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Die beschleunigte Expansion

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Die beschleunigte Expansion Franz Embacher Fakult t f r Physik Universit t Wien Vortrag im Rahmen von University Meets Public VHS Meidling, 12. 3. – PowerPoint PPT presentation

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Title: Die beschleunigte Expansion


1
Die beschleunigte Expansion
  • Franz Embacher

Fakultät für Physik Universität Wien
Vortrag im Rahmen von University Meets Public VHS
Meidling, 12. 3. 2012
2
Nobelpreis 2011
an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt und
Adam G. Riess für die Entdeckung der
beschleunigten Expansion des Universums
durchBeobachtungen weit entfernter Supernovae.
3
Die beschleunigte Expansion des Universums
  • Die Expansion des Universums in der Theorie
  • Einsteins kosmologische Kontante
  • Hubbles Entdeckung der Galaxienflucht
  • Gebremst oder beschleunigt? Supernovae als
    Standardkerzen
  • Das moderne Standardmodell des Universums

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Andromeda-Nebel M31 mit M32 und M110
5
HST Deep Field
6
Die Expansion des Universums in der Theorie
  • Albert Einstein 1915 Allgemeine
    Relativitätstheorie Theorie der Gravitation
  • Gravitation ist die dominierende Kraft im
    Universum ? Beschreibung des Universums als
    Ganzes?
  • Kosmologisches Prinzip Das Universum ist auf
    großen Skalen homogen und isotropDaraus folgt
    Die einzige Freiheit für die Bewegung des
    Universums im Großen ist eine Skalierung aller
    Abstände (? Skalenfaktor)
  • Was sagte die Theorie zunächst voraus?

7
Die Expansion des Universums in der Theorie
Newtonsche Argumentation
8
Die Expansion des Universums in der Theorie
9
Die Expansion des Universums in der Theorie
10
Die Expansion des Universums in der Theorie
11
Die Expansion des Universums in der Theorie
Masse M
? gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer
Probemasse im Gravitationsfeld einer
Punktmasse M !
12
Die beschleunigte Expansion des Universums
  • Demnach kann das Universum expandieren oder
    kontrahieren. Es kann sich nicht in einem
    statischen Zustand befinden!
  • Einstein repariert seine Theorie, indem er eine
    abstoßende Kraft einführt die kosmologische
    Konstante L. Ihre Bedeutung ist die einer
    Energiedichte des Vakuums.

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Energiedichte des Vakuums
  • Was ist das Vakuum?
  • Das Vakuum könnte eine Energie besitzen!In
    diesem Fall besitzt das Vakuum einennegativen
    Druck!

Materie normalesVerhalten(z.B. Gas)
?
?
Energieinhalt wird verkleinert.
Energieinhalt wird vergrößert.
positiver Druck
Vakuum E V
?
?
Energieinhalt wird vergrößert.
Energieinhalt wird verkleinert.
negativer Druck
14
Energiedichte des Vakuums
  • Einsteins modifizierte Gleichungen beschreiben
    ein statisches Universum.
  • Leider ist es instabil, d.h. kleinste
    Inhomogenitäten lassen es kollabieren!
  • Überlegungen zu einem expandierenden Universum
    (Willem de Sitter, Georges Lemaitre) werden
    zunächst wenig beachtet

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Die Galaxienflucht
  • 1912 Vesto Slipher ErsteMessungen
    zurRotverschiebung einzelnerObjekte ?
    Geschwindigkeitenvon Galaxien!
  • 1912 Henrietta Swan LeavittPerioden-Leuchtkraft-
    Beziehung von Cepheiden? erste Methoden
    derEntfernungsbestimmung(Cepheiden)
  • 1920er Jahre Edwin Hubblekann erste Sterne
    imAndromeda-Nebel auflösen.

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Die Galaxienflucht
  • 1929 Edwin Hubble entdeckt, dass sich Galaxien
    umso schneller von uns fortbewegen je weiter sie
    von uns weg sind!Hubble-Gesetz v H D

0
Hubble-Konstante(Hubble-Parameter)
km/s
H 71
(1 Mpc 3.26 Mio Lichtjahre)
heutiger Wert
0
Mpc
17
Das Universum dehnt sich aus
Das Universum ist heute (fast) flach.
Das Universum war früher kleiner ? Urknall !
18
Wo fand der Urknall statt?
Wo?
19
Wo fand der Urknall statt?
Überall !
20
Das Universum dehnt sich aus
  • Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen
    Dehnung aller Längen.
  • Modell Gummiband, das ausgedehnt wird
  • fix markierte Punkte Galaxien
  • Spielzeugautos Licht
  • Quantitative Beschreibung der Expansionder
    Skalenfaktor

Länge zur Zeit t
a(t)
Länge heute
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Das expandierende Universum
  • Einstein bezeichnet die kosmologische Konstante
    als seine größte Eselei und entfernt sie aus
    seinen Gleichungen!

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Kosmologie bis in die 1990er Jahre
  • Die Details der Expansion des Universums hängen
    von seinem Inhalt ab.
  • frühes Universum strahlungsdominiert
  • heutiges Universum materiedominiert
  • Kosmologische Probleme
  • Horizontenproblem
  • Flachheitsproblem
  • Lösung
  • sehr frühes Universum Inflation (rapide
    exponentielle Expansion)!
  • Entdeckung der dunklen Materie
  • Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung

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Dunkle Materie
24
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.

25
Kosmische Hintergrundstrahlung
26
1990er Jahre Blick in die Tiefe!
  • Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte
    gemessen werden?Standardkerzen

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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
Zündung bei Erreichen einer kritischen Masse
Materiefluss
weißer Zwerg
Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann
die Entfernung abgeschätzt werden.
28
Supernova September 2011 in M101
29
Das Universum dehnt sich aus
  • Vergleich verschiedener Theorien
  • Falls Strahlung oder Materie dominiert? die
    Expansion verläuft gebremst.(Strahlungsdominierte
    s oder materiedominiertes Universum)
  • Falls die Vakuumenergie dominiert? die Expansion
    verläuft beschleunigt!(Vakuumdominiertes
    Universum,Energiedichte des Vakuums
    kosmologische Konstante Dunkle Energie)
  • Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird
    sie irgendwann einmal dominant!

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Modell Materiedominiertes Universum
31
Modell Universum mit Vakuumenergie
32
Überprüfung von Weltmodellen
  • Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen
    überprüft werden?
  • Rotverschiebung ? Geschwindigkeit der Quelle
  • Hubble-Gesetz

nicht messbar
v H D
0
Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)
  • Rotverschiebungs-Entfernungs-RelationBeziehung
    zwischen
  • z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts
  • D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der
    Aussendung des Lichts

direkt messbar
indirekt messbar
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Vorhersagen Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
vakuumdominiertes Modell
materiedominiertes Modell
34
Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)
35
Ergebnisse
Supernova Cosmology Project High-Z SN
Search
36
ZusammenführungverschiedenerBeobachtungen
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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

-26
3
-9
3
10 kg/m
10 J/m
bzw.
38
Woraus besteht das Universum?
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild
39
Danke...
... für Ihre Aufmerksamkeit! Diese
Präsentation finden Sie im Web unter http//home
page.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/
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