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Die beschleunigte Expansion. Fakultät für Physik Universität Wien. Franz Embacher. Vortrag im Rahmen von University Meets Public VHS Meidling, 12. 3. 2012. Nobelpreis 2011. … an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt und Adam G. Riess
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Die beschleunigte Expansion Fakultät für Physik Universität Wien Franz Embacher Vortrag im Rahmen von University Meets Public VHS Meidling, 12. 3. 2012
Nobelpreis 2011 • … an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt und Adam G. Riess • „für die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums durchBeobachtungen weit entfernter Supernovae“.
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
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?
Die Expansion des Universums in der Theorie „Newtonsche“ Argumentation:
Die Expansion des Universums in der Theorie MasseM gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse im Gravitationsfeld einer PunktmasseM !
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.
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
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…
Die Galaxienflucht • 1912 Vesto Slipher: ErsteMessungen zurRotverschiebung einzelnerObjekte Geschwindigkeitenvon Galaxien! • 1912 Henrietta Swan Leavitt:Perioden-Leuchtkraft-Beziehung von Cepheiden erste Methoden derEntfernungsbestimmung(Cepheiden) • 1920er Jahre: Edwin Hubblekann erste Sterne im„Andromeda-Nebel“ auflösen.
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
Das Universum dehnt sich aus Das Universum ist heute (fast) flach. Das Universum war früher kleiner Urknall!
Wo fand der Urknall statt? Überall!
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 Expansion:der Skalenfaktor Länge zur Zeit t a(t) = Länge heute
Das expandierende Universum • Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“ als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus seinen Gleichungen!
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
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.
1990er Jahre: Blick in die Tiefe! • Wie kann der Abstand sehr weit entfernter Objekte gemessen werden?Standardkerzen:
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.
Das Universum dehnt sich aus • Vergleich verschiedener Theorien: • Falls Strahlung oder Materie dominiert die Expansion verläuft gebremst.(Strahlungsdominiertes 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!
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
Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation vakuumdominiertes Modell materiedominiertes Modell
Ergebnisse Supernova Cosmology Project High-Z SN Search
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 bzw. 10 J/m
Woraus besteht das Universum? Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:
Danke... ... für Ihre Aufmerksamkeit! Diese Präsentation finden Sie im Web unter http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/UMP2012/