ExpansionDunkle-Energie

1. 1 Expansion+Dunkle-Energie.ppt AC-Rathaus, 2. Februar 2006 J. Jers�k, Theoretische Physik, RWTH Aachen Das ist nicht der AnfangDas ist nicht der Anfang

2. 2 Expansion des Universumsund dunkle Energie AnfangAnfang

3. 3 Geschichte des UniversumsAus Dorn-Bader Schulbuch, S.359

4. 4 Geschichte der Expansionsforschung Bekannt seit 1920-er (erst nach ART 1915) Theorie der Expansion mit ART: De Sitter (Niederlande), Friedmann (Russland), Lema�tre (Belgien, L'Hypoth�se de l'Atome Primitif ), � Erste Beobachtung: Rotverschiebung naher Galaxien w�chst mit Abstand Evidenz f�r die Expansion: Hubble (USA) Ab 1995: Beobachtungen weit entfernter Galaxien Evidenz f�r eine beschleunigte Expansion

5. 5 Millikan, Lema�tre, Einstein

6. 6 Geschichte der Expansion Bekannt seit 1920-er (erst nach ART 1915) Theorie der Expansion mit ART: De Sitter (Niederlande), Friedmann (Russland), Lema�tre (Belgien, L'Hypoth�se de l'Atome Primitif ), � Erste Beobachtung: Rotverschiebung naher Galaxien w�chst mit Abstand Evidenz f�r die Expansion: Hubble (USA) Ab 1995: Beobachtungen weit entfernter Galaxien Evidenz f�r eine beschleunigte Expansion

7. 7 Verst�ndnis der Expansion 1920-1990-er: �einfache� Erkl�rungen der Expansion ohne ART (bombenartige Explosion in starrem Raum mit Newtonscher Mechanik, SRT, Doppler-Effekt, Energieerhaltung, etc.) nicht anwendbar bei grossen Abst�nden Heute: konsequent ART + dunkle Energie Beides gegr�ndet von Einstein

8. 8 Universum auf kosmologischen Zeitskalen (Giga�) 1 Gy = 1 000 000 000 y = Milliarde Jahre Sonnensystem 4,5 Gy Unsere Galaxie 10 Gy Universum seit dem Urknall t0 = 14 Gy Kosmische Hintergrundstrahlung  (CMB) 400 000 y = 0,000 4 Gy Urknall (Big Bang) t = 0

9. 9 Universum auf kosmologischen L�ngenskalen (Giga�) 1 Gly = 1 000 000 000 ly = 1 Milliarde Lichtjahre Galaxien 0,000 1 Gly Galaxienhaufen 0,001 Gly Gleichm�ssige Materieverteilung (keine Strukturen) ab 1 Gly Beobachtbares Universum (Radius) 46 Gly

10. 10 Dunkle Materie im Halo um eine GalaxieDunkle Masse� 10x sichtbare Masse Artist�s view D.B.Cline, SciAm March 03

11. 11 Verteilung der Galaxien�ber den ganzen Himmel

12. 12 Kosmische Hintergrundsstrahlung (CMB) aus allen Himmelsrichtungen mit Temperatur T0 = 2,7..�KTemperaturschwankungen nur sehr fein 0,000 02 �K (WMAP Satelit)

13. 13 W. Hu, http://background.uchicago.edu/%7ewhu/beginners/introduction.html

14. 14 (Gleichm�ssige Materieverteilung)

15. 15 Beobachtung der Supernovae zeigt die Expansion auch auf gr�ssten Abst�nden

16. 16 Das Universum ist gleich und expandiert auf allen Entfernungsskalen F�r das heutige Verst�ndnis wird die allgemeine Relativit�tstheorie (ART) . verwendet Achtung!!!...!!! Die spezielle Relativit�tstheorie (SRT) ist auf kosmologischen Entfernungen . NICHT anwendbar!

