Das dunkle Universum - Field Theory - Universität Oldenburg
Das dunkle Universum - Field Theory - Universität Oldenburg
Das dunkle Universum - Field Theory - Universität Oldenburg
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<strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong><br />
Jutta Kunz<br />
Institut für Physik<br />
CvO <strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong><br />
http://www.physik.uni-oldenburg.de/Docs/ftheorie/kunz.html<br />
<strong>Oldenburg</strong>er Landesverein, <strong>Oldenburg</strong>, 22. März 2007<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 1 / 60
Inhalt<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 2 / 60
Inhalt<br />
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 2 / 60
Inhalt<br />
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Theorie der Kosmologie<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 2 / 60
Inhalt<br />
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Theorie der Kosmologie<br />
<strong>Das</strong> frühe <strong>Universum</strong><br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 2 / 60
Inhalt<br />
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Theorie der Kosmologie<br />
<strong>Das</strong> frühe <strong>Universum</strong><br />
Dunkle Materie und Dunkle Energie<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 2 / 60
Inhalt<br />
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Theorie der Kosmologie<br />
<strong>Das</strong> frühe <strong>Universum</strong><br />
Dunkle Materie und Dunkle Energie<br />
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 2 / 60
Inhalt<br />
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Theorie der Kosmologie<br />
<strong>Das</strong> frühe <strong>Universum</strong><br />
Dunkle Materie und Dunkle Energie<br />
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 3 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Größen und Distanzen in der Astronomie<br />
Erde<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 4 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Größen und Distanzen in der Astronomie<br />
Sonnensystem<br />
Abstand Erde – Sonne: 150 Millionen km = 8 Lichtminuten<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 4 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Größen und Distanzen in der Astronomie<br />
Die nächsten Sterne<br />
Abstand Sonne – Proxima Centauri: 4 Lichtjahre<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 4 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Größen und Distanzen in der Astronomie<br />
Die Umgebung der Sonne<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 4 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Größen und Distanzen in der Astronomie<br />
Die Milchstraße<br />
Durchmesser etwa 100000 Lichtjahre<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 4 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Größen und Distanzen in der Astronomie<br />
Nächste Galaxien<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 4 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Größen und Distanzen in der Astronomie<br />
Die lokale Gruppe<br />
Abstand Milchstrasse – Andromeda: ca. 2,5 Millionen Lichtjahre<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 4 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Größen und Distanzen in der Astronomie<br />
<strong>Das</strong> lokale Supercluster<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 4 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Größen und Distanzen in der Astronomie<br />
Die nächsten Supercluster<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 4 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Größen und Distanzen in der Astronomie<br />
Die entferntesten sichtbaren Strukturen – Hubble deep field<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 4 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
<strong>Das</strong> <strong>Universum</strong> auf großen Skalen<br />
2dFGRS: Draufsicht<br />
“<strong>Das</strong> <strong>Universum</strong> sieht für jeden<br />
überall gleich aus”<br />
Symmetrieannahmen sind<br />
wesentlich<br />
Auf großen Skalen ist das<br />
<strong>Universum</strong> glatt und gleichförmig<br />
(großräumige Glattheit)<br />
Skala: Hunderte Mpc<br />
Erläuterung Einheit:<br />
1 Parsec = 1 Parallaxensekunde =<br />
Abstand, in dem der mittlere<br />
Erde-Sonne Abstand d.h. der<br />
mittlere Erdbahnradius (≈ 150<br />
Millionen km) einer Bogensekunde<br />
entspricht = 3.261 Lichtjahre<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 5 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
<strong>Das</strong> kosmologische Prinzip<br />
Kopernikus:<br />
⇒<br />
Die Erde steht nicht im Mittelpunkt<br />
des Sonnensystems<br />
<strong>Das</strong> Sonnensystem steht an keiner<br />
ausgezeichneten Stelle des <strong>Universum</strong>s<br />
Kein Beobachter steht an einer ausgezeichneten Stelle des <strong>Universum</strong>s<br />
<strong>Das</strong> <strong>Universum</strong> muß um jeden Punkt herum richtungsunabhängig sein<br />
Es darf keinen Mittelpunkt/ausgezeichneten Punkt geben<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 6 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
<strong>Das</strong> elektromagnetische Spektrum<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 7 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Die kosmische Hintergrundstrahlung<br />
Jugendbilder des <strong>Universum</strong>s<br />
Zeit des Ursprungs der CMBR: ca. 380 000 Jahre nach dem Urknall<br />
Die Hintergrundstrahlung ist sehr gleichförmig in allen Richtungen<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 8 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Die kosmische Hintergrundstrahlung<br />
Jugendbilder des <strong>Universum</strong>s<br />
Zeit des Ursprungs der CMBR: ca. 380 000 Jahre nach dem Urknall<br />
Die kosmische Hintergrundstrahlung hat die Form der Strahlung eines<br />
