Und es werde Und es werde LichtLicht

Die kosmische Die kosmische HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung

Vermessung der Vermessung der HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung

COBCOBEE

PlanPlanckck

WMAWMAPP

PlanPlanckck

Foto des UrknallsFoto des Urknalls

COBECOBE

Foto des UrknallsFoto des Urknalls

WMAPWMAP

Foto des UrknallsFoto des Urknalls

PlancPlanckk

Was sehen wir ?Was sehen wir ?

Zustand des Universums ca 400 000 Zustand des Universums ca 400 000 Jahre nach dem UrknallJahre nach dem Urknall

Fluktuationen eines heißen PlasmasFluktuationen eines heißen Plasmas

Plasma Plasma AtomeAtome

undurchsichtigundurchsichtig

wie im Innern der wie im Innern der SonneSonne

durchsichtigdurchsichtig

Weltall heuteWeltall heute

Was ist Licht ?Was ist Licht ?

Welle – Teilchen – DualitätWelle – Teilchen – Dualität Licht-Teilchen : Licht-Teilchen : PhotonenPhotonen Ohne Behinderung : auf (fast) Ohne Behinderung : auf (fast)

geraden Bahnen: geraden Bahnen: LichtstrahlenLichtstrahlen Photonen können gestreut werden, Photonen können gestreut werden,

oder absorbiert und emittiert oder absorbiert und emittiert werdenwerden

Photon – Streuung in Photon – Streuung in Wolke oder PlasmaWolke oder Plasma

undurchsichundurchsichtig !tig !

Kann man in die Sonne Kann man in die Sonne hineinschauen ?hineinschauen ?

nur Oberfläche der Sonne sichtbar , nur Oberfläche der Sonne sichtbar , obwohl viel elektromagnetische obwohl viel elektromagnetische Strahlung im Innern !Strahlung im Innern !

Bilder nur in Bilder nur in durchsichtigem Medium durchsichtigem Medium

möglich möglich Frühes Universum bis zu 400 000 Jahre Frühes Universum bis zu 400 000 Jahre

nach Urknall ( abb : after big bang ): nach Urknall ( abb : after big bang ): Elektronen und Atomkerne getrennt, Elektronen und Atomkerne getrennt, häufige Streuung der Photonen , häufige Streuung der Photonen , undurchsichtigundurchsichtig

Spätes Universum ab 400 000 Jahre abb Spätes Universum ab 400 000 Jahre abb : : Elektronen und Atomkerne zu Elektronen und Atomkerne zu elektrisch neutralen Atomen kombiniert, elektrisch neutralen Atomen kombiniert, nur sehr seltene Streuung der nur sehr seltene Streuung der Photonen, durchsichtig , LichtstrahlenPhotonen, durchsichtig , Lichtstrahlen

Was sehen wir ?Was sehen wir ?

Zustand des Universums ca 400 000 Zustand des Universums ca 400 000 Jahre nach dem UrknallJahre nach dem Urknall

Űbergang von Plasma zu Atomen Űbergang von Plasma zu Atomen ( Die Wolke löst sich auf .) ( Die Wolke löst sich auf .)

Bedeutung der Bilder für Bedeutung der Bilder für

Urknall - TheorieUrknall - Theorie Lösung der Einstein‘schen Lösung der Einstein‘schen

Gravitationsgleichungen sagt heißes Gravitationsgleichungen sagt heißes Plasma im frühen Universum vorausPlasma im frühen Universum voraus

Beobachtung des Plasmas : Beobachtung des Plasmas : entscheidender Test des Urknallsentscheidender Test des Urknalls

Gravitation regiert Gravitation regiert die Weltdie Welt

Einsteins Gleichungen leicht Einsteins Gleichungen leicht gemachtgemacht

C. Wetterich, Mainz C. Wetterich, Mainz 27.5.27.5.

Expansion des Expansion des UniversumsUniversums

Hmm ?Hmm ?

Expansion des Expansion des UniversumsUniversums

Der Raum zwischen den Der Raum zwischen den Galaxienhaufen dehnt sich aus.Galaxienhaufen dehnt sich aus.

