Die beschleunigte Expansion Franz Embacher Vortrag im Rahmen von University Meets Public VHS...

Die beschleunigte Expansion

Franz Embacher

Vortrag im Rahmen von University Meets PublicVHS Meidling, 12. 3. 2012

Fakultät für Physik

Universität Wien

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

Andromeda-Nebel M31 mit M32 und M110

HST Deep Field

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

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Die Expansion des Universums in der Theorie

Masse M

gleiche Zeitentwicklung wie die Bewegung einer Probemasse im Gravitationsfeld einer Punktmasse M !

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“ . 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!

MaterienormalesVerhalten(z.B. Gas)

Energieinhaltwird vergrößert.

Energieinhaltwird verkleinert. positiver Druck

VakuumE ~ V

Energieinhaltwird verkleinert.

Energieinhaltwird vergrößert. 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 D0

Hubble-Konstante(Hubble-Parameter)

H = 71km/s

Mpcheutiger Wert: (1 Mpc = 3.26 Mio Lichtjahre)0

Das Universum dehnt sich aus

Das Universum war früher kleiner Urknall !

Das Universum istheute (fast) flach.

Wo fand der Urknall statt?

Wo?

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

a(t) = Länge zur Zeit t

Länge heute

Das expandierende Universum

• Einstein bezeichnet die „kosmologische Konstante“ als seine „größte Eselei“ und entfernt sie aus seinen Gleichungen!

2 4 6 8 1 0t M rd J ah re0 .0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

at

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

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.

Kosmische Hintergrundstrahlung

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:

Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die Entfernung abgeschätzt werden.

Doppelsternsystem

Materiefluss

„Zündung“ bei Erreichen einer kritischen Masse

weißer Zwerg

Supernova September 2011 in M101

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!

Modell: Materiedominiertes Universum

2 4 6 8 1 0t M rd J ah re0 .0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

at

Modell: Universum mit Vakuumenergie

2 4 6 8 1 0 1 2 1 4t M rd J ah re0 .0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

at

Überprüfung von Weltmodellen

• Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen überprüft werden?

• Rotverschiebung Geschwindigkeit der Quelle• Hubble-Gesetz

• Rotverschiebungs-Entfernungs-RelationBeziehung zwischen

• z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts

• D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der Aussendung des Lichts

v = H D0

Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc)

direkt messbar

indirekt messbar

nicht messbar

Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation

0 1 2 3 4 5 6z0

5 0 0

1 0 0 0

1 5 0 0

2 0 0 0

D M p c vakuumdominiertes

Modell

materiedominiertes Modell

Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998)

0 1 2 3 4 5 6z0

5 0 0

1 0 0 0

1 5 0 0

2 0 0 0

D M p c

Ergebnisse

Supernova Cosmology Project High-Z SN Search

ZusammenführungverschiedenerBeobachtungen

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

10 kg/m26 3 10 J/m9 3bzw.

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/