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Reise zum Urknall mit Hubble und COBEWarum die Physiker glauben, dass die Welt
vor 14 Milliarden Jahren entstanden ist
Wissenschaft für alleMittwoch, 6. Dezember, 14h im Hörsaal
Fritz Bosch, GSI
www-ap.gsi.de/bosch: Reise zum Urknall; Lavilla 2004; Wie alt ist die Welt ?...
Der bisher tiefste Blick in Raum und Zeit
I Meilensteine der Astronomie bis 1929II Die Hinweise auf einen Anfang der WeltIII Vom Urknall bis heute – und von heute bis ??
Er führt ihr Heer vollzählig heraus und nennt sie alle mit Namen Jesaja 40, 26
Aber Du hast alles geordnet nach Maß, Zahl und Gewicht, Weisheit Salomos 11, 21
I Meilensteine der Astronomie
Galileo Galilei, 'Il sagittario' um 1630
La filosofia è scritta in questo grandissimo
libro, io dico l' universo...
Egli è scritto in lingua matematica,
ed i caratteri son triangoli, cerchi ed altre
figure geometriche...Senza questi è un aggirarsi vanamente
per un oscuro laberinto.
Der Beginn der mathematischenBeschreibung der Wirklichkeit
in der Neuzeit G. G. 1564 - 1642
Isaac Newtons Gravitationsgesetz von 1687Isaac Newtons Gravitationsgesetz von 1687
Fg = G m1 m2 / r2
Philosophiae naturalisprincipia mathematica
Heinrich W. Olbers 1815: Heinrich W. Olbers 1815:
Warum ist es Warum ist es nachts überhaupt dunkel ?
Dunkel ist die Nacht, bei Gott ist LichtGoethe, West-Östlicher Divan
Das Paradoxon von Olbers
Die Zahl der Sternenimmt mit r3 zu
Ihr Licht nimmt nurmit 1/r2 ab
→ Wenn das Universumunendlich ist, und die
Sterne "ewig" scheinen, muss jede Stelle des Himmels hell wie die
Sonne sein
r
Es kann nicht unendlich viele Sterne geben, die "ewig" da sind
...eppur si muove.
...und sie bewegt sich doch. Galilei zugeschrieben
Die Erde dreht sich...endgültigFoucault-Pendel, seit 1850 im
Pantheon in Paris
Die Welt wird einheitlich Spektralanalyse → "→ "Fingerabdruck" der Elemente
"Alphabet" des Universums
Fraunhofer entdeckt 1816 dieAbsorptionslinien der Sonne
Kirchhoff und Bunsen entwickeln 1859 die Spektralanalyse
Wär' nicht das Auge sonnenhaft, die Sonne könnt' es nie erblicken... Goethe, Zahme Xenien
Die Sterne kommen nach HeidelbergDie Sterne kommen nach Heidelberg
Absorption ↔ Emission HD, Hauptstraße 52
Der Beginn der Quantenphysik am Der Beginn der Quantenphysik am 6. Dezember 1900 1900
Max Planck verknüpft die Sterne mit den Atomen
Man lernt, Temperatur T und Geschwindigkeitder Sterne zu bestimmen
Die Energie E eines Photons ist bestimmt durch seine Wellenlänge λ (Frequenz ν),
das Plancksche Wirkungsquantum h und die Lichtgeschwindigkeit c :
E = h c/λ = h ν
λMax T = 0,29 [cm K]
Max Planck 1858 – 1947
Begründer der Quantenphysik
Jede Energie im Universum ist ein
Vielfaches des"Wirkungsquantums h"
x einer Frequenz
h = 4,1 x 10 -15 [eV s]
E (Photon) = h ν
Stefan und Boltzmann bestimmen die Leuchtkraft Lder Sterne: L = 4 π σ R2 T4
L (Sonne) = 400 000 000 000 000 000 000 000 000 Watt
R = 700 000 km
T = 5800 K
Zusammensetzung und Temperatur neu entstehender Sterne
H2-Wolken im Sternbild Adler
''Eines der wichtigsten Probleme der Astronomie war und ist dieEines der wichtigsten Probleme der Astronomie war und ist die
Entfernungsbestimmung
Er hat euch die Gestirne gesetzt, als Leiter zu Land und See. Goethe, West-Östlicher Divan
Das Universum wird 100 000 -mal größer :Das Universum wird 100 000 -mal größer : 10 Lichtjahre
