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Teleskope: Galaxien

WMAP Satellit: Fernsehschüssel, womit man

das Licht des Urknalls “gesehen“ hat.

Mini-Urknallim Labor mitTeilchenbeschleunigerhergestellt

Einführung in dieKosmologie

Urknall

13.7 Milliarden Jahre

10-34 s

95% der Energie des Universums unbekannter Natur

10-12 s

102s

Beobachtungen

380.000Jahre

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Einteilung der VL

0. Einführung1. Hubblesche Gesetz2. Gravitation3. Evolution des Universum4. Temperaturentwicklung/Kernsynthese5. Kosmische Hintergrundstrahlung6. CMB kombiniert mit SN1a7. Strukturbildung8. Neutrinos9. Grand Unified Theories10.-13 Suche nach DM

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Literatur1. Vorlesungs-Skript: http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/

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

3. Lars Bergström and Ariel Goobar: An Introduction to Cosmology Springer, 2nd Edition, 2004

4. Bernstein: An Introduction to Cosmology Prentice Hall, 1995 5. Dodelson: Modern Cosmology Academic Press 2003

6. Ryden: Introduction to cosmology Addison 2003

hauptsächlichbenutzt

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Literatur

Weitere Bücher:

Weigert + Wendker, Astronomie und Astrophysik

Populäre Bücher:Silk: A short history of the universeWeinberg: Die ersten drei MinutenHawking: A brief History of TimeFang and Li: Creation of the UniverseParker: Creation Vindication of the Big BangLedermann und Schramm: Vom Quark zum Kosmos

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Literatur

Bibel der Kosmologie:

Börner: The early UniverseKolb and Turner: The early UniverseGönner: Einführung in die Kosmologie

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Übungen Kosmologie

Vorlesung : Einführung in die Kosmologie de Boer 2 SWSDo 14:00 – 15:30 Seminarraum 10.1, PHH (ÄNDERUNG!!!)

Übungen de Boer, Iris Gebauer 1 SWS Di.14:00 - 15:30 Sem. 8.2 PHH 30.23 (ab. 30.10 )

Folien auf: http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/Lehre

Übungen auf: http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~gebauer/

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Die Säulen der Urknalltheorie

Die Urknalltheorie ist eine wohl definierte Theorie, die an Hand von DATEN entwickelt wurde!

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Allgemeine Relativitäts-theorie beschreibt Entwicklung von Raum und Zeit

Auch Licht empfindet Schwerkraft

Albert Einstein

Väter der Urknalltheorie

löst 1922 die Feldgleichungen der ART für eineisotrope undhomogene MassenverteilungLösung zeitabhängig!

Georges Lemaître

zeigt 1948, wie sich der Kosmos aus einem heißen Anfangszustand entwickelt haben könnte und sagt die kosmische Hintergrundstrahlung voraus.

Alexander Friedmann

entwickelt 1927 eine Theorie, der zufolge das Universum einst als einziges Teilchen begann.

George Gamow

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Universum ist homogen und isotrop auf großen Skalen

homogen,nicht isotrop

nicht homogen, isotrop

Dichte beigroßen znimmt ab,weil vieleGalaxien

nicht mehrsichtbar.

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Wichtigste Errungenschaft der Kosmologie

96% der Energie UNBEKANNTER NATUR!Zwei Komponenten: DM mit anziehender Gravitation

und DE mit abstoßender GravitationGesamtenergie = kin. Energie+ pot. Energie =0

(Welt aus einer Quantenfluktuation hervorgegangen?

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Unsere Galaxie ist hier

3 Milliarden Lichtjahre

(~20% zum “Rand”)

Sloan Sky Survey: ⅓ million galaxiesDoppler Verschiebungen ->

Geschwindigkeiten der Galaxien

Universum: 1011 Galaxien1 Galaxie: 1011 Sterne

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Sloan Digital Sky Survey Teleskop in Arizona, USA

12

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

Palomar, Kalifornien, USA

Hubble Space Telescope

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Expansion des Universums

Messungen ergeben, dass sich scheinbar alle Galaxien von uns wegbewegen.

Galaxien bewegen sich nicht selbst, sondern werden mit der Raum-Zeit mitgetragen.