Früher war das Universum dichter,Früher war das Universum dichter, … … und heißer.und heißer. Zurückverfolgung der Einstein’schen Zurückverfolgung der Einstein’schen

kosmologischen Gleichungen : kosmologischen Gleichungen : Urknall, extrem heißer Feuerball !Urknall, extrem heißer Feuerball ! Bis ca 400 000 Jahre nach dem Bis ca 400 000 Jahre nach dem

Urknall : heißes Plasma aus Protonen, Urknall : heißes Plasma aus Protonen, Elektronen und StrahlungElektronen und Strahlung

Entwicklung des Entwicklung des Universums Universums

Milliarden Jahre abbMilliarden Jahre abb

NASANASA

FeuerballFeuerball

heißes Plasmaheißes Plasma Elektronen und Kerne oder Elektronen und Kerne oder

Kernbestandteile getrenntKernbestandteile getrennt viel heißer und dichter als die Sonneviel heißer und dichter als die Sonne undurchsichtigundurchsichtig Licht wird fortdauernd gestreutLicht wird fortdauernd gestreut Universum kühlt abUniversum kühlt ab Ende nach 400 000 JahrenEnde nach 400 000 Jahren

Kosmische Kosmische HintergrundstahlungHintergrundstahlung

400 000 Jahre abb ist Universum 400 000 Jahre abb ist Universum genug abgekühlt, so dass sich genug abgekühlt, so dass sich neutrale Atome bilden können.neutrale Atome bilden können.

Universum wird durchsichtigUniversum wird durchsichtig Vergleich : Wolke löst sich aufVergleich : Wolke löst sich auf

Fiat lux ! Fiat lux ! Und es werde Und es werde Licht !Licht !

Schnappschuß des Schnappschuß des Universums, direkt bevor Universums, direkt bevor sich die Atome gebildet sich die Atome gebildet

habenhaben

Einfachkeit des frühen Einfachkeit des frühen Universums:Universums:

Fluktuierendes Plasma im Fluktuierendes Plasma im TemperaturgleichgewichtTemperaturgleichgewicht

Planck – Planck – SpektrumSpektrum( COBE )( COBE )

QuantenmechaQuantenmechaniknikauf auf astronomischeastronomischennSkalenSkalen

(1) Kosmische (1) Kosmische Hintergrundstrahlung Hintergrundstrahlung

bestätigt Urknall- Theorie: bestätigt Urknall- Theorie: Plasma im frühen Plasma im frühen

UniversumUniversum

Anisotropie der Anisotropie der kosmischen kosmischen

HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung

Fluktuationen in der Fluktuationen in der Temperatur der Temperatur der

HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung

StrukturbildungStrukturbildung

Aus winzigen Anisotropien wachsen Aus winzigen Anisotropien wachsen die Strukturen des Universumsdie Strukturen des Universums

Sterne , Galaxien, GalaxienhaufenSterne , Galaxien, Galaxienhaufen

Millenium simulation , VIRGO Millenium simulation , VIRGO projectproject

Simulationen im Computer :Simulationen im Computer :Verteilung der Dunklen Materie im Verteilung der Dunklen Materie im UniversumUniversum

t = 1 Milliarde Jahre ( z =5.7 )t = 1 Milliarde Jahre ( z =5.7 )

t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 )t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 )

Kosmische Strukturbildung im GrossrechnerKosmische Strukturbildung im GrossrechnerSimon White, Mainz, 1.7.Simon White, Mainz, 1.7.

Fluktuationen als KeimeFluktuationen als Keimefür Entstehung der für Entstehung der

kosmischenkosmischenStrukturen nötigStrukturen nötig

Foto des UrknallsFoto des Urknallsals sich die Atome bildeten : ca 400 000 als sich die Atome bildeten : ca 400 000 Jahre abbJahre abb

Bild einer Kugeloberfläche Bild einer Kugeloberfläche von innenvon innen

winzige Temperatur-winzige Temperatur-schwankungen der schwankungen der

HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung

(2) Anisotropie der (2) Anisotropie der Hintergrundstrahlung:Hintergrundstrahlung:Keime der kosmischen Keime der kosmischen

StrukturenStrukturen

Vermessung des Vermessung des Universums :Universums :

Woraus besteht das Woraus besteht das Universum ?Universum ?

EnergiedichteEnergiedichte

Energiedichte = Energie/VolumenEnergiedichte = Energie/Volumen Energie = Masse ( E=mcEnergie = Masse ( E=mc22 , c=1 ) , c=1 ) Einheit : kritische EnergiedichteEinheit : kritische Energiedichte Symbol für Energiedichte : Symbol für Energiedichte : ρρ

Kritische DichteKritische Dichte ρρcc =3 H² M² =3 H² M² Kritische Energiedichte des Kritische Energiedichte des

Universums Universums ( M : reduzierte Planck-Masse , M( M : reduzierte Planck-Masse , M-2-2=8 =8 ππ G ; G ; H : Hubble Parameter )H : Hubble Parameter )

ΩΩbb==ρρbb//ρρcc

Anteil der Atome ( Baryonen ) Anteil der Atome ( Baryonen ) an der (kritischen) an der (kritischen) EnergiedichteEnergiedichte

Kritische DichteKritische Dichte

ΩΩtot tot bestimmt die Geometrie des bestimmt die Geometrie des Universums : kann vermessen Universums : kann vermessen werdenwerden

