Das neue kosmologische Weltbild - zum Angreifen! - Franz Embacher
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Das neue kosmologische Weltbild
– zum Angreifen!
Franz Embacher
http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/
franz.embacher@univie.ac.at
Fakultät für Physik
Universität Wien
Vortrag im Rahmen von physics:science@school 2012
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…“
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…“
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…“
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… “
Hubble Deep Field
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“:
22
1 Mpc = 3.26 Millionen Lichtjahre = 3.09*10 m
1‘‘
1AE = 150 Mio km
1 pc
Maßstab:
1 Mpc = 1 mmDas heutige Universum
Objekt(e) Größenordnung wahre
maßstäblich Größenordnung
Durchmesser der Milchstraße 0.03 mm 0.03 Mpc
Dicke der Milchstraße 0.001 – 0.005 mm 0.001 – 0.005 Mpc
Entfernung zum Zentrum 0.008 mm 0.008 Mpc
Halo der Milchstraße 0.1 mm 0.1 Mpc
Galaxiengröße inklusive Halo 0.01 – 1 mm 0.01 – 1 Mpc
Abstand größerer Galaxien 1 mm 1 Mpc
Galaxienhaufen (Cluster) 5 mm 5 Mpc
Entfernung zum Virgo-Haufen 1.5 cm 15 Mpc
Abstand von Galaxienhaufen 5 cm 50 Mpc
Superhaufen (Supercluster) 10 cm 100 Mpc
Void (Leerraum) 20 cm 200 MpcDas heutige Universum
Struktur auf Skalen bis entspricht
1 mm (Abstand von Galaxien) Sand, mit kleinen Zwischenräumen
Mauerwerk mit kleinen
10 cm (Haufen und Superhaufen)
Verdichtungen und Rissen
> 20 cm Mauerwerk mit größeren Löchern
Schematisch:
Galaxien-
haufen
Void
Galaxien-
SuperhaufenHubble Deep Fiels
Galaxienzählund
Galaxienzählung
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.Das dynamische Universum
• Das Universum expandiert.
• Was bedeutet das?
• Auf großen Skalen werden alle Abstände zwischen Galaxien
größer:
Faktor 3
früher späterDas dynamische Universum
• Das Universum expandiert.
• Was bedeutet das?
• Auf großen Skalen werden alle Abstände zwischen Galaxien
größer:
Faktor 3
Milchstraße Milchstraße
früher späterDas dynamische Universum
• Das Universum expandiert.
• Was bedeutet das?
• Auf großen Skalen werden alle Abstände zwischen Galaxien
größer:
Faktor 3
andere Galaxie
andere Galaxie
früher späterDie Expansion des Universums
Entfernungen im
Zeit Vergleich zu heute
(„Skalenfaktor“)
heute a=1
früher a = 0.8
noch früher a = 0.7
a = 0.5
a = 0.4
RaumDie Expansion des Universums
Wie „schnell“ expandiert es? Die Geschwindigkeit, mit der
sich eine Galaxie von der
Milchstraße entfernt
Zeit
∆s
v=
∆s ∆s ∆s ∆t
heute
hängt ab von deren Entfernung
∆t ∆t ∆t
und von der (kosmologischen)
früher Zeit.
noch früher
∆t
∆s
RaumDie Expansion des Universums
Wie „schnell“ expandiert es? Die Geschwindigkeit, mit der
sich eine Galaxie von der
Milchstraße entfernt
Zeit
D
∆s
v=
∆s ∆t
hängt ab von deren Entfernung
∆t
und von der (kosmologischen)
Zeit:
∆s D
v= =
∆t K
KDie Expansion des Universums
Wie „schnell“ expandiert es? Die Geschwindigkeit, mit der
sich eine Galaxie von der
Milchstraße entfernt
Zeit
D
∆s
v=
∆s ∆t
hängt ab von deren Entfernung
∆t
und von der (kosmologischen)
Zeit:
∆s D
v= =
∆t K
K
Bezeichnung:
1
K=
H0Die Expansion des Universums
Wie „schnell“ expandiert es? Die Geschwindigkeit, mit der
sich eine Galaxie von der
Milchstraße entfernt
Zeit
D
∆s
v=
∆s ∆t
hängt ab von deren Entfernung
∆t
und von der (kosmologischen)
Zeit:
∆s D
v= =
∆t K
K
Bezeichnung:
1
v = H0 D K=
H0
Hubble-Gesetz daher
km/s
H 0 = 71
Mpc
Hubble-KonstanteDie Expansion des Universums
Hubble-Konstante:
km/s
H 0 = 71
Mpc
Eine Galaxie, die sich (heute) in der Entfernung D = 10 Mpc
befindet, bewegt sich (heute) mit einer Geschwindigkeit
v = 71*10 km/s = 710 km/s von uns weg.
