Transcript kosmologie

Die Entwicklung unseres
Universums...
...das frühe Universum
...Strukturen des Kosmos
...die Zukunft des Universums
Peter Oswald
In Anlehnung an die Präsentation von Franz Embacher
Institut für Theoretische Physik
Universität Wien
Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110
Gesetz von Hubble
Neben dem Gravitationsgesetz und den 3 Gesetzen von
Kepler gilt ein weiteres wichtiges Gesetz:
v = Ho * r
Gesetz von Hubble
v: Geschw. der Galaxie relativ zur Erde
Ho: Hubblekonstante (75 km s-1 Mpc-1)
r: Entfernung von der Erde
Gesetz von Hubble
Dieses Gesetz ist eine Folge aus dem von Hubble
gefundenen Zusammenhang :
Geschwindigkeit v – Rotverschiebung z
λ …die beobachtete
Wellenlänge
λo ..die vom Objekt ausgesandte Wellenlänge
z …Rotverschiebung
z = (λ-λo)/λo
Warum expandiert das Universum?
Erklärung dafür liefert die ART!
(Massen müssten sich anziehen)
Beschreibung: Friedmann-Gleichung
Vermutung: Es gab eine Singularität (Urknall)
Der Urknall als Singularität
• Ende (Anfang) von Raum und Zeit
„Vor“ dem Urknall „gab“ es weder Raum noch Zeit
• Dichte und Druck  unendlich
Das frühe Universum?
Anfang: Superkraft (Raum, Zeit, Materie, Strahlung sind nicht
unterscheidbar!)
Das frühe Universum?
Anfang:
T ≈ 1032 K
Dichte ρ ≈ 1097kg/m3
4 Grundkräfte in der Natur – sie entstehen der Reihe nach:
Gravitation
starke Kernkraft
schwache Wechselwirkung
elektromagnetische Kraft
1. Abspaltung: Gravitation (nach der Planck-Ära: 10-43s)
die anderen drei bilden die GUT-Kraft
(GUT: Grand Unified Theory)
Planck-Ära: keine physikalischen Gesetze
Das frühe Universum?
2. Abspaltung: starke Kernkraft nach 10-36s und T ≈ 1027 K
3. Abspaltung: nach 10-12s und T ≈ 1016 K
Schwache Wechselwirkung und elektromagnetische Kraft
spalten sich ab
4 Grundkräfte - Übersicht
Allgemeine Relativitätstheorie
• „Materie krümmt den Raum“
Materiedichte und Druck krümmen die Raumzeit
(„Friedmann-Gleichung“)
• Die Rolle des Drucks (und der „Zustandsgleichung“)
der Materie ist wichtig für die Kosmologie.
• Die ART sagt für gewöhnliche Materie eine Expansion
des Universums voraus.
Was ist Krümmung?
Krümmung = Verletzung der Gesetze
der euklidischen Geometrie
Geometrie des Universums
Ist das Universum offen oder geschlossen
Zusammenhang zwischen Geometrie und Dichte
?
Offen oder geschlossen?
Zusammenhang zwischen Geometrie und Dichte:
H0
Dichte < kritische Dichte
offen
(„negativ gekrümmt“)
Dichte = kritische Dichte
(kritischer Grenzfall)
offen („flach“)
Dichte > kritische Dichte
geschlossen
(„positiv gekrümmt“)
Offen oder geschlossen?
Für ein materiedominiertes Universum: Zusammenhang
mit der Zeitentwicklung:
expandiert ewig
expandiert ewig
(kritischer Grenzfall)
rekollabiert
(„Big Crunch“)
Wie alt ist das Universum?
Aktueller Wert: t 0 = 13.7
 0.2 Milliarden Jahre
Probleme des Standardmodells
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Der Urknall
Kosmologischer Horizont
Horizontenproblem
Flachheitsproblem
Dunkle Materie und dunkle Energie
Kosmologische Konstante?
Flachheitsproblem
Wieso ist die heutige Dichte so nahe an der
kritischen Dichte?
Zusammenhang zwischen Dichte und Geometrie  das Universum
ist nahe an der „kritischen Grenze“ zwischen offen und geschlossen.
Vermutung: Dichte = kritische Dichte
Flachheitsproblem
„fine tuning“
3 Modelle: Dichten 1 Nanosekunde nach dem Urknall
Dunkle Materie und dunkle Energie
Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:
Kosmologische Konstante?
• Einsteins „größte Eselei“
• Vakuumenergie, negativer Druck
• Entfernung-Rotverschiebungs-Messungen
an Typ Ia Supernovae
 Abweichung vom Hubble-Gesetz,
beschleunigte Expansion?
• Kosmologische Konstante, dunkle Energie?
Ist das Universum heute materiedominiert oder
dominiert von dunkler Energie?
Wie wird sich das Universum weiterentwickeln?
Zur Zeit scheint es beschleunigt zu
expandieren.
Aktuelle Vermutung:
Vorhandensein von Raumzeit-Wellen
Sie treiben die beschleunigte Expansion an.
Anisotropie der Hintergrundstrahlung
COBE, 1992
DT
-6
= 6  10
T
Anisotropie der Hintergrundstrahlung
WMAP, 2003
DT
-6
= 6  10
T