Die Entdeckung des Urknalls - KITjwagner/WS1011/... · 2. Matts Roos: An Introduction to Cosmology Wiley, 3th Edition, 2004 3. Lars Bergström and Ariel Goobar: An Introduction to

Die Entdeckung des UrknallsDie Entdeckung des Urknalls

W. de Boer, Karlsruhe 1

Urknall•Unendlich heiße und dichte Anfangssingularität Unendlich heiße und dichte Anfangssingularität,

in der physikalische Gesetze, Raum und Zeit zusammenbrechen

•Anfang von Raum und Zeit

Urknalltheorie

• Beschreibung der Ereignisse unmittelbar nach dem Urknall

• Erste 10‐43 s noch nicht zugänglich mit gegenwärtigen Theorieng g g g g

•Zeitliche Entwicklung des Universum bis heute


Die 3 Säulen der UrknalltheorieDie 3 Säulen der Urknalltheorie

UrknalltheorieUrknalltheorieUrknalltheorieUrknalltheorie

Rotverschiebung/

Hubble‐Expansion

3K Kosmische

Hintergrund‐Nukleosynthese

eweist Materie beweist, es gab einen Urknall

Strahung

beweist, ni ers m ar

eweist, Materie entstand aus einem Plasma

universum war früher heißes

Plasma


Das Universum13.7 billion years

Kosmologiey

95% of energy in universe of unknown natureunknown nature

AstroteilchenphysikAstronomie 102s

Teilchenphysik10-34 s

El t t il h

10-12 s

Urknall

Elementarteilchen


Urknall

Literatur

1 Vorlesungs-Skript/Folien:1. Vorlesungs Skript/Folien:http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/

2. Matts Roos: An Introduction to CosmologyWiley, 3th Edition, 2004

3. Lars Bergström and Ariel Goobar: An Introduction to CosmologyAn Introduction to Cosmology

Springer, 2nd Edition, 2004

4. Bernstein: An Introduction to CosmologyPrentice Hall, 1995


LiteraturPopuläre Bücher:

Weinberg: Die ersten drei Minuten

Silk A h t hi t f th iSilk: A short history of the universe

Hawking: A brief History of TimeHawking: A brief History of Time

Fang and Li: Creation of the Universeg

Parker: CreationVi di ti f th Bi BVindication of the Big Bang

Ledermann und Schramm: Vom Quark zum Kosmos


Ledermann und Schramm: Vom Quark zum Kosmos

Literatur

Bibel der Kosmologie:Bibel der Kosmologie:

Börner: The early UniverseBörner: The early Universe

Kolb and Turner: The early UniverseKolb and Turner: The early Universe

Gönner: Einführung in die KosmologieGönner: Einführung in die Kosmologie


Temperaturentwicklung des Universums


Hubble mit dem 2.5m Teleskop in Palomar (CA) (ca. 1920)und der heutige Hubble Space Telescope (HTS)

Palomar, Kalifornien, USA


Millenium Simulation


Sloan Sky Survey: ⅓ million galaxiesDoppler Verschiebungen ->

Geschwindigkeiten der Galaxien

Universum: 1011 Galaxien1 Galaxie: 1011 Sterne


Unsere Galaxie ist hier

RotverschiebungRotverschiebung

Rel. Doppler‐Verschiebung:

Annäherung v<0: Blauverschiebung

Entfernung v>0: RotverschiebungEntfernung v>0: Rotverschiebung

Erwartung bei statischem Universum: Geschwindigkeiten der Galaxien sind

fälli ilzufällig verteilt.


Das Das UniversumUniversum

EXPANDIERTEXPANDIERTEXPANDIERTEXPANDIERT(entdeckt von Hubble

v(entdeckt von Hubble vor ca. 80 Jahren!)

UND v=Hdd


Hubblesche Gesetz: v=Hd

Jede Rosine (Galaxie)(Galaxie)sieht andere Galaxienvon sich wegfliegen

it Hdmit v=Hd(brauche alsoNICHT im NICHT im Zentrum zu sitzen um

d lld ll b k db k d k hk h

Urknall zu beobachten)


ModellModell: : backenderbackender RosinenkuchenRosinenkuchen

Altersabschätzung des Universum

Berücksichtigung =1/H =2/3

S 1/T t2/3 S t2/3

0=1/H0, uni=2/3 0

Richtige Antwort:

tuni 1/H0 13,7 . 109 a,da durch Vakuumenergied t d gnicht-lineare Termeim Hubbleschen Gesetz

ft t ( t h d

d=vt odert=d/v1/H

Zeit der Ausdehnung auftreten (entsprechendabstoßende Gravitation).