Eine Galaxie, die sich (heute) in der Entfernung D = 100 Mpc
befindet, bewegt sich (heute) mit einer Geschwindigkeit
v = 71*100 km/s = 7100 km/s von uns weg.
… also: viele Geschwindigkeiten!Die Expansion des Universums • Wohin expandiert das Universum? • Modell eines unendlich großen, „offenen“ Universums:
Die Expansion des Universums
Was bedeutet das für unser verkleinertes Modell des
Universums?
„Verkleinern“ wir auch den Zeitmaßstab:
1 Milliarde Jahre = 1 Minute
Dann wird die Hubble-Konstante zu
km/s mm/s
H0 = 71
Mpc
= 1.2
mDie Expansion des Universums
Was bedeutet das für unser verkleinertes Modell des
Universums?
„Verkleinern“ wir auch den Zeitmaßstab:
1 Milliarde Jahre = 1 Minute
Dann wird die Hubble-Konstante zu
km/s mm/s
H0 = 71
Mpc
= 1.2
m
und die Lichtgeschwindigkeit zu
km mm
c = 300 000
s
= 5.1
s
(Ameise)Das Alter des Universums
Grobe Abschätzung unter Annahme gleichbleibender
Geschwindigkeiten der Galaxien:
v = H0 D (Hubble-Gesetz)
D
t0
Alter des Universums:
1
t0 = = 14 Mrd Jahre = 14 min
H0
Vor ca. 14 Milliarden Jahre (14 min) waren alle Abstände
im Universum gleich 0 Urknall!Das Alter des Universums
Grobe Abschätzung unter Annahme gleichbleibender
Geschwindigkeiten der Galaxien:
v = H0 D (Hubble-Gesetz)
D
t0
Alter des Universums:
1
t0 = = 14 Mrd Jahre = 14 min
H0
Vor ca. 14 Milliarden Jahre (14 min) waren alle Abstände
im Universum gleich 0 Urknall! In diesem Sinn hat
der Urknall „überall“ stattgefunden!Der Urknall
Modell der Raumzeit des Universums (in einer Raumrichtung)
Zeit
t0 (schematisch,
gleichbleibende
Geschwindigkeiten
der Galaxien)
0 Raum
„Urknall“ = Grenze der Raumzeit (Singularität)Das Universum beobachten heißt…
…in die Vergangenheit zu schauen:
Zeit
t0 (schematisch,
gleichbleibende
Geschwindigkeiten
der Galaxien)
0 Raum
Raumzeitmodell des Universums nach heutigem Wissen
t Jahre
1.41010
1.21010
1010
Galaxien
8109
6109
4109 Licht
2109
D Mpc
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Raumzeitmodell des Universums nach heutigem Wissen
t Jahre
1.41010
(bis heute)
1.21010
unbeobachtbares
Universum
1010
Galaxien
8109
6109 (bis heute)
beobachtbares
4109 Universum Licht
2109
D Mpc
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Raumzeitmodell des Universums nach heutigem Wissen
t Jahre
1.41010
1.21010
beschleunigte
1010 Expansion
8109
6109
4109 gebremste
Expansion
2109
D Mpc
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800Die beschleunigte Expansion • Woher wissen wir davon? • Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten Galaxien.
Die beschleunigte Expansion
• Woher wissen wir davon?
• Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen
von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten
Galaxien.
Doppelsternsystem
weißer Zwerg MaterieflussSupernova Ia Vorläufer
Die beschleunigte Expansion
• Woher wissen wir davon?
• Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen
von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten
Galaxien.
Doppelsternsystem
weißer Zwerg MaterieflussDie beschleunigte Expansion
• Woher wissen wir davon?
• Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen
von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten
Galaxien.
Doppelsternsystem
weißer Zwerg Materiefluss
„Zündung“ einer thermonuklearen
Explosion des Weißen Zwerges bei
Erreichen einer kritischen Masse
(von ca. 1.4 Sonnenmassen)Supernova RCW-86-SN-185
Die beschleunigte Expansion
• Woher wissen wir davon?
• Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen
von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten
Galaxien.
Doppelsternsystem
weißer Zwerg Materiefluss
„Zündung“ einer thermonuklearen
Explosion des Weißen Zwerges bei
Erreichen einer kritischen Masse
(von ca. 1.4 Sonnenmassen)Die beschleunigte Expansion
• Woher wissen wir davon?
• Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen
von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten
Galaxien.
Doppelsternsystem
weißer Zwerg Materiefluss
„Zündung“ einer thermonuklearen
Explosion des Weißen Zwerges bei
Erreichen einer kritischen Masse „Standardkerzen“
(von ca. 1.4 Sonnenmassen)Die beschleunigte Expansion
• Woher wissen wir davon?
• Von der Messung der Geschwindigkeiten und Entfernungen
von Supernova-Explosionen (Typ Ia) in weit entfernten
Galaxien.