Rosinenkuchenmodell

Da sich alle Galaxien voneinander entfernen, ist keine Aussage zu treffen, wo sich der Mittelpunkt des Universums befindet

Je weiter die Rosinen voneinander entfernt sind,je schneller fliegen sie aus

einander: v=Hd(v=Geschwindigkeit zwischen 2

Rosinen auf Abstand d,H=Konstante)

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Geschwindigkeitsmessung

Um das Hubble-Gesetz verifizieren zu können, kann man die Geschwindigkeit und den Abstand entfernter Galaxien messen. Die Geschwindigkeit einer Galaxie ergibt sich aus der Rotverschiebung der Wasserstoffspektrallinien (wie bei Radarmessungen der Polizei -> Geschwindigkeit)

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Abstandsmessung

Entfernungsmessungen beruhen darauf, dass man gemessene Helligkeit mit ihrer Strahlungsleistung vergleicht.

Beispiele für sogenannte „Standardkerzen“: (Details VL2) RR-Lyrae-Sterne Cepheiden (pulsierende Sterne) Supernovae vom Typ la

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Messdaten

Proportionalitätsfaktor zwischen v und D wird nach Entdecker Hubble-Konstante genannt.

H = Expansionsrate = v/D = h 100 km/s/Mpc (VL2) h = 0.71+-0.03 = Hubblekonstante in Einheiten von 100 km/s/Mpc

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EXPANDIERTDas Universum

Starkster Beweis für den Urknall!

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Hubblesches Gesetz in “comoving coordinates”

d

D

D = S(t) dS(t) = zeitabhängige Skalenfaktor, die die Expansion berücksichtigt.Durch am Ende alle Koordinaten mit Skalenfaktor zu multiplizieren, kann ich mit einem festen (comoving) Koordinatensystem rechnen.

Beispiel:D = S(t) d (1)Diff, nach ZeitD = S(t) d (2)oderD = v = S(t)/S(t) D Oder v = HDmit H = S(t)/S(t)

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Alter des Universums aus v=HD

H=v/D=71.4 (km/s)/Mpc=71400 (m/s)/(3.1*1022m)

T=1/H=D/v=1/71400(m/s)*3.1*1022 (m)=4.3*1017 s/(3.15*107 s/Jahr)=1.38 1010 Jahre =

13.8 Milliarden Jahre (= 13.8 Gyr)

Problem bei dieser Abschätzung: v nicht konstant, sondern nimmt ab durch gravitative Abbremsung

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Wie groß ist das (sichtbare) Universum?

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

Licht ist die schnellste Kommunikation (Lichtgeschwindigkeit c), so ein Lichtstrahl kann maximal 13,8 Milliarden Lichtjahre zurückgelegt haben.

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

Dieses sichtbare Teil ist vermutlich ein sehr kleiner Teilunseres Universums

Zum Vergleich: unsere Galaxie ist ca. 6.1020 m groß,Das sind ca.100.000 Lichtjahre.

Raumschiff mit Lichtgeschwindigkeit braucht also 100.000 Jahreum durch unsere Galaxie zu fliegen!

Problem bei dieser Abschätzung: Universum expandiertgleichzeitig, also größer, siehe VL2

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Die kritische Energie nach Newton

DimensionsloseDichteparameter:

M mv

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Einfluss des Dichteparameters auf die Expansion

Vergleich mit einer Rakete mit U<T, U=T und U>T

Radius des sichtbaren Universum S, d.h. S(t) bestimmtZukunft des Universums!

Offenes Univ. (T>U)

Flaches Univ. (U=T, E=0)

Geschlossenes Univ. (T<U)

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Zeitabhängigkeit des Skalenfaktors S(t) bei =1

r S(t) und 1/r3

E=0 (flaches Universum)

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Altersabschätzung des Universum für =1

Oder dS/dt = H S oder mit S = kt2/3 2/3 k t-1/3 = H kt2/3 oder t0 = 2/(3H0)10.109 a

Richtige Antwort:t0 1/H0 14 . 109 a = 14 Gyr,da durch Vakuumenergienicht-lineare Termeim Hubbleschen Gesetzauftreten (entsprechendabstoßende Gravitation).

0=1/H0, da tan α = dS / dt = S0 / t0

uni = 2 / 3H0

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Zum Mitnehmen:1. Gravitation bestimmt Geschehen im Weltall

2. Comoving coordinates erlauben Rechnungen OHNE die Expansion zu berücksichtigen. Nachher werden alle Abstände (und auch die Zeit, siehe VL2) mit dem Skalenfaktor S(t)

multipliziert.

