1 / 43

Die Temperaturentwicklung des Universums

Die Temperaturentwicklung des Universums. Hauptseminar: Der Urknall und seine Teilchen. 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 01. Die Temperaturentwicklung des Universums. Einführung Grundlagen Temperaturabhängigkeiten

porter-barrera
Download Presentation

Die Temperaturentwicklung des Universums

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Die Temperaturentwicklung des Universums Hauptseminar: Der Urknall und seine Teilchen 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 01

  2. Die Temperaturentwicklung des Universums • Einführung • Grundlagen • Temperaturabhängigkeiten • Entwicklung des Universums 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 02

  3. 1Einführung • Überblick • Motivation: Warum Temperaturentwicklung? 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 03

  4. 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 04

  5. Warum Temperaturentwicklung? • Temperatur lässt Rückschlüsse auf andere Größen zu: • Energiedichte • Größe des Universums • Zeit → Abschnitt 3 • Temperatur als Maß für Energie: E = kBT • Wann enstanden Hadronen, Kerne, Atome? → Abschnitt 4 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 05

  6. 2Grundlagen • Kosmologisches Prinzip • Rotverschiebung durch Expansion • Skalenfaktor • Friedmann-Gleichungen • Schwarzkörperstrahlung 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 06

  7. Das kosmologische Prinzip Das Universum ist homogen und isotrop. • Das Universum sieht von jedem Punkt und in jeder Richtung gleich aus. • Gilt für große Dimensionen ( >100 Millionen Lj. = 1023m) 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 07

  8. Rotverschiebung • Spektrum entfernter Objekte ins Rote verschoben • Expansion zieht Wellenlänge auseinander (Wellenlänge ~ Expansion) • Aus kosmologischem Prinzip folgt für beliebige Galaxien: v ~ d (Hubbelsches Gesetz) 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 08

  9. Der Skalenfaktor • Größe des Universums unbekannt → Einführung eines Skalenfaktors S(t) • Definition: S(t0) = 1, t0 ≈ 13,7 Milliarden Jahre • Hubbelsches Gesetz: • Rotverschiebung: 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 09

  10. Friedmann-Gleichungen • „Bewegungsgleichungen“ des Universums • Herleitung durch Anwendung des kosmologischen Prinzips in den Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie • Friedmann-Gleichungen 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 10

  11. Schwarzkörperstrahlung • Schwarzer Körper absorbiert e.m. Strahlung vollständig und emittiert thermische Strahlung • Emissionsspektrum durch Plancksche Strahlungsformel beschrieben: • Wiensches Verschiebungsgesetz: 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 11

  12. 3Temperaturabhängigkeiten • Zusammenhang zwischen Temperatur, Energiedichte und Größe des Universums • Strahlung • Materie • Zeitliche Temperaturentwicklung 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 12

  13. Energiedichte der Strahlung 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 13

  14. Strahlung und Skalenfaktor 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 14

  15. Strahlung und Skalenfaktor: Beispiel Wie groß war das Universum bei der Entkopplung der Strahlung? Das Universum ist heute ca. 1 Milliarde mal größer als bei der Entkopplung der Strahlung. 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 15

  16. Materie und Skalenfaktor (1) 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 16

  17. Materie und Skalenfaktor (2) 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 17

  18. Energiedichte der Materie 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 18

  19. Strahlungsdominierte Ära und materiedominierte Ära • Strahlung • Materie • Energiedichte der Strahlung nimmt schneller ab als Energiedichte der Materie 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 19

  20. Zeitentwicklung bei Strahlungsdominanz (1) 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 20

  21. Zeitentwicklung bei Strahlungsdominanz (2) 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 21

  22. Zeitentwicklung bei Strahlungsdominanz (3) • Beispiel: Zu welchem Zeitpunkt entstehen Hadronen? • Proportionalitätskonstante: 1 MeV • Hadronenenergie: ca. 1 GeV → t = 10- 6 s 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 22

  23. Zeitentwicklung bei Materiedominanz (1) 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 23

  24. Zeitentwicklung bei Materiedominanz (2) 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 24

  25. Zusammenfassung 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 25

  26. 4Entwicklung des Universums Übersicht über die Phasen des Universums 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 26

  27. 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 27

  28. Planck-Ära • Unmittelbar nach dem Urknall • Physikalische Gesetzte versagen - Quantengravitation • Begriffe von Raum und Zeit nicht definiert • Nur eine Grundkraft (Supersymmetrie) • Dichte: ca. 1094 g/cm³ 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 28