Zeit der Ausdehnung Alter des Universums 13,7 Milliarden Jahre


Wie groß ist das (sichtbare) Universum?

Licht ist die schnellste Kommunikation (Lichtgeschwindigkeit c), so einLichtstrahl kann maximal 13,7 Milliarden Lichtjahre zurückgelegt haben., j g g

Dies entspricht einem Abstand D=ct=3.108 m/s x 13.7 109 Jahre x 3,15 x107 s/Jahr= ca. 1026m

(Unter Berücksichtigung der Expansion: D=3ct)

Dieses sichtbare Teil ist vermutlich ein sehr kleiner Teilunseres Universums

Zum Vergleich: unsere Galaxie ist ca. 6.1020 m groß,D i d 60 000 Li htj h Das sind ca 60.000 Lichtjahre.

Raumschiff mit Lichtgeschwindigkeit braucht also 60.000 Jahreum durch unsere Galaxie zu fliegen!

Es ist gut möglich, dass es schon sehr vielältere Universen gibt denn vermutlich gab es viele “Big Bangs”


ältere Universen gibt, denn vermutlich gab es viele Big Bangs

13.7 billion yearsNucleosynthese

Kosmologiey




El t t il h

10-12 s

Urknall

Elementarteilchen


Urknall

Nukleosynthese


Nukleosynthese

Nach t=1.5 s nur noch Neutronenzerfall und Kernsynthese durch starkeWechselwirkung aber keine schwache Wechselwirkungen mehr


Wechselwirkung, aber keine schwache Wechselwirkungen mehr

Nukleosynthese


Nukleosynthese


13.7 billion years

Kosmische Hintergrundstrahlung

Kosmologiey




El t t il h

10-12 s

Urknall

Elementarteilchen


Urknall


Schwarzkörperstrahlung: ein Thermometer des Universums

Rotverschiebung:z=(-0)/0( 0) 01+z=/0

Erwarte Plancksche Verteilungder CMB mit einer Temperatur

T 2 7 K d T 1/S 1/1T= 2.7 K, denn T 1/S 1/1+z.Entkoppelung bei T=3000 K , z=1100.

T jetzt also 3000/1100 =2.7 K Dies


entspricht λmax2 mm (Mikrowellen)

Bell Labs(1963)

Observing the CosmicMicrowave Background (CMB)

(1963)COBE satellite

(1992)Penzias and WilsonNobel prize 1967 (1992)p

WMAP satellite Mather and SmoothNobel prize 2006(2003) Nobel prize 2006

2003:WMAP: universe is flat, which implies an energy density


which implies an energy density ρcritical=2.10-29 g/cm3

Th l hThe oval shapesshow a sphericalsurface, as in aglobal map Theglobal map. Thewhole sky canbe thought ofas the inside of

ha sphere.Patches in thebrightness areabout 1 part in100,000 = abacterium on ab li b llbowling ball =60 meterwaves on thesurface of the


surface of theEarth.

Licht des frühen Universums sichtbarals kosmischer Hintergrundstrahlung (CMB)


Dichtefluktuationen zeigen Wellencharakter, sowohl im Ozean als in der CMB

WMAP

http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=4724Blick vom Satelliten auf die ErdeBlick vom Satelliten ins Universum

WMAP

Temperatur des Universum: 2.7250,001K mit kleinen Schwankungen


p , gvon einigen K durch akustische Wellen im Plasma des Urknalls

Entwicklung des Universums

Early Universe

Th C iThe Cosmic screen

i


Present Universe

Warum akustische Wellen im frühen Universum?

Definiere: δ=Δρ/ρ P

F=maρ ρ

Newton: F=maδ``+ (Druck Gravitation) δ=0

FG

δ + (Druck-Gravitation) δ=0

Lösung:Druck gering: δ=aebt ,

d.h. exponentielle Zunahme von δd.h. exponentielle Zunahme von δ(->Gravitationskollaps)Druck groß: δ=aeibt , d h Oszillation von δd.h. Oszillation von δ

(akustische Welle)