Erste Messung von Sternparallaxen (Wega) durch Bessel und Struve 1837
3,26 Lichtjahre [ "1 parsec (pc)"] = Entfernung, aus der man den halben
Durchmesser der Erdbahn(150 Millionen km) unter einem Winkel
von einer "Bogensekunde" sieht
•
5 cm
10 km
'Eichkerzen für noch viel größere Entfernungen
Henrietta Leavitt entdeckt 1908 die 'Delta - Cepheiden' : periodisch pulsierende Sterne mit bekannter Leuchtkraft
Wer stellt es ins Gestirn und gibt das Maß des Abstands? Rilke, IV. Duineser Elegie
☻
☻☻
aaaaaaEdwin Hubble 1922 an 'seinem' 100-Zoll Teleskop
auf dem Mount Wilson, Ca
Teleskope öffnen die Tiefen des Universums
...und der Himmel da oben, wie ist er so weit! W. Müller, F. Schubert, Die schöne Müllerin
Unsere Milchstraße ist nur ein Unsere Milchstraße ist nur ein SandkornSandkornHubble entdeckt 1920, dass der Andromedanebel M31 eine eigenständige Galaxis ist
...unsere Milchstraße ist nur ein Sandkorn
..und sie wissen unendlich, alle die Sterne: denn wie, wie, wie sie vergessen! Rilke, VII. Duineser Elegie
Newtons Raum und Zeit
Es gibt einen 'Weltmaßstab' Es gibt eine 'Weltzeit'
Alex in Berlin
Kant: Raum und Zeit sind unsere 'Anschauungsformen'
Es gibt einen absoluten Raum und eine absolute Zeit, unabhängig von uns
und unabhängig von dem, was "darin" ist
"Zeit ist, was man mit der Uhr misst"EinsteinEinstein
...aber der Gangder Uhren hängtab vomBezugssystem
1905: Spezielle Relativitätstheorie
...der fliegende Pfeil ruht. Zenon
Der Gang einer Uhr bewegten Uhr ändert sich
→ Zeitdilatation, Längenkontraktion
'Gegenwart' ist relativ
Die Lichtgeschwindigkeit ist immer gleich
→ unser 'Horizont' ist endlich
E = mc2
Die Maßstäbe für Raum und Zeit werdenabhängig vom Bezugssystem
....es gibt mehr Myonen auf der Erde,als unsere Schulweisheit sich
träumen lässt...
(fast) Hamlet
1916 Allgemeine Relativitätstheorie:1916 Allgemeine Relativitätstheorie:Raum und ZeitRaum und Zeit sind sind keine leeren 'Gefäße' leeren 'Gefäße'
Materie und Energie erzeugen erst die Geometrie der Raumzeit
Rμν – 1/2 R gμν – Λ gμν = 8π G/c4 Tμν
Die Allgemeine Relativitätstheorie von 1916 verlangt die Invarianz der Naturgesetze in allen Bezugssystemen
die 'Metrik' der Raum-Zeit, d.h. die Geometrie des Raums
und der Gang von Uhren ergibt sich aus der Verteilung von
Masse und Energie; Licht wird von Materie abgelenkt.
die Zeit hängt von der jeweiligen Schwerkraft ab; für extreme
Dichten 'hört sie auf' : 'Schwarzes Loch' bzw. 'Ereignishorizont'
die vierdimensionale Raumzeit ist endlich, aber grenzenlos
sie hat für uns einen 'Horizont'
Im Zentrum der Milchstraße (Sternbild des Schützen = sagittarius, Sgr ) befindet sich
bei Sgr A* ein riesiges Schwarzes Loch von etwa vier Millionen Sonnenmassen.
M21
M20 TrifidnebelM8 Lagunennebelδ = - 240 23', α = 18h 03m
ε Sgr Kaus Australis, 145 Lj.δ = - 340 23', α = 18h 24m
Kaus Borealis
δ Sgr
● Sgr A* δ = - 290 00'
α = 17h 46m
25 000 Lj.
γ Sgr
σ Sgr
τ Sgr
ζ Sgr
φ Sgr
II Die Hinweise auf einen Anfang der Welt: 1. Hubbles Entdeckung der Hubbles Entdeckung der universellen 'Rotverschiebung' 1929
Spektrallinien sind rotverschoben proportional zur Geschwindigkeit 'von uns weg'
Wellenlänge λ
Dopplereffektλ' = λ (1 + v/c)(λ' – λ) / λ = v/c
An diese Daten eine Geradeanzupassen, war sehr mutig
- oder genial – oder:
"Scharlatan", "Ignorant","Phantast", "Nikotinsüchtiger","Alkoholiker im Delirium"...