ΩΩtot tot =1 flaches Universum=1 flaches Universum

ΩΩtot tot >1 Geometrie wie Kugeloberfläche>1 Geometrie wie Kugeloberfläche

ΩΩtot tot <1 hyperbolische Geometrie<1 hyperbolische Geometrie

Kritische DichteKritische Dichte

ΩΩtot tot =1 =1

flaches flaches UniversumUniversum

ΩΩtot tot >1 >1

KugeloberflächeKugeloberfläche

ΩΩtot tot <1 <1

hyperbolische hyperbolische

GeometrieGeometrie

gekrümmte Bahnen der gekrümmte Bahnen der LichtstrahlenLichtstrahlen

Zur Vermessung der Zur Vermessung der Geometrie:Geometrie:

charakteristischer Abstand charakteristischer Abstand ( Lineal) und Winkel( Lineal) und Winkel

Abstand : Größe des Horizonts Abstand : Größe des Horizonts zum Zeitpunkt der Emission zum Zeitpunkt der Emission der Hintergrundstrahlung : der Hintergrundstrahlung : berechenbar aus Einstein berechenbar aus Einstein GleichungGleichung

( Horizont : Wie weit Signale ( Horizont : Wie weit Signale sich seit dem Urknall sich seit dem Urknall ausbreiten konnten )ausbreiten konnten )

Winkel : aus beobachteten Winkel : aus beobachteten AnisotropienAnisotropien

Anisotropie der Anisotropie der HintergrundstahlungHintergrundstahlung ::

FleckengrößeFleckengröße

Stärke der TemperaturschwankungStärke der Temperaturschwankungin Abhängigkeit von Fleckengröße in Abhängigkeit von Fleckengröße

( im Winkel )( im Winkel )

ca 1 ca 1 GradGrad

ca 10 Gradca 10 Grad

KontraKontrastst

WinkelWinkel

Schallwellen im frühen Schallwellen im frühen Universum Universum

LängeLängeberechberechen-en-barbar

Schallwellen im PlasmaSchallwellen im Plasma

ca 1 Gradca 1 Gradca 10 Gradca 10 Grad

ΩΩtottot=1=1

Räumlich flaches Räumlich flaches UniversumUniversum

ΩΩtottot = = 11

ΩΩtottot=0.25=0.25ΩΩtottot = 1 = 1

(3) Vermessung des Universums: (3) Vermessung des Universums: Räumliche Geometrie ist nicht Räumliche Geometrie ist nicht

gekrümmt.gekrümmt.

Zusammensetzung des Zusammensetzung des UniversumsUniversums

Frequenzpektrum der Frequenzpektrum der MusikinstrumenteMusikinstrumente

gibt Details gibt Details über über Eigenschaften Eigenschaften desdesInstruments Instruments

Winkelspektrum der Winkelspektrum der HintergrundstahlungHintergrundstahlung

gibt Details über Eigenschaften gibt Details über Eigenschaften des Universumsdes Universums

Zusammensetzung des Zusammensetzung des UniversumsUniversums

AtomeAtome : : 5 %5 %

Dunkle Materie : 25 %Dunkle Materie : 25 %

Dunkle Energie : 70 %Dunkle Energie : 70 %

Anteil AtomeAnteil Atome

Bestimmung Bestimmung kosmologischer kosmologischer

Parameter ( Planck )Parameter ( Planck )Ωtot =0.999 ±0.006

Materie :

Ωm =0.31±0.01 Atome :

Ωb =0.048±0.005 Dunkle Materie :

Ωdm=0.26±0.01

Dunkle Energie :

Ωde =0.69 ±0.01

Alter =13.80±0.05 Milliarden Jahre

NukleosyntheseNukleosynthese

Eine Sekunde nach dem Urknall war das Eine Sekunde nach dem Urknall war das Universum so heiß, dass keine Atomkerne Universum so heiß, dass keine Atomkerne existieren konnten.existieren konnten.

nur Protonen , Neutronennur Protonen , Neutronen bei Abkühlung : Entstehung der leichten bei Abkühlung : Entstehung der leichten

AtomkerneAtomkerne Beginn der ChemieBeginn der Chemie

Chemie stimmt, wenn Atome 5% der kritischeChemie stimmt, wenn Atome 5% der kritischen n Energiedichte des Universums ausmachen.Energiedichte des Universums ausmachen.

NukleosyntheseNukleosynthese

Signale des UrknallsSignale des Urknalls HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung

Es werde Licht !Es werde Licht !

