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/