Sterne, Galaxien und das Universum

Sterne, Galaxien und das Universum Teil 9: Kosmologie Peter Hauschildt [email protected] Hamburger Sternwarte Gojenbergsweg 112 21029 Hamburg 18...
Author: Jacob Winkler
5 downloads 2 Views 1MB Size
Sterne, Galaxien und das Universum Teil 9: Kosmologie Peter Hauschildt [email protected] Hamburger Sternwarte Gojenbergsweg 112 21029 Hamburg

18. April 2017

1 / 38

Entfernte Galaxien

2 / 38

Übersicht

I I I I

Olber’s Paradox Expansion des Universums Big Bang Die Zukunft des Universums

3 / 38

Olbers’ Paradox I I

hat schon Kepler beschäftigt Damalige Vorstellung von Kosmos: I I I

I I I

I I

unendlich groß unendlich alt statisch

Wenn das stimmt → in jeder Sehrichtung liegt ein Stern → der Nachthimmel müsste so hell wie ein mittlerer Stern sein! ist er aber nicht → Olbers’ Paradox

4 / 38

expandierendes Universum I I I I I I I I

die alte Vorstellung des Universums ist falsch erster Hinweis: ART vollkommen anderes Verständnis von Raum und Zeit originale ART → Universum kann nicht statisch sein Einstein: Einführung einer ad-hoc Konstante: Kosmologische Konstante macht statisches Universum möglich aber: Hubble’s Beobachtungen und Gesetz v = H0 d

I

→ Universum expandiert 5 / 38

expandierendes Universum

6 / 38

expandierendes Universum

I

Kosmologisches Prinzip: I I

Homogen Isotrop

7 / 38

expandierendes Universum

I I I I I

der Raum selber expandiert → kosmologische Rotverschiebung ist keine Dopplerverschiebung! Raum zwischen Galaxien expandiert gravitativ gebundenes Objekt (Galaxie) expandiert nicht

8 / 38

Big Bang

I I I

Universum expandiert → es war früher kleiner! Hubble Gesetz: v = H0 d

I

damit waren alle Teile des Universum an einem Punkt zur Zeit d 1 d = T0 = = v H0 d H0

9 / 38

Big Bang

I I I I I I

mit H0 = 75 km/s/Mpc → T0 = 13 Gyr → vor ca. 13 Gyr entstand das Universum im Big Bang das Alter des Universums ist endlich → löst Olbers’ Paradox:

10 / 38

Kosmischer Horizont

11 / 38

Big Bang I

I

I I

Big Bang → Universum ≈ Zentrum eines Schwarzen Loches dort haben Raum/Zeit/Gesetze der Physik keine Bedeutung → Kosmische Singularität nur nach Ablauf der Planck Zeit r Gh tP = = 1.35 × 10−43 s c ’funktionieren’ die Gesetze der Physik

12 / 38

Die Hintergrundstrahlung

I I I I I I

kann man den Big Bang nachweisen? kurz nach dem Big Bang war das Universum sehr heiß → es liefen überall thermodynamische Reaktionen ab → es bildet sich He (und wenig Li) hohe Temperaturen → Planck’ Strahlungsfeld mit Maximum bei sehr hohen Energien

13 / 38

Die Hintergrundstrahlung

I I I I I

seitdem hat sich der Raum 15 Gyr lang ausgedehnt → Rotverschiebung! → Photonen haben ca. 1 mm Wellenlänge → Temperatur der Strahlung ca. 3 K Kosmische Hintergrundstrahlung

14 / 38

Hintergrundstrahlung

I

I

I

durch Zufall gefunden mit dieser Antenne eigentlich gedacht für Mobil-Telephone Hintergrundrauschen!

15 / 38

Hintergrundstrahlung

I I I

genaueste Untersuchung: COBE Satellit (1989) Temperatur der Strahlung: 2.726 K

16 / 38

Hintergrundstrahlung

17 / 38

Hintergrundstrahlung

I I I I

nicht exakt isotrop: Sonnensystem bewegt sich → Doppler-Verschiebung 370 km/s, Richtung ’Löwe’

18 / 38

Hintergrundstrahlung

19 / 38

Great Attractor

I I I

I I

Milchstraße bewegt sich mit 600 km/s Richtung: Hydra-Centaurus Superhaufen dieser Superhaufen (und mehr) bewegt sich in Richtung des Great Attractor das scheint eine riesige Masse zu sein!

