Kosmologie Ein kleiner Überblick
Jan Hamann
Worum geht es in der Kosmologie?
Κοσμολογία = Lehre von der Welt
Physikalische Kosmologie
Beschreibung des Universums durch physikalische Gesetze
Kosmologische Fragestellungen
• Woraus besteht das Universum?
• Was ist seine Struktur?
• Was ist sein Ursprung?
• Können wir die Geschichte des Universums rekonstruieren?
• Was hat das alles mit dem CERN zu tun?
Meta-Kosmologie
Theorie
Beobachtung
Daten
Mathematik Gmn =
8pG
c4Tmn
sagt vorher bzw. erklärt
bestätigen oder widerlegen
Video: The known Universe http://www.wimp.com/knownuniverse/
Das kosmologische Prinzip
“Auf genügend großen Skalen betrachtet ist das Universum homogen und isotrop”
Wir befinden uns nicht an einem speziellen Ort
isotrop, aber nicht homogen
homogen, aber nicht isotrop
homogen und isotrop
Statisches Universum
Warum nicht auch zeitliche Homogenität?
Olberssches Paradoxon
Wieso ist es nachts dunkel?
Nicht vereinbar mit einem räumlich und zeitlich unendlichen,
unveränderlichen Universum, das gleichzeitig dem kosmologischen
Prinzip gehorcht
Allgemeine Relativitätstheorie
Einstein 1915
Gmn =8pG
c4Tmn
Geometrie der Raumzeit
Energie-Impuls-Verteilung der
Materie
Raum und Zeit sind keine unabhängigen, absoluten Größen!
Allgemeine Relativitätstheorie
• Materieverteilung bestimmt Krümmung der Raumzeit
• Krümmung der Raumzeit bestimmt Bewegung der Materie
Die Metrik der Raumzeit
Beispiel: leerer Raum
(Minkowski-Raumzeit)
Raumzeit- Abstand
Zeit- Abstand
Raum- Abstand
Lichtgeschwindigkeit
Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-Metrik
ds2 = -c2dt2 +a(t)2dS2
Allgemeinste Metrik, die das kosmologische Prinzip erfüllt
Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-Metrik
ds2 = -c2dt2 +a(t)2dS2
Skalenfaktor
Räumliche Abstände sind zeitabhängig!
Der Raum selbst expandiert (oder kontrahiert),
etwa so wie der Teig im Rosinenkuchen
Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-Metrik
ds2 = -c2dt2 +a(t)2dS2
Skalenfaktor
hyperbolische, flache oder sphärische Raumgeometrie
sphärisch
hyperbolisch
flach
(Euklidisch)
Raumgeometrie
In einem homogenen und isotropen Universum kann der Raum gekrümmt sein!
Die Friedmann-Gleichung
1
a2da
dt
æ
èç
ö
ø÷
2
º H 2 =8pG
3r -
kc2
a2
Hubble-Parameter Energiedichte
Krümmungsparameter +1 geschlossen
0 flach
-1 offen
Die Expansionsrate des Universums hängt von seinem Inhalt (und seiner räumlichen Krümmung) ab
Kritische Dichte
rc º3H 2
8pG
geschlossen: ρ > ρc
offen: ρ < ρc
flach: ρ = ρc
entspricht heutzutage etwa fünf Wasserstoffatomen pro Kubikmeter
3H 2
8pG= r -
3kc2
8pGa2Friedmann-Gleichung (umgeformt)
Zutaten des Universums
Teilchen des Standardmodells
Zutaten des Universums
Teilchen des Standardmodells
= instabil
Zutaten des Universums
Photonen
Elektronen
Neutrinos
Protonen, Neutronen
(“Baryonen”)
= instabil
Entwicklung der Energiedichte
Nicht-relativistische Materie (‘’Staub’’)
Relativistische Materie (‘’Strahlung’’)
r µa-3
r µa-4
Entwicklung der Energiedichte
Nicht-relativistische Materie (‘’Staub’’)
Relativistische Materie (‘’Strahlung’’)
Vakuumenergie
r µa-3
r µa-4
r µconst.