Hubbles kühne Deutung 1929 :
1. Man würde an jeder Stelle dasselbe beobachten
2. Der Raum (die Raumzeit) selbst dehnt sich aus
Zweidimensionale Mathematiker könnten das Analoge auf einem Luftballonbeobachten –aber nicht erklären, was die "dritte Dimension" ist
Expansionsgeschwindigkeit pro Entfernung = 'H'
seit dem Beginn abgelaufene Zeit : TU = 1/H = 14 Milliarden J.
eine 1 Million pc ( 1 Mpc) entfernte Galaxie bewegt sich mit 70 km/s von uns weg→ H = "Hubblekonstante" = 70 km/ [s Mpc]
lässt man den Ballon nun wieder gleichförmig "schrumpfen", dann ist die
"Eigenbewegungen" :
Erdrotation 300 m/s; Erde um Sonne Erdrotation 300 m/s; Erde um Sonne 30 km/s; Sonne um Zentrum ; Sonne um Zentrum der Milchstraße der Milchstraße 200 km/s; Milchstraße in Richtung Virgo ; Milchstraße in Richtung Virgo 350 km/s
Man muss viele Millionen Lichtjahre weit weggehen, um die "kosmische Expansion" zu messen
Virgo-Haufen
1994 entdeckte W.L. Freedman mit dem Hubble-Teleskop1994 entdeckte W.L. Freedman mit dem Hubble-Teleskop
50 Millionen Lichtjahre entfernte Delta-Cepheiden in M100
Periode = 27 Tage20 000 – fache Leuchtkraft
der Sonne
Aus der bekannten Leuchtkraft → Entfernung = 15 Megaparsec
Aus der Rotverschiebung → Expansionsgeschwindigkeit
= 1080 km/s
H = 72 km/s pro Megaparsec
1/H = TU = Alter der Welt :
13,4 Milliarden Jahre
Konstante Expansion vorausgesetzt
H = 72 km/s pro MegaparsecW.L. Freedman, Nature 371 (1994) 757
M100 im Virgohaufen
II.2 Die Entdeckung der II.2 Die Entdeckung der 33 Kelvin Hintergrundstrahlung 1963
Bei der Untersuchungder Milchstraße
entdeckten Arno Penziasund Robert Wilson eine
absolut gleichförmige,isotrope Strahlung im Mikrowellenbereich
Physik-Nobelpreis 1978
Hornantenne
COBE – Cosmic Background Explorer Far Infrared Absolute Spectrometer
Diffuse Microwave Radiometer
10. November 1989 NASA Goddard SFC
Flüssiges Helium 2 K = - 271 0C
Das älteste "Photo" der Welt Das älteste "Photo" der Welt
rot = mehr als 1 Promille "heißer" blau = mehr als 1 Promille "kälter" als der Mittelwert von 2, 735 K
Milchstraße rast Richtung Leo/Virgo mit ≈ 350 km/s: "Doppler-Effekt"
← Strahlung aus der Milchstraße
Es gibt eine gleichförmigeMikrowellenstrahlung
mit dem Maximum bei einerWellenlänge von 1 mm
Sie ist
(nahezu) isotrop
entspricht perfekteinem 'Schwarzen
Strahler' mit T = 2,735 K
ist dopplerverschobenin Richtung Leo/Virgo
entsprechend der 'Reise'unserer Milchstraße mit
350 km/s
Physik - Nobelpreis 2006 für die "Väter" von COBE Physik - Nobelpreis 2006 für die "Väter" von COBE
John C. Mather NASA Goddard SFC
George F. Smoot Univ. of Berkeley
(David T. WilkinsonUniv. of Princeton)
Die Abkopplung von Strahlung und Materie
bei ca. 3000 K:
Wasserstoffatomewerden neutralLicht wird 'frei'
Wellenlänge wird bis heute1000-mal größerTemperatur wird1000-mal kleiner
Da schied Gott das Licht von der Finsternis undnannte das Licht 'Tag' und die Finsternis 'Nacht'
Genesis 1,4
Die vor 13 Milliarden Jahren freigewordene Strahlung erreicht uns heute
Das Universum ist heute tausendmal größer: Wellenlänge von 0.001 mm → 1mm; Temperatur von 3000 K → 3 K
••
•• •
WMAP
Lagrangepunkt L2: WMAP bleibt immer auf der Verbindunslinie Erde-Sonne, d.h. er kreist synchron mit der Erde um die Sonne
Die heute erreichte Auflösung der 3K Strahlung (WMAP)
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (2001) am "Lagrangepunkt L2"
Die Messwerte WMAPs deuten auf ein 'flaches' Universum
III Vom Urknall bis heute – und von heute bis ??