( Fiat lux ) ( 400 000 Jahre abb)( Fiat lux ) ( 400 000 Jahre abb)

Primordiale Elementsynthese Primordiale Elementsynthese (Nukleosynthese)(Nukleosynthese)

Beginn der Chemie ( 10 Minuten abb )Beginn der Chemie ( 10 Minuten abb )

Űbereinstimmung ! Űbereinstimmung ! abb : after big abb : after big bangbang

Nur 5% des Universums bestehen aus Atomen : bekannt von

Hintergrundstahlung Nukleosynthese

400 000 400 000 JJahre abbahre abbAtomphysikAtomphysik

10 Minuten 10 Minuten abbabbKernphysikKernphysik

Materie :

Alles , was klumpt

Dunkle MaterieDunkle Materie

Anteil der “Materie” insgesamt : 30 %Anteil der “Materie” insgesamt : 30 %

Die meiste Materie ist dunkel !Die meiste Materie ist dunkel !

Bisher nur durch Gravitation spürbarBisher nur durch Gravitation spürbar

Alles was klumpt! Alles was klumpt! GravitationspotentialGravitationspotential

Dunkle Energie :

homogen verteilt

(4) Das Universum besteht zu 70% aus Dunker Energie

Dunkle Energie – ein kosmisches Rätsel

C.Wetterich, Mainz 13.5.

Statistische Verteilung Statistische Verteilung von Fluktuationen :von Fluktuationen :viele unabhängige viele unabhängige

MessungenMessungen

Präzisions - KosmologiePräzisions - Kosmologie

Korrelations-FunktionKorrelations-Funktion

(5) „Probabilistisches (5) „Probabilistisches Universum“ erlaubt Universum“ erlaubt

Präzisions-KosmologiePräzisions-Kosmologie

Woher kommen die Woher kommen die Temperatur - Temperatur -

Fluktuationen ?Fluktuationen ?

PlanPlanckck

Inflationäres UniversumInflationäres Universum

Ca 10 Ca 10 -30-30 - 10 - 10 -40 -40 Sekunden abbSekunden abb Entstehung der primordialen Entstehung der primordialen

FluktuationenFluktuationen aus Quantenfluktuationenaus Quantenfluktuationen

Signale vom Urknall !Signale vom Urknall !

Quantenfluktuationen Quantenfluktuationen in der Anfangsphase des in der Anfangsphase des

Universums Universums werden heute beobachtbar !werden heute beobachtbar !

Vorhersagen der Vorhersagen der InflationInflation

Universum hat kritische Dichte ☺Universum hat kritische Dichte ☺

Quantenfluktuationen aus der Zeit der Quantenfluktuationen aus der Zeit der Inflation werden zu “Schallwellen“ zum Inflation werden zu “Schallwellen“ zum Zeitpunkt der Entstehung der kosmischen Zeitpunkt der Entstehung der kosmischen Hintergrundstrahlung ☺Hintergrundstrahlung ☺

Primordiale Gravitationswellen : vielleicht Primordiale Gravitationswellen : vielleicht gefunden ! (BICEP)gefunden ! (BICEP)

Der UrknallDer UrknallWie unser Universum Wie unser Universum

aus fast nichts aus fast nichts entstandentstand

C. C. WetterichWetterich,,Mainz, Mainz, 24.6.24.6.

(6) Beobachtung der (6) Beobachtung der Anisotropien der kosmischen Anisotropien der kosmischen Hintergrundsstrahlung testen Hintergrundsstrahlung testen

Modelle der inflationären Modelle der inflationären Kosmologie unmittelbar am Kosmologie unmittelbar am

UrknallUrknall

ZusammenfassungZusammenfassung

(1) Kosmische (1) Kosmische Hintergrundstrahlung Hintergrundstrahlung

bestätigt Urknall- Theorie: bestätigt Urknall- Theorie: Plasma im frühen Plasma im frühen

UniversumUniversum

(2) Anisotropie der (2) Anisotropie der Hintergrundstrahlung:Hintergrundstrahlung:Keime der kosmischen Keime der kosmischen

StrukturenStrukturen

(3) Vermessung des Universums: (3) Vermessung des Universums: Räumliche Geometrie ist nicht Räumliche Geometrie ist nicht

gekrümmt.gekrümmt.

Dunkle Energie :

homogen verteilt

(4) Das Universum besteht (4) Das Universum besteht zu 70% aus Dunker Energie zu 70% aus Dunker Energie

(5) „Probabilistisches (5) „Probabilistisches Universum“ erlaubt Universum“ erlaubt

Präzisions-KosmologiePräzisions-Kosmologie

(6) Beobachtung der (6) Beobachtung der Anisotropien der kosmischen Anisotropien der kosmischen Hintergrundsstrahlung testen Hintergrundsstrahlung testen

Modelle der inflationären Modelle der inflationären Kosmologie unmittelbar am Kosmologie unmittelbar am

UrknallUrknall

endend

Mittelwerte WMAP 2003

Ωtot

=1.02

Ωm =0.27

Ωb =0.045

Ωdm=0.225

Bestimmung kosmologischer Bestimmung kosmologischer ParameterParameter

ca 1 Gradca 1 Gradca 10 Gradca 10 Grad