Kosmologische Rotverschiebung
In einem expandierenden Universum wächst die Wellenlänge eines Photons proportional zum Skalenfaktor a(t)
Je weiter entfernt eine Lichtquelle, desto mehr werden die Photonen gestreckt (“Rotverschiebung”)
Kosmologische Rotverschiebung vs. Doppler-Effekt
Die Kosmologische Rotverschiebung ist vergleichbar mit einer Rotverschiebung durch relative Bewegung von Quelle und Beobachter
Messung der Rotverschiebung
Wellenlänge [Å]
Spektroskopie
Emissionslinien
im Labor
Entfernungsmessung
Standardkerzen und -maßstäbe
Helligkeitµ1
Entfernung2
Typ Ia supernovae
Supernovae können kurzzeitig soviel Energie wie eine ganze Galaxie freisetzen!
Typ Ia supernovae
Chandrasekhar-Grenze:
Weißer Zwerg
M >1.39MSonne
Typ Ia supernovae
Möglicherweise geht ein Großteil der SNe Ia auf eine Verschmelzung von zwei weißen Zwergen zurück…
Typ Ia supernovae als Standardkerzen
Zeit [d]
• Je breiter die Lichtkurve desto größer die absolute Helligkeit
• Messung von scheinbarer Helligkeit und Lichtkurve
• Vergleiche absolute mit scheinbarer Helligkeit
Leuchtkraftentfernung
Lichtkurven
Das Hubble-Diagramm
Entfernung
Das Universum dehnt sich aus!
H0 » (73.8±2.4)kms-1 Mpc-1
Konsequenzen der kosmischen Expansion
• Je weiter wir in die Vergangenheit gehen, desto höher die Energiedichte und Temperatur des Universums
• Vor einer endlichen Zeit war a(t) ≈ 0 “Urknall” (Big Bang)
• Es gibt einen kosmischen Horizont, von jenseits dessen uns keine Information erreichen kann (Beobachtbares Universum)
Nukleosynthese
Big Bang Nukleosynthese
• Primordiale Erzeugung von Elementen bis Li-7
• Schwerere Elemente entstehen werden erst sehr viel später in Sternen erzeugt
Netzwerk an Kernreaktionen
Big Bang Nukleosynthese
Baryonen pro photon
• Messung der primordialen Elementhäufigkeit an alten Objekten erlaubt Bestimmung von η
• Sehr gute Übereinstimmung zwischen D, He-3 und He-4: η ≈ 6×10-10
• Baryonen machen etwa 5% der kritischen Dichte aus!
Rekombination
Rekombination
• Unterhalb von T = 3000 K (t = 300000 a) können sich neutrale Atome bilden
• Die Photonen streuen danach nicht mehr an freien Elektronen Das Universum wird durchsichtig!
Rekombination
Alles was vor der Rekombination
passierte ist unseren Blicken verborgen!
Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung
(CMB)
Wellenlänge
Rotverschiebung um Faktor 1000
Bei der Rekombination sind die Photonen im thermischen Gleichgewicht mit Elektronen
und Atomkernen
Ihr Energiespektrum ist das eines schwarzen Körpers
(“Planckspektrum”)
Entdeckung des CMB
1964 fanden Penzias und Wilson ein Rauschen, das sie nicht erklären konnten
(1978)
Messung des CMB Energiespektrums
(2006)
Der CMB ist extrem isotrop mit einer Temperatur von
TCMB = 2.725 K
Temperaturfluktuationen des CMB
• Der CMB hat winzige Temperaturunterschiede in verschiedenen Richtungen
• Dipol (ΔT/T ≈ 10-4) durch Dopplereffekt
• Intrinsische Fluktuationen ΔT/T ≈ 10-5
Temperaturfluktuationen des CMB
• Temperatur der Hintergrundstrahlung ist extrem isotrop, T ≈ 2.725 K
• Winzige Anisotropien, σT ≈ 20 μK, hervorgerufen durch Dichtefluktuationen zur Zeit der Rekombination
• Diese Dichtefluktuationen sind Ausgangspunkt der Bildung von Strukturen wie Galaxien oder Galaxienhaufen
COBE DMR (1992)
kälter als das Mittel
wärmer als das Mittel
Strukturbildung
Strukturbildung
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=jHoHz9fSGVI
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=bbLq_skQ_As
http://www.deus-consortium.org/gallery/videos/
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=bbLq_skQ_Ashttp://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=bbLq_skQ_Ashttp://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=bbLq_skQ_As
Zum Vergleich: Galaxienverteilung
Daten vom 2dF survey
Jeder Punkt ist eine Galaxie!
