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Hubble Expansion

Hauptseminar SS 05. Der Urknall und seine Teilchen. Hubble Expansion. E. Kandrai 13/05/05. Entwicklungen und Ideen bzgl. Expansion. 1912 – 1922: Vesto Slipher untersucht insgesamt 41 Spiralgalaxien auf ihre Radialgeschwindigkeit; fast alle bewegen sich von uns weg

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Presentation Transcript

  1. Hauptseminar SS 05 Der Urknall und seine Teilchen Hubble Expansion E. Kandrai 13/05/05

  2. Entwicklungen und Ideen bzgl. Expansion • 1912 – 1922: Vesto Slipher untersucht insgesamt 41 Spiralgalaxien auf ihre Radialgeschwindigkeit; fast alle bewegen sich von uns weg • 1917: Einstein führt Kosmologische Konstante Λ ein, um statisches Universum zu ermöglichen • 1922: Alexander Friedmann entdeckt, dass ein homogenes, isotropes und massenbehaftetes Universum im Allgemeinen expandiert oder sich zusammenzieht • 1927: vom belgischen Astronomen Georges Lemaître bestätigt • 1929: Edwin Hubble benutzt Cepheiden, um den Zusammenhang zwischen Abstand und Rotverschiebung zu weit entfernten Galaxien zu untersuchen

  3. Aufzählung einiger Größen und Entfernungen Gängige Angaben im Universum: AE = „Astronomische Einheit“ : innerhalb des Sonnensystems Lj / pc : Abstände zu Sternen bzw. Galaxien

  4. Die trigonometrische Parallaxe: :trigonometrische Parallaxe (in Bogensekunden) 1 pc = 3,26 Lj = 206625 AE Rotverschiebung Resultierende Rotverschiebung: (Blauverschiebung: ) Die Parallaxensekunde (Parsec)

  5. Definition: Unterschied um 5 Größenklassen Helligkeitsunterschied um Faktor 100 Helligkeit von Sternen scheinbare Helligkeit : m (logarithmische Skala) absolute Helligkeit : M (definiert als scheinbare Helligkeit in 10 pc Entfernung) Übersicht über die nächsten 8 Sterne

  6. erhalte mittels absoluter Helligkeit M (aus HRD abschätzen) und dem Entfernungsmodul m-M die Entfernung aus: Hertzsprung-Russell-Diagramm Zusammenhang zwischen absoluter Helligkeit und Temperatur (also Spektralklasse) Messen der scheinbaren Helligkeit m und der Spektralklasse

  7. Einige Sterne im Hertzsprung-Russell-Diagramm

  8. pulsierende Sterne (keine Pulsare); Pulsieren resultiert aus Größenänderung Zusammenhang zwischen Helligkeit und Größe ( Radialgeschwindigkeit): Es gilt: je größer die Periodendauer P, desto größer die durchschnittliche Helligkeit <MV> Geschwindigkeit Helligkeit Zeit Cepheiden

  9. Aufnahme und Helligkeitsverlauf eines Cepheiden

  10. äußere Hülle wird ins All abgestoßen Kern zieht sich zusammen Kern erhitzt sich UV-Strahlung Hülle leuchtet Helixnebel NGC 7293, ca. 400 Lj Sanduhrnebel, ca. 8000 Lj http://www.godandscience.org/nebulacards.html Pferdekopfnebel, ca. 1100 Lj Planetarische Nebel Roter Riesenstern stirbt

  11. radiale Expansionsgeschwindigkeit in km/s (über Dopplerverschiebung) Änderungsrate der Winkelausdehnung (in mas/a) Differenz aus zwei Aufnahmen – eine davon bei 5007 – lässt nur die Planetarischen Nebel übrig. Anzahl PN mit abs. Helligkeit M abs. Helligkeit des hellsten PN Entfernungsbestimmung zu Planetarischen Nebeln 1. Expansionsgeschwindigkeit der Hülle 2. Leuchtkraft (bis etwa 20 Mpc möglich)

  12. Rotationsgeschwindigkeit aus mit : maximale Rotationsgeschwindigkeit, : Inklinationswinkel der Galaxie Es gilt: Leuchtkraft Verbindung zwischen und über die sog. Pogson–Gleichung: Die Tully-Fisher-Relation Zusammenhang zwischen Helligkeit und Rotationsgeschwindigkeit von Spiralgalaxien Messen der Breite W der 21cm – H I – Emissionslinie Methode bis etwa 90 Mpc anwendbar, aber nur bei Spiralgalaxien.