Vor etwa 13,7 Milliarden Jahren war der "Anfang" (was war vorher ?) Das Universum ist unvorstellbar klein, dicht und heiß (die Physiker schweigen)
Nach etwa 10-35 s riesenhafte Ausdehnung
von 10-25 m auf 1025 m
"Inflation"
Vom Anfang bis heute – im Zeitraffer
Zeit Temperatur Ereignisse
< 10-5 s > 1012 K Quarks/Antiquarks, Strahlung
< 100 s > 1010 K Primordiales Deuterium, Helium...
3 x 105 J. 3.5 103 K Neutrale Atome, 3 K-Strahlung frei 3 x 108 J. 35 K Erste Galaxien und Sterne Synthese der Elemente in den Sternen 9 x 109 J. 3.6 K Bildung unseres Sonnensystems
14 x 109 J. 2.7 K heute
Bildung eines Elektron –Positron -Paars durch ein hochenergetisches Lichtquant
Ungelöstes Rätsel: Warum gibt es uns überhaupt ?Warum wurden nicht alle Teilchen mit ihren Antiteilchen "zerstrahlt" ?
"Größe" des Universums
gegen die Zeit seit dem "Anfang"
für ein homogenes, isotropes Universum nach den
Friedmann-Lemaitre-Gleichungen
Bis 1998 galt das Standard Modell:
'Kritische' Massendichte Ωm
abbremsende Expansion keine 'kosmologische Konstante'
Alter des Universums (2/3 x1/H0)
TU = 10 - 11 Milliarden Jahre
Die 'Revolution' von 1998:
Messung des Hubble-Parameters zu einer Zeit, als
das Universum
2/3 der heutigen Größe hatte
S. Perlmutter, Berkeley,B. Schmidt, B. Leibundgut, ESO
Wie findet man Milliarden von Lichtjahren entfernte Eichkerzen, die man noch sehen kann ??
Supernova Ia :ein 'weißer Zwerg' erreicht die kritische Masse für explosive Kohlenstoff-Fusion. Leuchtkraft und 'Lichtkurve' sind bekannt (?)
Die Augen der Unendlichkeit: auf der Suche nach den entferntesten Supernovae Ia : KECK und VLT
Keck I/II des Caltech auf dem Mauna Kea in Hawaii
Zwei 10-Meter-Spiegel
Very Large Telescope der ESO auf dem Cerro Paranál in Chile :
Vier verbundene 8,2-Meter-Spiegel
Der Hubbleparameter bei
a = 2/3 ist kleiner
als er nach dem'Standardmodell' (grün)
sein sollte!
Es gibt eine rätselhafte
'kosmologische Konstante Λ'
☻
2/3
Das Universum ist
13,7 Milliarden Jahre alt
'flach' (euklidisch)
expandiert immer schneller,
getrieben von einerrätselhaften
kosmologischen Konstanten(dunklen Energie)
Unsere Heimat aus einer Entfernung von einer Lichtsekunde
Apollo 17 am 7. Dezember 1972
Die Bedeutung der Erde im Universum
•
1 LS
5 LS
25 LS
125 LS
. 625 LS
10 Milliarden Lichtjahre = 500 000 000 000 000 x 625 LichtSekunden
Die Weltzeit ist ein Kind...'Mühle' spielend
Von unseren GrenzenWir haben Zettel gefunden, auf denen das Kind einige seiner Züge
aufgeschrieben hat und versuchen mühsam, die Handschrift zu entziffern...
Wir wissen nicht, wer das Kind ist, woher es das Spiel bekommen hat und schon gar nicht, wer die Regeln dieses Spiels gemacht hat...
Wir wissen nicht, ob es auch andere Spielregeln geben könnte...
Wir wissen nicht, warum wir mit der (von uns erfundenen??) Mathematik die Wirklichkeit beschreiben können...
Wir kennen nicht mehr als gerade 4% von dem, was 'ist'
Wir wissen nicht, warum es eine Symmetrieverletzung zwischen Materie und Antimaterie gegeben hat (sonst gäbe es uns nicht)
Wir wissen nicht, was vor dem 'Anfang' war und was nach dem 'Ende' sein wird