COBEs Karte der CMB Temperaturfluktuationen
COBE hatte lediglich eine Auflösung von 7°
COBE DMR (1992)
Weltkarte mit gleicher Auflösung
Die nächsten Generationen von CMB-Experimenten
Messung des CMB durch Planck
Video: Planck cruise to L2 www.esa.int/spaceinvideos/Videos/2013/10/Planck_cruise_to_L2
Der Himmel mit den Augen von Planck gesehen
9 Frequenzbänder kombiniert
Der Himmel mit den Augen von Planck gesehen
Separation des CMB von anderen Komponenten
Video: Revealing the Cosmic Microwave Background with Planck
www.esa.int/spaceinvideos/Videos/2013/03/Revealing_the_cosmic_microwave_background_with_Planck
Plancks Karte der CMB Temperaturfluktuationen
Von der Karte zum Spektrum…
• Die Theorie ist nicht in der Lage, die genaue Position einzelner heißer oder kalter Flecken vorherzusagen
• Stattdessen: Vorhersage von statistischen Eigenschaften der Temperaturkarte (zum Beispiel Mittelwert, Varianz, Korrelationen,…)
+ …
+
+
+
=
Entwicklung in Kugelflächenfunktionen
Das CMB-Winkelleistungsspektrum ungefährer
Winkelabstand
Multipolmoment
Typische Größe der heißen und kalten Flecken (Standardlineal!)
Theoretische Vorhersage des CMB-Spektrums
Räumliche Krümmung
Vakuum- energie- dichte
Baryon- energie- dichte
Materie- energie- dichte
• Das theoretische CMB-Spektrum hängt vom Modell und den Werten gewisser kosmologischer Parameter ab
• Vergleich mit gemessenem Spektrum erlaubt es, zwischen verschiedenen Modellen zu unterscheiden und die Werte der unbekannten Parameter zu bestimmen
Das kosmologische Standardmodell
Das einfachste Modell, mit dem sich CMB-Daten erklären lassen (Ockham’s Rasiermesser!)
• Räumlich flaches FLRW-Universum, rund 13,8 Mrd. Jahre alt
• Anfängliche Dichtefluktuationen ungefähr weißes Rauschen
• Kosmische Torte:
Normale Materie
Dunkle Materie?!
Dunkle Energie?!?!
(Vakuumenergie)
Etwa 95% des Universums sind
unbekannt…
Nicht nur der CMB…
… auch andere Daten von unabhängigen Messungen lassen sich durch dieses Modell erklären, z.B.:
• Primordiale Elementhäufigkeiten (BBN)
• Räumliche Galaxienverteilung
• Anzahl von Galaxienhaufen
• Typ Ia supernovae
• Gravitationslinseneffekte
• etc.
Was ist dunkle Materie?
• Elektrisch neutral (und daher dunkel!)
• Kaum anderweitige Wechselwirkung mit normaler Materie
• Ist kalt, d.h., im späten Universum nicht-relativistisch (daher nicht Neutrinos)
• War bereits vor der Rekombination vorhanden (also keine braunen Zwerge, etc.)
• Vermutlich ein bislang unentdecktes Elementarteilchen (Supersymmetrie?)
Weitere Hinweise auf dunkle Materie: Rotationskurven von Galaxien
Rotationsgeschwindigkeit
gemessen
erwartet (von sichtbarer Materie)
Radialer Abstand [Lichtjahre]
Gravitationslinseneffekt
Massive Objekte “beulen” die Raumzeit aus und verzerren dadurch dahinterliegende Objekte
Messung der Stärke des Effekts ermöglicht Bestimmung der Gesamtmasse (dunkle+ evtl. sichtbare) der Gravitationslinse
Weitere Hinweise auf dunkle Materie: Gravitationslinseneffekt auf den CMB
Dunkle (und sichtbare) Materie bewirken eine leichte Verzerrung der ursprünglichen Temperaturfluktuationen
Charakteristisches Muster von Planck beobachtet
Weitere Hinweise auf dunkle Materie: Bullet cluster
Röntgen: heißes Gas Gravitationslinseneffekt: Massenverteilung
Interaktion zweier Galaxienhaufen: Normale Materie wechselwirkt und wird abgebremst
Dunkle Materie wechselwirkt nicht und durchdringt sich
Die Suche nach der Identität der dunklen Materie
?