3. Zeitabhängigkeit des Skalenfaktors: S = kt2/3

4. Hubblesches Gesetz: v=HD H = Expansionsrate = v/D = h 100 km/s/Mpc (VL2) h = 0.71+-0.03 = Hubblekonstante in Einheiten von 100 km/s/Mpc

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Zum Mitnehmen:

5. Alter des Universums für = 1 und ohne Vakuumenergie: t0 = 2/(3H0) 10 . 109 a Dieser Wert ist zu niedrig, weil die beschleunigte Expansion durch die Vakuumenergie vernachlässigt wird. Korrekter Wert: 1/H0 = 14 Milliarden Jahre = 14 Gyr

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Schwerpunktfach 20 ECTS =v4u2+v2u1+v2u1Ergänzungsfach 14 ECTS= v2u2 +v2u1Nebenfach 8 ECTS= v2u2

Einschränkungen:

• eins der Fächer muss theoretisch und eins muss experimentell sein.

• Ergänzungsfach darf nicht aus dem Bereich der Nebenfächer (Elektronik, Datenanalyse) sein, es sei denn dieses Fach ist auch in einer der 7 Themenbereiche vermerkt.

• Ergänzungsfach darf nicht im gleichen Bereich wie Schwerpunktfach sein.

Kosmologie und Studienplan

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Schwerpunktfach (benotet im Abschluss)  exp. Teilchenphysik I (v2u2=8P), eine der exp. Teilchenphysik II VL (v2u1=6P) Datenanalyse (v2u1=6P)

Total=20ECTS

Ergänzungsfach: (benotet im Abschluss) (darf keine Module aus dem Schwerpunktfach enthalten) Kombination ausAstroteilchenphysik I (v2u2=8P)Kosmologie (v2u1=6P) Detektoren oder Elektronik oder eine der weiteren Astroteilchenphysik VL (v2u1=6P)

Total=14 ECTS 

Beispiel: Fächer für Teilchenphysiker

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 Nebenfach: (NICHT benotet im Abschluss)

Theoretische Teilchenphysik (v4,u2) (=12 ECTS) Obwohl nur 8 gebraucht werden, bekommt man 50% mehr ECTS bei TTP, aber es gibt kein Theorie-light in der Teilchenphysik. Man kann natürlich ein nicht theoretisches Nebenfach nehmen (Elektronik, Datenanalyse) und TTP1 als Ergänzungsfach nehmen, aber dann wird es benotet. Aber man sollte als Detektorbauer eine sehr gute Note bei TTP1 als Ergänzungsfach bekommen, wenn man nachher promovieren möchte.

Beispiel: Fächer für Teilchenphysiker

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Zukunftschancen für Teilchenphysiker

Datenanalyse:

umgehen mit großen DatenmengeAnalysetechniken,wie neuronale Netze

Ergebnisse der Datenanalysen können sein:

• Absatzprognosen• Risikovorhersagen• Produktempfehlungen• Bestellmengenoptimierungen• Beschaffungsvorschläge• Kündigungsverhinderungen• Social-Media-Aktivitäten•  

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Zukunftschancen für Teilchenphysiker

Kenntnisse über Halbleitertechnology:

• CMS Detektor hat 200 m2 Si verbaut,• Strahlungshärte unserer Elektronik VIEL besser als die des Militärs Berufschancen: Raumfahrttechnik, Autoindustrie(z.B. bei Bosch, herausfinden warum Auto-Elektronikso anfällig ist…)

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Zukunftschancen für Teilchenphysiker

Kenntnisse über Strahlung:

Berufschancen: Strahlungsmonitore,Bestrahlungen in Industrie und Medizintechnik

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Schwerpunktfach (benotet im Abschluss)  Astroteilchenphysik I (v2u2=8P), Astroteilchenphysik II (v2u1=6P), Kosmologie (v2u1=6P)

Total=20ECTS Ergänzungsfach: (benotet im Abschluss) (darf keine Module aus dem Schwerpunktfach enthalten) Datenanalyse(v4u2=8P) (v4u2=8P)Detektoren oder Beschleunigerphysik (v2u1=6P) Total=14 ECTS Nebenfach: (NICHT benotet im Abschluss)Theoretische Teilchenphysik (v4,u2) (=12 ECTS)  

 

Beispiel: Fächer für Astroteilchenphysiker