  13. Ablenkung von Lichtstrahlen durch sehr massereiche Objekte bei Mehrfachbildern desselben Objekts ist die Zeitdifferenz der einzelnen Lichtwege meßbar Wegunterschied der Lichtstrahlen zeitl. Unterschied in Helligkeitsschwankungen : Abstand zur Lichtquelle : Abstand zur Linse Einstein-Kreuz Gravitationslinsen Die Bilder der Quasare können dabei vervielfacht, oder auch zu einem Kreisring „verschmiert“ werden Die Sonne lenkt Lichtstrahlen um etwa 1,75‘‘ ab Bekanntes Beispiel für eine Bild-Vervierfachung: das sog. „Einstein-Kreuz“ (siehe Bild unten)

  14. Eigenschaften: keine H–Linien im Spektrum haben alle dieselbe max. Helligkeit und denselben gleichmäßigen Helligkeitsverlauf: SN Ia am Rand von NGC4526 (1994) Supernovae Am besten geeignet: Supernovae vom Typ Ia kommen praktisch überall vor

  15. empirisches Hubble-Gesetz: Hubble-Diagramm 1929: Diagramm Fluchtgeschwindigkeit gegen Abstand für homogenes, isotrop expandierendes Universum:

  16. alle Angaben in SN Typ Ia Tully-Fisher SBF Sandage/Tammann 1974 SN Typ II fundamental plane Akzeptierter Mittelwert: Streit um 50 („long distance scale“) oder 100 („short distance scale“) Entwicklung der Hubble-Konstante Hubble Space Telescope Key Project Team (seit 1994) Hubble 1929 530 Sandage 1956 180 letzte Ergebnisse (Mai 2001): Sandage 1958 75 Vaucouleurs Ende 1970er 100

  17. Hubble-Gesetz SN Typ Ia / LSR Cepheiden H–R--Diagramm trigon. Parallaxe Radarmessungen Übersicht: Abstandsbestimmungen

  18. Keine Eigenbewegung der Galaxien, sondern Ausdehung des Raumes Galaxien werden „mitgezogen“ Feste Koordinaten , multipliziert mit zeitabhängigem Skalenfaktor Koordinatenabstand: Expansion des Raumes

  19. Im Fall des sphärischen Universums : als „Radius“ des Universums Krümmungsparameter: Hubbleparameter: Weltmodelle

  20. Robertson-Walker-Metrik (in Kugelkoordinaten): : Raumzeitintervall ergibt: sphärisches Universum euklidisches Universum hyperbolisches Universum Metrik und Abstände Denkmodell: Aufteilen des Abstandes zwischen zwei Objekten und gleichzeitiges Aufsummieren der einzelnen Abstände:

  21. Robertson-Walker-Metrik mit Integration liefert (mit ) : jetziger Zeitpunkt Zeitpunkt, als das Licht ausgesendet wurde Damit direkte Angabe möglich: beobachtete Rotverschiebung Expansion des Universums um den Faktor Rotverschiebung durch Raumausdehnung

  22. mit Gravitationskonstante Skalenfaktor kosmologische Konstante Dichte aller Masse und Energie Druck Friedmann–Modell mit heißt Einstein–de Sitter–Universum ; mit erhält man: Mit: Annahme, dass in einer Kugel die Dichte zeitlich konstant ist, sowie R=0 für t=0 erhält man durch Integration: Das Einstein–de Sitter–Universum Friedmann–Gleichungen für homogenes, isotrop expandierendes Universum:

  23. es gab einen Zeitpunkt, als alle Massen in einem Punkt vereinigt waren: „Hubble–Zeit“ Hubble–Zeit = Alter des Universums Universum jünger als Hubble–Zeit mit der Beziehung (heute) Alter des Universums / Hubble–Zeit Das Universum expandierte schon immer Im E–dS–Universum verlangsamt sich die Ausdehnung

  24. Universum muss sich in der Zwischenzeit beschleunigt ausgedehnt haben Warum beschleunigte Expansion? Zwei Möglichkeiten für Rückschlüsse auf die Entfernung: • Über das Hubble-Gesetz (Rotverschiebung) • Supernova Ia als Standardkerze, Helligkeit Abstand Ergebnis: Beobachtungen stimmen nicht überein, SN erscheint dunkler

  25. Beobachtungen bzgl. Expansion

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