Rücktreibende Kraft: Gravitation


Rücktreibende Kraft: GravitationAntreibende Kraft: Photonendruck

Die Die erstenersten akustischenakustischen WellenWellen des des UrknallsUrknalls

a) Gas wird durch Gebiete mit Überdichte angezogen

dunkelhellV dü

Verdichtung dunkelVerdünnunghell

b) Es expandiert nach Kompression durch Überhitzung

Verdünnung Verdünnung

b) Es expandiert nach Kompression durch Überhitzung

dunkel hellh ll dunkelVerdünnung

hellVerdichtung

hellVerdichtung

c) Es komprimiert wieder nach Abkühlung


DieseDiese oszillierendeoszillierende DichteschwankungenDichteschwankungen SIND SIND akustischeakustische WellenWellen

Akustische Peaks

1. akust. Peak

t=trec (=380.000a)

t=1/2trec t=1/2trec2 akust Peak2. akust. Peak

t 1/3tW. de Boer, Karlsruhe 32

t=1/3trec 3. akust. Peak

Akustische Wellen im frühen Universum

Ü


Überdichten am Anfang: Inflation

Klang des Urknalls nach 380.000 Jahren (transponiert um 50 Oktaven nach oben)

Click forsound Beachte:

m Anf n b

©Mark Whittle

acoustic am Anfang gabes keinen Knall,

sondernabsolute Ruhe!

non-acousticabsolute Ruhe!

03av

er 2

00

A220 Hz

Line

wea

W. de Boer, Karlsruhe 34Frequency (in Hz)

A “broad” note sounds quite different from a pure toneThe difference seems greatest for the lowest note.

Single toneSingle tonePure sine wave

Spread of tones~200 Hz range


Warum sind Töne des Urknalls so tief?

WEIL DAS UNIVERSUM SO GROß IST!

©Mark Whittle


Licht wird gekrümmt wenn Energiedichte 0

Nach Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie: Licht wird in einem Gravitationsfeld abgebogen.

This picture made Einstein famous

MondMoonSunStars

Earth

Nur wenn die gesamte Gravitationsenergie gleich Null, bewegt sich Licht auf gerade Linien (“flat universe”)g g

Beachte: wenn Masse des Sterns so groß ist, dass Licht gefangen wird, dann hat man ein schwarzes Loch.

Entsteht nur wenn Stern ausgebrannt ist und Masse auf ein kleines


Entsteht nur wenn Stern ausgebrannt ist und Masse auf ein kleinesVolumen zusammenstürzt (nach Supernovae Explosion)

Position des ersten akustischen Peaksbestimmt Krümmung des Universums


Position des ersten Peaks

Berechnung der Winkel, worunter mandie maximale Temperaturschwankungen der Grundwelle beobachtet:

Raum-Zeit x

t Inflationder Grundwelle beobachtet:

Maximale Ausdehnung einer akust. Wellezum Zeitpunkt trec: c * trec (1+z)

t

Entkopplungzum Zeitpunkt trec: cs trec (1+z)Beobachtung nach t0 =13.8 109 yr.Öffnungswinkel θ = cs * trec * (1+z) / c*t0 Mit (1 ) 3000/2 7 1100 nd Mit (1+z)= 3000/2.7 =1100 und trec = 3,8 105 yr und Schallgeschwindigkeitcs=c/3 für ein relativ. Plasma folgt: θ 0 01 5 10 ( l (kl ) R k )max. T / T θ = 0.0175 = 10 (plus (kleine) ART Korrekt.)

Beachte: cs2 ≡ dp/d = c2/3, da p= 1/3

max. T / Tunter 10

Schlussfolgerung aus Position des ersten akustischen Peaks:Universum ist flach d h Gesamtenergie U+T=0!


Universum ist flach, d.h. Gesamtenergie U+T=0!Oder Universum hat “kritische Dichte”.

Berechnung der kritische Dichte nach Newton

MM mv

DimensionsloseDichteparameter:


WMAP analyzer tool


http://wmap.gsfc.nasa.gov/resources/camb_tool/index.html

Schlussfolgerungen aus Beobachtungen der kosmischenHintergrundstrahlung (CMB=Cosmic Microwave background)

Das Universum war am Anfang unglaublich heiss(wegen der hohen Intensität der heutigen CMB: 400 Photonen/cm3)(wegen der hohen Intensität der heutigen CMB: 400 Photonen/cm3)

Position des ersten akustischen Peaks zeigt:

Licht geht gerade aus, d.h. keine gekrümmte Bahnen, d.h.

Gesamtenergiedichte entspricht kritische Dichte vonGesamtenergiedichte entspricht kritische Dichte vonca. 2.10-29 g/cm3

Dies ist MEHR als die bekannte Materie, die nur4% d k iti h Di ht ht!4% der kritischen Dichte ausmacht!