Doppelsternsystem
weißer Zwerg Materiefluss
„Zündung“ einer thermonuklearen
Explosion des Weißen Zwerges bei
Erreichen einer kritischen Masse „Standardkerzen“
(von ca. 1.4 Sonnenmassen)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.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 SupernovaDie 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
Die beschleunigte Expansion
Beobachtung + Interpretation (kosmologisches Prinzip): Die Expansion
des Universums verläuft seit ungefähr 7 Milliarden Jahren beschleunigt!
t Jahre
1.41010
1.21010
1010
8109
6109
4109
2109
D Mpc
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800Die 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!Vakuumenergie
Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so hat es einen negativen
Druck!
Materie
normales
Verhalten
Energieinhalt Energieinhalt
wird vergrößert. wird verkleinert.
positiver Druck
Vakuum
E~V
Energieinhalt Energieinhalt
wird verkleinert. wird vergrößert.
negativer DruckWie groß ist das beobachtbare Universum?
Das hängt davon ab, was wir darunter verstehen:
Radius wahrer
Definition
maßstäblich Radius
Größte je gesehene (damalige) 1800 Mpc
1.8 m
Entfernung (Galaxie X) = 6 Mrd Lj
Heutige Entfernung der 4700 Mpc
4.7 m
Galaxie X = 15 Mrd Lj
Heutige Entfernung der
14 000 Mpc
„frühesten“ Galaxie, die wir 14 m
= 45 Mrd Lj
prinzipiell sehen können
Entfernung jener Galaxien, die
4300 Mpc
sich mit Lichtgeschwindigkeit 4.3 m
= 14 Mrd Lj
von uns wegbewegenDunkle Materie
Und die „dunkle Materie“?Dunkle Materie
Rotationsgeschwindigkeit von Sternen, die „weit draußen“ um eine
Galaxie kreisen:
M
v
vDunkle Materie
Rotationskurve der Galaxie NGC 3198:
v (km/s)
200
150
100
50
r (kpc)
10 20 30 40Dunkle Materie • Es muss eine (unsichtbare) Masse auch außerhalb der (sichtbaren) Galaxie geben ein Halo aus „dunkler Materie“, der eine größere Masse besitzt als alle Sterne, Gas- und Staubwolken zusammen!
Dunkle Materie
• Es muss eine (unsichtbare) Masse auch außerhalb der
(sichtbaren) Galaxie geben
ein Halo aus „dunkler Materie“, der eine größere Masse
besitzt als alle Sterne, Gas- und Staubwolken zusammen!
• Dunkle Materie leuchtet nicht. Daher kann sie keine Sterne
bilden:
Sterne entstehen durch die Kontraktion von Gas- und
Staubwolken. Könnte eine solche Wolke nicht leuchten,
so würde die Kontraktion zum Stillstand kommen!
thermischer Druck (nach außen)
IR-Strahlung
Gravitationsdruck (nach innen)Adlernebel
Dunkle Materie
• Dunkle Materie wechselwirkt mit dem Rest der Welt (fast)
nur über die Schwerkraft.
• Wir wissen von der dunklen Materie auch aus der Analyse
der kosmischen Hintergrundstrahlung.
Die kosmische Hintergrundstrahlung ist eine
Mikrowellenstrahlung, die das gesamte Universum
ausfüllt. Sie ist 380 000 Jahre (im verkleinerten Modell:
0.02 s) nach dem Urknall entstanden, als sich die Atome
bildeten und das Universum durchsichtig wurde. Seither
wurde sie um den Faktor 1000 rotverschoben (vom
sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums
bis in den Mikrowellenbereich: T = 3000 K T = 2.7 K).Kosmische Hintergrundstrahlung
Dunkle Materie
Dunkle Materie besteht nicht aus „normalen“ Elementarteilchen
(sie ist „nicht-baryonisch“).
• Woher wissen wir das?
• Etwa 3 Minuten nach dem Urknall bildeten sich die
Atomkerne. Kernphysik Vorhersage der heutigen
Häufigkeiten der Elemente (75% Wasserstoff, 25%
Helium, 0.01% Deuterium,…).
Die kosmische Hintergrundstrahlung stammt aus
der Zeit, als sich die ersten „Verklumpungen“ der
Materie bildeten, die schließlich zur Bildung von
Galaxien und Galaxienhaufen führten.
Beides funktioniert nur dann, wenn die normale Materie
etwa 4% der gesamten existierenden Materie ausmacht.Woraus besteht das Universum?
4%
normale Materie 23 %
dunkle Materie
0.3 %
Neutrinos 73 %
dunkle EnergieWoraus besteht das Universum?
4%
normale Materie 23 %
dunkle Materie
0.3 %
Neutrinos 73 %
dunkle Energie
Normale Materie ist nach unserem
Wissen die einzige, die interessante
Strukturen „im Kleinen“ ausbilden kann!Danke...
... für eure Aufmerksamkeit!
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