  29. GUT-Ära • Abspaltung der Gravitation: 2 Grundkräfte • Teilchen: Leptoquarks X, Y • Thermisches Gleichgewicht zwischen Strahlung und Teilchen 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 29

  30. Inflation • GUT-Kraft → starke + elektroschwache Kraft: 3 Grundkräfte • Ausdehnung um ca. Faktor 1030 • Ausdehnung schneller als Lichtgeschwindigkeit • Inflationstheorie löst einige Probleme 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 30

  31. Baryogenese X und Y zerfallen in Quarks und Leptonen Beispiel: Zerfälle von X Zerfälle nicht gleichwahrscheinlich → mehr Materie als Antimaterie 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 31

  32. Quark-Ära • X, Y alle zerfallen • Quark-Gluonen-Plasma • Keine Kernbildung möglich • Quarks und Leptonen werden ständig erzeugt und vernichtet • Bei t = 10-12 s und T = 1016 K: Trennung von elektromagnetischer und schwacher Kraft → 4 Grundkräfte 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 32

  33. Hadronen-Ära • Quarks setzen sich zu Hadronen zusammen • Ständige Erzeugung und Vernichtung • Zunehmende Abkühlung: • Schwere Hadronen zerfallen in Protonen und Neutronen • Energie reicht nicht mehr zur Erzeugung → Vernichtung aller Hadronen, bis auf Materieüberschuss 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 33

  34. Leptonen-Ära (1) • Dichte: 1013 g/cm³ • Größtenteils: e-, e+, Neutrinos, Photonen • Häufige Stöße • Annihilation und Erzeugung • Neutrinos im Gleichgewicht mit anderen Teilchen • Wenige Kernteilchen (1:109) 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 34

  35. Leptonen-Ära (2) • Auskopplung der Neutrinos (Dichte zu gering für Wechselwirkung) • Neutronen zerfallen häufiger zu Protonen als umgekehrt → Verhältnis 1:6 • e- und e+ vernichten sich schneller als sie erzeugt werden 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 35

  36. Nukleosynthese • e- unde+ verschwinden • Protonen und Neutronen fügen sich zu Kernen zusammen: • Zunächst: → Gleichgewicht zwischen p, n, 2H • Abnehmende Photonenenergie → 2H stabil • Bildung von 3H, 3He, 4He, 7Li und 7Be • Neutronen werden in 4He gebunden • 7Be zerfällt durch Elektroneneinfang in 7Li 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 36

  37. Nukleosynthese (Ende) • e- unde+ bis auf kleinen Materieüberschuss vernichtet • Kerne: • ca. 75% 1H (Protonen) • knapp 25% 4He • 0,001% 2H (Deuterium) • Spuren von 7Li • Schwerere Kerne erst später in Sternen 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 37

  38. Ende der strahlungsdominierten Ära Beginn der materiedominierten Ära Energiedichte der Strahlung gleich der Energiedichte der Materie: Ab jetzt dominiert die Materie 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 38

  39. Kerne und Elektronen bilden Atome Photonen wechselwirken viel schwächer mit neutralen als mit geladenen Teilchen → kaum noch Stöße → Entkopplung der Strahlung Ab jetzt: Dunkles Zeitalter Nach ca. 250 Mio. Jahren: Materie bildet Sterne Photonen als Hintergrundstrahlung Rekombination 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 39

  40. Heute • Hintergrundstrahlung aus Rekombinationsphase messbar (T = 2,7K) → Erkenntnisse über die Entwicklung des Universums 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 40

  41. Zukunft (1) • Expansion abhängig von Dichte des Universums • Genauer Werte der Dichte unbekannt • 3 Möglichkeiten 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 41

  42. Zukunft (2) Drei Möglichkeiten: • Ω > 1: geschlossenes Universum • Ausdehnung immer langsamer, dann Kontraktion bis zum „big crunch“ • T →∞ • Ω < 1: offenes Universum • Ewige Ausdehnung • T → 0 („Kältetod“) • Ω = 1: kritisches Universum • Ewige Ausdehnung, immer langsamer • T → 0 („Kältetod“) 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 42

  43. Ende Danke für die Aufmerksamkeit 20.05.2011 Alexander Bett: Die Temperaturentwicklung des Universums 43

More Related