!

    • neue Teilchensorte?

    • Die erfolgreichsten Modelle nehmen an, Dunkle Materie besteht aus „langsam“ bewegten Teilchen (v << c).CDM = cold dark matter

    • Materie in einem „Paralleluniversum“, das mit dem unseren nur über die Schwerkraft wechselwirkt?


Dunkle Materie

  • Simulation: Dunkle Materie bildet „Potentialmulden“, in die die gewöhnliche Materie (Galaxien) fällt!CMD-Computer-Simulationen:


Galaxienverteilung experimentell 1


Galaxienverteilung experimentell 2


HST – Einstein-Ring


Kapitel 3

Dunkle Energie


Das Universum dehnt sich aus - Luftballon und Backofen


Das Universum dehnt sich aus

  • Kosmologisches Prinzip: Das Universum sieht (im Großen) überall und in jede Richtung gleich aus.

  • Daraus folgt: Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen „Dehnung“ aller Längen.

  • Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird

  • Quantitative Beschreibung der Expansion:der Skalenfaktor

Länge zur Zeit t

a(t) =

Länge heute

  • Alles im Universum war früher kleiner  Urknall!

a(Urknall) = 0


Das Universum dehnt sich aus

  • Wie verläuft Expansion im Detail? Das hängt davon ab, woraus es besteht!  Allgemeine Relativitätstheorie!

  • Zwei theoretische Möglichkeiten:

    • Falls Materie (oder Strahlung) dominiert  die Expansion verläuft gebremst.

    • Falls das Vakuum eine nichtverschwindende Energiedichte („Dunkle Energie“, „kosmologische Konstante“) besitzt und diese dominiert  die Expansion verläuft beschleunigt!

  • Welche der beiden Möglichkeiten trifft nun tatsächlich zu?


Theoretisches Modell: Materiedominiertes Universum

gebremste Expansion


Theoretisches Modell: Vakuumdominiertes Universum

beschleunigte Expansion

gebremste Expansion


Überprüfung von Weltmodellen

  • Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen überprüft werden?

  • Rotverschiebung  Geschwindigkeit der Quelle

  • Rotverschiebungs-Entfernungs-RelationBeziehung zwischen

    • z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts

    • D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der Aussendung des Lichts

direkt messbar

indirekt messbar

  • Vorgangsweise:

theoretischeVorhersagen

Vergleich mitBeobachtungen

+


Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation

vakuumdominiertes Modell

materiedominiertes Modell


Beobachtungen: 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

Roter Riese

„Zündung“ bei Erreichen einer kritischen Masse

Materiefluss

weißer Zwerg

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die Entfernung abgeschätzt werden.


Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation

vakuumdominiertes Modell

materiedominiertes Modell


Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)

vakuumdominiertes Modell

materiedominiertes Modell


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


Woraus besteht das Universum?

Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:


Kapitel 4

Inflation


Die kosmische Hintergrundstrahlung

DT

-6

= 6 10

T

WMAP, 2003


Hubble-Radius

  • Der Hubble-Radius zu einer gegebenen Zeit t gibt an, in welcher Entfernung die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien gleich der Lichtgeschwindigkeit ist:

c a(t)

D

(t) =

.

Hubble

a(t)

  • In diesem Sinn gibt er die Größe des (zur Zeit t) beobachtbaren Universums an.

  • Nun vergleichen wir (für frühere Zeiten) die Größen

D

(t)

a(t) D

(heute)

und

Hubble

Hubble


strichlierter Kreis:

D

(t)

Hubble

rot eingezeichnete Galaxien:

a(t) D

(heute)

Hubble

Ein kosmologisches Problem (in Bildern)...


Ein kosmologisches Problem (in Bildern)...


Ein kosmologisches Problem (in Bildern)...


Ein kosmologisches Problem (in Bildern)...


Ein kosmologisches Problem (in Bildern)...

kausal

ge-

trennte

Be-reiche!


Ein kosmologisches Problem (in Bildern)...


Ein kosmologisches Problem (in Bildern)...


Ein kosmologisches Problem (in Bildern)...


Ein kosmologisches Problem (in Bildern)...

Photonen haben

fast die gleiche

Temperatur!


Ein kosmologisches Problem (in Bildern)...

Problem: Die Photonen

stammen aus kausal getrennten

Bereichen! Wieso haben sie

heute fast die gleiche Temperatur?

„Kommunikationsproblem“?


eine der großen Forschungsfragender Kosmologie heute!

Die Lösung...

  • Inflationäre Phase des Universums:

    • Beschleunigte Expansion unmittelbar nach dem Urknall!

    • Dauert maximal 10–30 Sekunden an!

    • Alle Entfernungen im Universum wachsen um bis zu 50 Größenordnungen!

  • Ähnlich der heutigen Expansion!Beschleunigung der Expansion verursacht durch:

    • heute: Vakuumenergie

    • damals: ? („Inflaton“?)


Die Lösung...


Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UNIorientiert2010/


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