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Vorlesung 1: Roter Faden: 1.Ausblick 2.Literatur 3 ... deboer/html/Lehre/Kosmologie_WS2005/... · PDF file28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 3 Wahlpflichtfach

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Text of Vorlesung 1: Roter Faden: 1.Ausblick 2.Literatur 3 ......

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 1

    Vorlesung 1:

    Roter Faden:

    1.Ausblick 2.Literatur 3.Bahnbrecher der Kosmologie

    Priv. Doz. Dr. Jörg Hörandel

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 2

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 3

    Wahlpflichtfach - Prüfung Hauptdiplom Astroteilchenphysik und Kosmologie

    Vorlesung Einführung in die Kosmologie de Boer 2 SWS Fr 11:30 – 13:00 kl. HS A

    Übungen de Boer, Hörandel, Roth 1 SWS Di 14:00 - 15:30 Seminarraum 8/2

    Vorlesung Einführung in die Astroteilchenphysik Hörandel, Roth 2 SWS Do 8:00 – 9:30 kl. HS B

    Übungen Hörandel, Roth 1 SWS Di 14:00 - 15:30 Seminarraum 8/2

    6 SWS

    www-ik.fzk.de/~joerg/kosmologie.html

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 4

    Literatur

    1. 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

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 5

    Literatur

    Weitere Bücher:

    Weigert + Wendker, Astronomie und Astrophysik

    Populäre Bücher: Silk: A short history of the universe Weinberg: Die ersten drei Minuten Hawking: A brief History of Time Fang and Li: Creation of the Universe Parker: Creation

    Vindication of the Big Bang Ledermann und Schramm: Vom Quark zum Kosmos

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 6

    Literatur

    Bibel der Kosmologie:

    Börner: The early Universe Kolb and Turner: The early Universe Gönner: Einführung in die Kosmologie

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 7

    Bahnbrecher der Kosmologie

    Griechen: Bewegung der Himmelskörper Kopernikus: Sonne im Mittelpunkt Galilei: Gravitation unabh. von Masse Brake: Messungen der Bewegungen von Sternen Kepler: Keplersche Gesetze (Bahnen elliptisch!) Newton: Gravitationsgesetz Halley: Vorhersage des Halley Kometen Einstein: Relativitätstheorie Hubble: Expansion des Universums ⇒ Urknall

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    Aristoteles Erkannte: Mondphasen enstehen durch Umlauf des Mondes um die Erde! (*384 v. Chr.)

    Erkannte: Sonnenfinsternis bedeutet daß Mond näher an der Erde ist als die Sonne.

    Erkannte: Mondfinsternis bedeutet daß die Erde rund ist.

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    Erde dreht sich um ihre Achse

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    Kopernikus (geb. 1474)

    Sonne statt Erde im Mittelpunkt (wurde von Aristoteles verworfen, weil es keine Parallaxe gab (damals nicht messbar)) Kopernikus konnte hiermit retrograde Bewegungen erklären.

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    Galilei (geb. 1564)

    Erdbeschleunigung universell und unabhängig von Masse

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 12

    Brahe (geb. 1548)

    Brahe mißt 30 Jahre Position von Sternen und Planeten Verwirft wie Aristoteles heliozentrisches Model, weil er keine Parallaxe beobachten konnte und sich nicht vorstellen konnte dass, wenn die Sterne so weit entfernt wären, sie noch sichtbar wären.

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 13

    Kepler (geb. 1571)

    Kepler konnte Brahes Daten nur erklären, wenn Bahnen nicht die von jedem erwartete Kreissymmetrie aufwiesen UND auch noch die Sonne statt die Erde umkreisten!!!!!!!!!!!!!!! Elliptische Bahnen -> Keplersche Gesetze.

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 14

    Newton (geb. 1642)

    Newton entdeckte dass alle Bewegungen im Universum durch die Gravitation bestimmt sind -> Newtonsche Gesetze.

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 15

    Rotationskurven

    V ∝ 1 / √r Flat rotation curves evidence for dark matter!

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 16

    Halley (geb. 1642)

    Halley sagte Periode von 75 J für seinen Kometen vorher! Wurde tatsächlich beobachtet und damit wurden Newtonsche Gesetze weiter bestätigt.

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 17

    Einstein (geb. 1879)

    Allgemeine Relativitätstheorie: Gravitation krümmt den Raum. Licht und Planeten folgen Raumkrümmung! Sonnenfinsternis in 1919 brachten Beweis durch Verschiebung der Sternpositionen.

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 18

    Einstein (geb. 1879)

    Allgemeine Relativitätstheorie: Gravitation krümmt den Raum. Licht und Planeten folgen Raumkrümmung! Sonnenfinsternis in 1919 brachten Beweis durch Verschiebung der Sternpositionen.