20 / 38

Das junge Universum I I

I I

Strahlung → Energie → Masse! (E = mc 2 ) → Strahlungsdichte kann als Massedichte geschrieben werden Heute: Hintergrundstrahlung von 2.7 K → Strahlungsdichte ρrad = 4.6 × 10−31 kg/m3

I

Vergleich mit mittlerer Materiedichte im Universum ρm = 2 − 11 × 10−27 kg/m3

I I

→ Materie viel wichtiger → Materie-dominiertes Universum 21 / 38

Das junge Universum I I

I

I I

I

das war nicht immer so! ρrad fällt viel schneller ab als ρm → früher war das Universum einmal Strahlungs-dominiert Übergang: ca. 2500 yr nach Big Bang bei z = 25000!

22 / 38

Das junge Universum

I

I

I

I

ca. 300000 yr nach Big Bang → Temperatur fällt unter 3000 K dann kann ionisierter Wasserstoff rekombinieren → Rekombinations-zeit

23 / 38

Das junge Universum

I I I

I

dadurch wird das Universum auch durchsichtig → Strahlung und Materie entkoppeln wir können nicht weiter in die Vergangenheit des Universums sehen Hintergrundstrahlung sind die ältesten sichtbaren Photonen

24 / 38

Die Zukunft

I I I

hängt von der Dichte des Universums ab! ist genug Materie da um die Expansion zu stoppen? Nein → I I

I

Expansion wird immer weitergehen offenes Universum

Ja → I I

Expansion wird stoppen und umkehren geschlossenes Universum

25 / 38

Die Zukunft I

Grenzfall: kritische Dichte ρc ρc =

I I

3H02 8πG

ρc ≈ 1.1 × 10−26 kg/cm3 sehr oft wird der Dichteparameter Ω0 =

I I I

ρm ρc

zum Vergleich benutzt offenes Universum: 0 ≤ Ω0 < 1 marginal gebunden: Ω0 = 1 geschlossen: Ω0 > 1 26 / 38

Die Zukunft

I I

I I I I

Materie verlangsamt durch Gravitation die Expansion → Abweichungen vom Hubble Gesetz bei sehr großen Entfernungen gemessen mit dem ’deceleration parameter’ q0 q0 = 0 → kein Abbremsen q0 = 1/2 → marginal gebunden, Ω0 = 1 q0 < 1/2 → offenes Universum

27 / 38

Die Zukunft

28 / 38

Die Zukunft

29 / 38

Die Zukunft

I

I

I

I

Bestimmung durch Beobachtungen Resultat: Expansion beschleunigt → es muss so etwas wie eine Dunkle Energie geben! alles weitere unbekannt!

30 / 38

Die Geometrie des Universums

I I I

I

ART → Massenverteilung bestimmt die Geometrie der Raum-Zeit → das Universum kann, je nachdem wie groß die Dichte ist verschieden Germetrien haben! es gibt 3 Möglichkeiten:

31 / 38

Die Geometrie des Universums

I I I

I

sphärisches Universum positive Krümmung Mittlere Dichte höher als kritische Dichte geschlossenes Universum

32 / 38

Die Geometrie des Universums

I I I

flaches Universum keine (Null) Krümmung Mittlere Dichte gleich der kritischen Dichte

33 / 38

Die Geometrie des Universums

I I I

I

hyperbolisches Universum negative Krümmung Mittlere Dichte geringer als kritische Dichte offenes Universum

34 / 38

Die Geometrie des Universums

I

im Prinzip bestimmbar durch Galaxienzählungen!

35 / 38

Die Geometrie des Universums

I I I

Dichte von Galaxien je nach Geometrie → verschiedene Möglichkeiten

36 / 38

Die Geometrie des Universums

I

I

I

scheinbare Größe von Galaxien → ebenfalls durch Geometrie bestimmt diese Figuren gehen von Λ = 0 aus . . .

37 / 38

Die ferne Zukunft I I I

I I I

I I I

Universum scheint für immer zu expandieren in 1012 yr wird es kein Gas für neue Sterne geben Galaxien werden immer dunkler mit dem Sterben der letzten Sterne 1015 yr: keine Sterne oder Gas/Staub mehr nur noch WDs, NS, Schwarze Löcher dann werden langsam aber sicher sich durch Kollisionen immer größere Schwarze Löcher bilden 1031 yr: Schwarze Löcher von 1015 M diese könnten über noch längere Zeiten verdampfen in ca. 10106 yr . . .

38 / 38