Sterne, Galaxien und das Universum Teil 9: Kosmologie Peter Hauschildt
[email protected] Hamburger Sternwarte Gojenbergsweg 112 21029 Hamburg
18. April 2017
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Entfernte Galaxien
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Übersicht
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Olber’s Paradox Expansion des Universums Big Bang Die Zukunft des Universums
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Olbers’ Paradox I I
hat schon Kepler beschäftigt Damalige Vorstellung von Kosmos: I I I
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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
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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
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→ Universum expandiert 5 / 38
expandierendes Universum
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expandierendes Universum
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Kosmologisches Prinzip: I I
Homogen Isotrop
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expandierendes Universum
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der Raum selber expandiert → kosmologische Rotverschiebung ist keine Dopplerverschiebung! Raum zwischen Galaxien expandiert gravitativ gebundenes Objekt (Galaxie) expandiert nicht
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Big Bang
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Universum expandiert → es war früher kleiner! Hubble Gesetz: v = H0 d
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damit waren alle Teile des Universum an einem Punkt zur Zeit d 1 d = T0 = = v H0 d H0
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Big Bang
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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:
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Kosmischer Horizont
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Big Bang I
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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
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Die Hintergrundstrahlung
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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
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Die Hintergrundstrahlung
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seitdem hat sich der Raum 15 Gyr lang ausgedehnt → Rotverschiebung! → Photonen haben ca. 1 mm Wellenlänge → Temperatur der Strahlung ca. 3 K Kosmische Hintergrundstrahlung
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Hintergrundstrahlung
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durch Zufall gefunden mit dieser Antenne eigentlich gedacht für Mobil-Telephone Hintergrundrauschen!
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Hintergrundstrahlung
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genaueste Untersuchung: COBE Satellit (1989) Temperatur der Strahlung: 2.726 K
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Hintergrundstrahlung
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Hintergrundstrahlung
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nicht exakt isotrop: Sonnensystem bewegt sich → Doppler-Verschiebung 370 km/s, Richtung ’Löwe’
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Hintergrundstrahlung
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Great Attractor
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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!
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Das junge Universum I I
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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
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Vergleich mit mittlerer Materiedichte im Universum ρm = 2 − 11 × 10−27 kg/m3
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→ Materie viel wichtiger → Materie-dominiertes Universum 21 / 38
Das junge Universum I I
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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!
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Das junge Universum
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ca. 300000 yr nach Big Bang → Temperatur fällt unter 3000 K dann kann ionisierter Wasserstoff rekombinieren → Rekombinations-zeit
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Das junge Universum
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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
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Die Zukunft
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hängt von der Dichte des Universums ab! ist genug Materie da um die Expansion zu stoppen? Nein → I I
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Expansion wird immer weitergehen offenes Universum
Ja → I I
Expansion wird stoppen und umkehren geschlossenes Universum
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Die Zukunft I
Grenzfall: kritische Dichte ρc ρc =
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3H02 8πG
ρc ≈ 1.1 × 10−26 kg/cm3 sehr oft wird der Dichteparameter Ω0 =
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ρm ρc
zum Vergleich benutzt offenes Universum: 0 ≤ Ω0 < 1 marginal gebunden: Ω0 = 1 geschlossen: Ω0 > 1 26 / 38
Die Zukunft
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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
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Die Zukunft
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Die Zukunft
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Die Zukunft
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Bestimmung durch Beobachtungen Resultat: Expansion beschleunigt → es muss so etwas wie eine Dunkle Energie geben! alles weitere unbekannt!
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Die Geometrie des Universums
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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:
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Die Geometrie des Universums
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sphärisches Universum positive Krümmung Mittlere Dichte höher als kritische Dichte geschlossenes Universum
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Die Geometrie des Universums
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flaches Universum keine (Null) Krümmung Mittlere Dichte gleich der kritischen Dichte
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Die Geometrie des Universums
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hyperbolisches Universum negative Krümmung Mittlere Dichte geringer als kritische Dichte offenes Universum
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Die Geometrie des Universums
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im Prinzip bestimmbar durch Galaxienzählungen!
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Die Geometrie des Universums
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Dichte von Galaxien je nach Geometrie → verschiedene Möglichkeiten
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Die Geometrie des Universums
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scheinbare Größe von Galaxien → ebenfalls durch Geometrie bestimmt diese Figuren gehen von Λ = 0 aus . . .
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Die ferne Zukunft I I I
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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 . . .
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