17. 17 SRT, Schwarze L�cher, Expansion Eigenschaften des Raumes in der ART

18. 18 Kosmische Zeit t g�ltig in ganzem Universum ART => Kein Inertialsystem daf�r notwendig Weil das Universum �berall gleich ist, ist es auch �berall gleich alt Universumsalter t Wird durch die Expansionsbewegung wie durch eine Sanduhr definiert Heute: t = t0 ( = 14 Gy)

19. 19 Kosmischer Abstand D(t) Alle Richtungen gleichwertig Es gen�gt nur den � Abstand D(t) zwischen Paaren von entfernten Galaxien in beliebiger Richtung zu betrachten Demo von 1-dim ART-Raum Gummiband

20. 20 APOD

21. 21 Der Raum expandiert, aber bleibt lokal immer gleich.Galaxien entfernen sich voneinander,aber sie ruhen im Raum und expandieren nicht.

22. 22 2-dim Modell der ExpansionC.H.Lineweaver and T.M.Davis,Scientific American, March 2005

23. 23 Luftballon-Oberfl�che als 2-dim Modell des Universums

24. 24 Abstand zwischen Galaxien w�chst,weil der Raum dazwischen expandiert

25. 25 Was ist die Expansion: Expansion = Dehnung des . Raumes selbst Deshalb entfernen sich Galaxien voneinander Recessionsgeschwindigkeit v . der ruhenden Galaxien ist nicht eine mechanische Bewegung der Galaxien durch den Raum!

26. 26 Das Hubble-Gesetz (in einer modernen Form) Recessionsgeschwindigkeit v der Galaxien ist rigoros proportional ihrem Abstand D

27. 27 H(t) D(t) = v = c DH(t) = c/H(t) F�r D(t) > DH(t) ist v(t) > c !!!

28. 28 Es ist kein Wiederspruch zur SRT Expansion �bertr�gt kein Signal SRT gilt an jedem Ort . = lokal (in jeder Galaxie) Lokal ist die Lichtgeschwindigkeit immer c Lokal ist c die Grenzgeschwindigkeit Bei grossen Abst�nden ist die SRT nicht anwendbar

29. 29 Kosmologische Rotverschiebungz

30. 30 Der Abstand zwischen Wellenk�mmen des Lichtes w�chst

31. 31 Kosmologische Rotverschiebung z Expansion der Wellenl�nge ? des Lichtes w�hrend des Fluges durch den expandierenden Raum Hat nichts zu tun mit dem Bewegungszustand der Quelle . => kein Dopplereffekt!

32. 32 Typische beobachtete Werte von z Erste Beobachtungen von Hubble 1929 D < 0,04 Gly z < 0.0003 Galaxien auf dem Hubble-Abstand D = DH = 14 Glyr v = c z = 1.5 Quasare bis z � 6.4 CMB Quelle: v= 3c z = 1090

33. 33 Universum auf kosmologischen Geschwindigkeitsskalen c = 300 000 km/s Mechanische Geschwindigkeiten durch den Raum: Erde um Sonne 0,0001c Typische Galaxienbewegung 0,003c Grosse Recessionsgeschwindigkeiten: Galaxien mit z > 1,5 (> tausend beobachtet!) > c Quelle der CMB heute (z = 1090) 3c Quelle der CMB �damals� 50c

34. 34 Kosmische Skala a(t) Abstand normiert auf den heutigen Alle L�ngenskalen in der Kosmologie sind proportional zu der kosmischen Skala

35. 35 a(t) beschreibt die Expansion a(t0) = 1 D(t0) heute a(t) = 2 D(t) = 2D(t0) a(t) = 1/1000 D(t) = D(t0)/1000

36. 36 Wie schnell expandiert das Universum? Hubble-Gesetz: v(t) = H(t) D(t) H(t) gross � schnellere Expansion H(t) klein � langsamere Expansion H(t) = ? <=> a(t) = ?