Dunkles Materie-Teilchen Standardmodell-Teilchen
Unbekannte Wechselwirkung
Annahme: Thermische Produktion im frühen Universum
Die Suche nach der Identität der dunklen Materie
?
Dunkles Materie-Teilchen Standardmodell-Teilchen
Zeit
Prozeß
+ +
DM-Erzeugung
DM-Erzeugung an Beschleunigern
• Suche nach Ereignissen mit “fehlender” Energie und fehlendem Impuls
• Bislang noch keine Hinweise…
• Vielleicht im nächsten Jahr am LHC?
Die Suche nach der Identität der dunklen Materie
?
Dunkles Materie-Teilchen Standardmodell-Teilchen
Zeit
Prozeß
+ +
DM-Annihilation
DM-Annihilation: Indirekte Detektion
Suche nach Röntgen-/Gammastrahlungs-/hochenergetischen Teilchen-Signal aus
Gebieten mit hoher Dichte an dunkler Materie (z.B. dem Zentrum der Milchstraße)
Simuliertes Signal
z.T. vielversprechende Kandidaten, aber nicht
immer einfach von astrophysikalischen Signalen
auseinanderzuhalten
Die Suche nach der Identität der dunklen Materie
?
Dunkles Materie-Teilchen Standardmodell-Teilchen
Zeit
Prozeß
+ +
DM-Streuung
DM-Streuung: Direkte Detektion
• Suche nach Rückstoßsignal
Einige Experimente behaupten, ein Signal gesehen zu haben, aber verschiedene Signale sind nicht kompatibel und bislang keine unabhängige Bestätigung
Zeitalter der dunklen Energie
Weitere Hinweise auf Dunkle Energie: Typ Ia supernovae
(2011)
Materie-Energiedichte
Rotverschiebung
Universum ohne DE
Dunkle Energie
• Bewirkt ein beschleunigtes Wachstum des Skalenfaktors a(t)
• Ewige Expansion des Universums, Materie wird immer weiter verdünnt
• Mögliche Erklärung wäre Vakuumenergie (“kosmologische Konstante”), aber warum so klein? Naive quantenfeldtheoretische Schätzungen um viele Größenordnungen höher…
• Vielleicht auch ein Zeichen, daß unsere Theorie der Gravitation erweitert werden muß?
Inflation
Inflation
• Exponentielles Wachstum des Skalenfaktors a(t) um einen Faktor 1030 in einem Bruchteil einer Sekunde
• Glättet den Raum lokal • Angetrieben durch potentielle
Energie eines Skalarfeldes Quantenfluktuationen! • Erzeugt genau die Art Dichte-
fluktuationen, die im CMB beobachtet werden
• Erzeugt zusätzlich Gravitationswellen!
Polarisation des CMB
• Der CMB ist schwach linear polarisiert
• Es gibt zwei Arten von Polarisation, E und B
E B wird durch Dichte- Fluktuationen und Gravitationswellen
erzeugt
wird nur durch Gravitationswellen
erzeugt
BICEP2…
… ist ein Mikrowellenteleskop am Südpol
Messung der CMB B-Polarisation durch BICEP2
B-Signal von inflationären Gravitationswellen
B-Signal durch Gravitationslinsen-
Effekt (keine neue Physik)
Caveat: BICEP2 hat nur auf einer Frequenz gemessen Keine Möglichkeit, galaktisches Signal zuverlässig abzuschätzen
Messung des galaktischen polarisierten Staubsignals durch Planck
Galaktische polarisierte Staubemission hat ähnliche Amplitude wie das von BICEP2 gemessene Signal…
Zusammenfassung
• Überwältigende experimentelle Evidenz für das Urknall-Modell
• Enorme Fortschritte im Verständnis des Universums in den letzten 20 Jahren
• “Standardmodell” der Kosmologie, Parameter mit Prozentgenauigkeit bestimmt
• Offene Fragen: Dunkle Materie, Dunkle Energie, Inflation?
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