    Bei hoher Dichte kann Raum so stark gekrümmt sein, dass Licht nicht entkom- men kann ⇒ Schwarzes Loch!

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 19

    Hubble (geb. 1879)

    Hubble entdeckte dass sogenannte Nebel auch variable Sterne beinhalteten. Schlussfolgerung: Dies sind Galaxien. Er entdeckte, dass die meisten Galaxien eine Rotverschiebung aufwiesen, die mit dem Abstand zunahm: Hubblesches Gesetz: v=Hr Richtige Erklärung: es gab am Anfang einen Urknall. (und es gab einen Anfang!!!!)

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 20

    Hubble (geb. 1879) Hubble entdeckte dass sogenannte Nebel auch variable Sterne beinhalteten. Schlussfolgerung: dies sind Galaxien. Er entdeckte dass die meisten Galaxien eine Rotverschiebung aufwiesen, die mit dem Abstand zunahm: Hubblesches Gesetz: v=Hr Richtige Erklärung: es gab am Anfang einen Urknall. (und es gab einen Anfang!!!!)

    Analogie: Rosinen im Brot sind wie Galaxien im Universum. Auch hier relative Geschwindigk. der Rosinen ∝ Abstand bei der Expansion des Teiches, d.h. v=Hr.

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 21

    Hubblesches Gesetz

    Roter Faden:

    1.Hubblesches Gesetz: v = H d 2.Wie mißt man Geschwindigkeiten? 3.Wie mißt man Abstände?

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 22

    Bestimmung der Hubble Konstante aus H=v/D

    Relative Geschwindigkeit v der Galaxien aus Dopplerverschiebung. (Redshift Simulation).

    Rotverschiebung

    Blauverschiebung

    Keine Verschiebung

    Vrel

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 23

    Bestimmung der Hubble Konstante aus H=v/D Relative Geschwindigkeit v der Galaxien aus Dopplerverschiebung. (Redshift Simulation).

    Quelle bewegt sich, aber Frequenz konstant. In einer Periode ∆t´=T vergrößert sich Abstand von λrest = cT auf λobs = (c+v)T´.

    Die relativistische Zeitdilatation ergibt: T´/ T = γ =

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 24

    Relativistische Rotverschiebung

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 25

    Bestimmung der Abstände zwischen Galaxien

    Trigonometrie:

    π d

    r

    r = Astronomische Einheit (AE) = = 1.496 108 km = 1/(206265) pc.

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 26

    Einheiten

    Abstand zur Sonne: 8 Lichtminuten. Nächster Stern: 1,3 pc. Zentrum der Milchstraße: 8 kpc. Nächste Galaxy: 55 kpc Andromeda Nebel: 770 kpc.

    Milchstraße Cluster (1 Mpc) Supercluster (100 Mpc) Universum (3000Mpc

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 27

    Leuchtkraft L = Oberflächenhelligkeit F x Fläche πR2 oder Energieströme messen:

    Scheinbare Helligkeit m = gemessene Strahlungsstrom, d.h. pro Zeiteinheit vom Empfänger registrierte Energie. Absolute Helligkeit M = scheinbare Helligkeit auf Abstand von r0 = 10 pc und m ∝ 1/4πR2.

    L oder m messbar mit Photoplatte, digitale Kamera …..

    F oder M aus a) Spektrum plus Hertzsprung-Russel Diagram b) Cepheiden (absolute Leuchtkraft M aus Periode) c) Supernovae Ia ( M bekannt) d) Tully-Fisher Relation (Rotationsgeschwindigkeit ∝ M) e) hellsten Sterne einer Galaxie

    Bestimmung der Abstände durch Spektroskopie

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 28

    Leuchtkraft der Sterne

    Antike: 6 Größenklassen der scheinbaren Helligkeiten m, angegeben mit 1m .. 6m. Sterne sechster Größe kaum mit Auge sichtbar. Sonne: 4,75mLeuchtkraft der SonneLS = 3.9 1026 W = 4.75m

  • 28. Oktober 2005 Kosmologie, WS 2005/06, Prof. W. de Boer 29

    Leuchtkraft und Entfernungsmodul Die Leuchtkraft L (engl. luminosity) eines Sterns ist die abgestrahlte Energie integriert über alle Wellenlängen. Aus der Helligkeit in unterschiedlichen Frequenzbändern (U=UV, B=Blau, V=Visuell) kann man die Leuchtkraft (oder bolometrische Helligkeit) rekonstruieren. Die bolometrische Helligkeit der Sonne wird festgelegt auf M☼ = 4,75 (stimmt ungefähr mit Skale 1-6 der Antiken).

    Die Helligkeit (engl. magnitude) in einem

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