37. 37 Empirische Eigenschaften des H(t): H(t) ist t-abh�ngig Nach dem Urknall nimmt f�r lange Zeit ab H(t) ~ 1/t => verlangsamte Expansion Seit ein paar Gy H(t) � const => beschleunigte Expansion Der heutige Wert (�Hubble-Konstante�): . H(t0) = 70 km/s Mpc (1Mpc = 3 000 000 ly)

38. 38 Qualitative Beschreibung der Expansionsbeschleunigung:

39. 39 A. Friedmann

40. 40 THEORIE der Expansion Gleichungen der Einsteinschen ART . (Friedmann-Lema�tre Gleichungen ohne Druckterm)

41. 41 Wirkung der Materie Negativer Beitrag zur Beschleunigung Bremst die Expansion K�nnte sogar zur Schrumpfung f�hren Die Dichte nimmt bei der Expansion ab:

42. 42 Kosmologische Konstante ? Positiver Beitrag zur Beschleunigung der Expansion Bleibt konstant mit t Von Einstein 1917 eingef�hrt zur Kompensation des negativen Materiebeitrags, um ein statisches Universum zu erreichen Nach der Endeckung der Expansion von Einstein bedauert: �biggest blunder of my life� (? �Eselei�!) Die zweitgr�sste Entdeckung von Einstein (nach ART)?

43. 43 Willem de Sitter

44. 44 De Sitter Universum Universum ohne Materie, nur mit ? De Sitter 1917:

45. 45 Entdeckung der letzten 10 Jahre: Supernovae-Beobachtungen => Die Expansion beschleunigt sich!

46. 46 Was bewirkt die Beschleunigung? Naturkonstante = kosmologische Konstante ? � la Einstein? Energie des Vakuums (Quanteneffekt)? Zu erwarten, aber Theoretiker k�nnen sie nicht berechnen Quintessenz? Ein neues Feld � ?(t)? Vorschlag von Ch. Wetterich (Heidelberg) u.A.

47. 47 Ch. Wetterich

48. 48 Naturkonstante ?, Vakuumenergie, Quintessenz, ???Kosmologen brauchen irgendetwas davon: �DUNKLE ENERGIE� Niemand weiss, was das ist, weil es durchsichtig (unbeobachtbar) ist! - Spannung des leeren Raumes (�negativer Druck�) - Eine ganz neue Kategorie?

49. 49 Energie im heutigen Universum 73�% dunkle Energie dominiert 4% bekannte Materie � Atome (Sterne, H-Gas, wir) 23�% unbekannte Materie (�dunkle Materie�) Materie bremst, dunkle Energie beschleunigt die Expansion

50. 50 Zukunft des Universums?

51. 51 Perspektiven �Cosmologists are often wrong, but never in doubt� . L.D. Landau Ich bin kein Kosmologe Ist das heutige Verst�ndnis der Expansion schon richtig? Bleibt diese bizarre dunkle Energie und was ist sie? Neue �berraschungen m�glich

52. 52 Eine weit entfernte Supernova

53. 53 Evidenz f�r beschleunigte Expansion

54. 54 Riess et al. 2004

55. 55 v-z Abh�ngigkeit

56. 56 Warum ist das beobachtbare Universumgr�sser als ct0 = 14 Gly?Weil der Raum selbst w�chst(Engl.:billion = Deutsch: Milliarde)

57. 57 Dorn-Bader Schulbuch S.357

58. 58 z-a(t) Beziehung t � Zeit der Emission (t < t0) 1+z misst die Expansion des Universums zwischen den Zeiten t und t0 Z > 0 ist die Evidenz f�r die Expansion

59. 59 Lichtsignal in unserer Richtung hinter DH(t) Entfernt sich von uns weil Recession: Lokale Lichtgsignal- geschwindigkeit Gesamt-geschwindigkeit

60. 60 DH(t) = c/H(t) w�chst mit t