Daher 96% der Energie ist unbekannter Natur!!!!


Energieinhalt des Universums

Nur Atome gut verstanden, d.h.96% d E i96% der Energiedes Universumsvöllig unbekannt!völlig unbekannt!

„Dark Energy“ sindgyQuantenfluktuationen?

C ld D k M tt “ i d„Cold Dark Matter“ sindsupersymmetrische

Partner der Photonen?WIMP=Weakly Interacting

Massive Particle Partner der Photonen?LHC wird diese produzieren?

Unterschied zwischen DE und DM:Vorzeichen der Gravitation: DE hat


pabstoßenden Gravitation

Vakuumenergie abstoßende Gravitation


Vakuumenergie and cosmological constant both produce repulsive gravity equivalent!

Erste Evidenz für Vakuumenergie


SNIa compared with Porsche rolling up a hill

SNIa data very similar to a dark Porsche rolling up a hill and reading speedometer regularly, i.e. determining v(t), which canregularly, i.e. determining v(t), which can

be used to reconstruct x(t) =∫v(t)dt. (speed distance, for universe Hubble law)

This distance can be compared laterpwith distance as determined from the

luminosity of lamp posts (assuming same brightness for all lamp posts)p p

(luminosity distance, if SN1a treated as ‘standard’ candles with known luminosity)

f h f l f h If the very first lamp posts are further away than expected, the conclusion must be that the Porsche instead of rolling up the hill used its engine, i.e. additional acceleration instead of

decelaration only.(universe has additional acceleration (by dark

) d f d l l )


energy) instead of decelaration only)

Perlmutter 2003Perlmutter 2003AbstandAbstand

Zeit


Vergleich mit den SN 1a Daten

SN1a empfindlich für Beschleunigung, d.h.u gu g, . .

- m

CMB empfindlich für totale Dichte d.h.

+ m

( )


= (SM+ DM)

13.7 billion years

Indirect DM detection

Kosmologiey




El t t il h

10-12 s

Urknall

Elementarteilchen


Urknall

Expansion rate of universe determines WIMP annihilation cross section

Thermal equilibrium abundance

A t l b d

T>>M: f+f->M+M; M+M->f+fT<M: M+M->f+fT=M/22: M decoupled stable densityActual abundance

ity

T=M/22: M decoupled, stable density(when annihilation rate expansion-rate, i.e. =<v>n(xfr) H(xfr) !)

er d

ensi

WMAP -> h2=0.1130.009 -><v>=2.10-26 cm3/s

ng n

umb

DM increases in Galaxies:1 WIMP/coffee cup 105 <ρ>.DMA ( 2) t t i

T=M/22Com

ovin DMA (ρ2) restarts again..

Annihilation into lighter particles likeT=M/22C

x=m/T

Annihilation into lighter particles, likequarks and leptons -> 0’s -> Gammas!

Only assumption in this analysis:


x m/TJungmann,Kamionkowski, Griest, PR 1995

y p yWIMP = THERMAL RELIC!

50WS08/09

Indirekte Suche nach Dunkler Materie

A ihil ti s d ktAnnihilationsprodukteDunkler Materie:

Gamma rays(EGRET, FERMI)

Positronen (PAMELA)

Antiprotonen (PAMELA)

e+ + e-(ATIC, FERMI, HESS, PAMELA)

Neutrinos (Icecube, no results yet)


e-, p ertrinken in kosmischer Strahlung

G F 5000 cm2 srG.F. 5000 cm2 srExposure > 3 yrs


dP/P2 ~ 0.004 2.5 TV, p rejection = 10-5 (ECAL +TRD); Δx=10µm; Δt=100ps

AMS to be launched in 2011

AMSAMS


Model of AMS-02 on ISS


Zum Mitnehmen

a) Der Urknall experimentell bewiesen u.a. durch

• die Hubble Expansion der Galaxien mit v=Hd• die Kernsynthese

di k i h Hi d hl d• die kosmische Hintergrundstrahlung aus demfrühen Universum mit akustischen Peaks des Urknalls,d h man hat den Urknall “gehört”d.h. man hat den Urknall gehört .

b) G ß F n d K m l i nd T il h nph ik:b) Große Fragen der Kosmologie und Teilchenphysik:

• Woraus besteht 95% der unbekannte Energie des Universums?g m(dunkle Materie, dunkle Energie, ….)

• Antworten erhofft vom LHC und Raumfahrtexperiment AMS


Antworten erhofft vom LHC und Raumfahrtexperiment AMS

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