schwarzen Körpers<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 8 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Die kosmische Hintergrundstrahlung<br />
Jugendbilder des <strong>Universum</strong>s<br />
Zeit des Ursprungs der CMBR: ca. 380 000 Jahre nach dem Urknall<br />
Temperatur T = 2.73 K, Temperaturschwankung ∆T<br />
T<br />
≈ 10−5<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 8 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Die kosmische Hintergrundstrahlung<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 9 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Die kosmische Hintergrundstrahlung<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 9 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Die Expansion des <strong>Universum</strong>s<br />
<strong>Das</strong> Hubble–Gesetz<br />
vi = H ri<br />
In einem expandierenden<br />
<strong>Universum</strong> ist zu jeder<br />
beliebigen Zeit die radiale<br />
Fluchtgeschwindigkeit einer<br />
Galaxis von einem gegebenen<br />
Punkt proportional zum<br />
Abstand von diesem Punkt.<br />
Edwin P. Hubble 1889 – 1953<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 10 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Die Expansion des <strong>Universum</strong>s<br />
<strong>Das</strong> Hubble–Gesetz<br />
vi = H ri<br />
In einem expandierenden<br />
<strong>Universum</strong> ist zu jeder<br />
beliebigen Zeit die radiale<br />
Fluchtgeschwindigkeit einer<br />
Galaxis von einem gegebenen<br />
Punkt proportional zum<br />
Abstand von diesem Punkt.<br />
Orignaldaten von Hubble 1929<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 10 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Die Expansion des <strong>Universum</strong>s<br />
<strong>Das</strong> Hubble–Gesetz<br />
vi = H ri<br />
In einem expandierenden<br />
<strong>Universum</strong> ist zu jeder<br />
beliebigen Zeit die radiale<br />
Fluchtgeschwindigkeit einer<br />
Galaxis von einem gegebenen<br />
Punkt proportional zum<br />
Abstand von diesem Punkt.<br />
heutige Kurve<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 10 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Die Expansion des <strong>Universum</strong>s<br />
<strong>Das</strong> Hubble–Gesetz<br />
vi = H ri<br />
In einem expandierenden<br />
<strong>Universum</strong> ist zu jeder<br />
beliebigen Zeit die radiale<br />
Fluchtgeschwindigkeit einer<br />
Galaxis von einem gegebenen<br />
Punkt proportional zum<br />
Abstand von diesem Punkt.<br />
Luftballon-Analogie<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 10 / 60
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Die Expansion des <strong>Universum</strong>s<br />
Die Ausdehnung eines flachen <strong>Universum</strong>s<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 11 / 60<br />
t
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
<strong>Das</strong> dynamische <strong>Universum</strong><br />
<strong>Das</strong><br />
<strong>Universum</strong><br />
ist<br />
dynamisch<br />
und nicht<br />
statisch<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 12 / 60
Inhalt<br />
Theorie der Kosmologie<br />
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Theorie der Kosmologie<br />
<strong>Das</strong> frühe <strong>Universum</strong><br />
Dunkle Materie und Dunkle Energie<br />
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 13 / 60
Theorie der Kosmologie<br />
Grundlegende Annahmen: Gesetze der Physik<br />
Die physikalischen Gesetze, wie sie hier und heute gelten, gelten überall<br />
und zu allen Zeiten.<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 14 / 60
Resultat: ART<br />
Theorie der Kosmologie<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 15 / 60
Resultat: ART<br />
Theorie der Kosmologie<br />
Albert Einstein 1879 – 1955<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 15 / 60
Theorie der Kosmologie<br />
Flache Raum–Zeit<br />
Keine Materie: flache Raum–Zeit<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 16 / 60
Theorie der Kosmologie<br />
Gekrümmte Raum–Zeit<br />
Die Materie bestimmt die Geometrie von Raum und Zeit<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 17 / 60
Theorie der Kosmologie<br />
Bewegung in der gekrümmten Raum–Zeit<br />
Die Geometrie der Raum–Zeit bestimmt die Bewegung von Körpern<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 18 / 60
Theorie der Kosmologie<br />
Grundlegende Annahmen: Naturkonstanten<br />
Die fundamentalen Konstanten haben überall und zu allen Zeiten die<br />
Werte, die wir hier und heute messen.<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 19 / 60
Theorie der Kosmologie<br />
Grundlegende Annahmen: Kosmologisches Prinzip<br />
<strong>Das</strong> <strong>Universum</strong> sieht für jeden Beobachter im <strong>Universum</strong> gleich aus<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 20 / 60
Theorie der Kosmologie<br />
Dynamik des <strong>Universum</strong>s<br />
Friedmann–Lemaître Gleichung:<br />
Radius oder Skalenfaktor des <strong>Universum</strong>s<br />
a(t)<br />
Krümmungsparameter des <strong>Universum</strong>s K<br />
Alexander Friedmann<br />
1888–1925<br />
Georges Lemaître<br />
1894–1966<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 21 / 60
Theorie der Kosmologie<br />
Dynamik des <strong>Universum</strong>s<br />
Friedmann–Lemaître Gleichung:<br />
Radius oder Skalenfaktor des <strong>Universum</strong>s<br />
a(t)<br />
Krümmungsparameter des <strong>Universum</strong>s K<br />
Alexander Friedmann<br />
1888–1925<br />
Georges Lemaître<br />
1894–1966<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 21 / 60
Theorie der Kosmologie<br />
Dynamik des <strong>Universum</strong>s<br />
Friedmann–Lemaître–Lösungen (Λ = 0)<br />
In der Vergangenheit gab es notwendigerweise einen Urknall<br />
a<br />
K = −1<br />
K = 0<br />
K = +1<br />
t<br />
Die Gravitation wirkt immer<br />
anziehend<br />
⇒ <strong>Das</strong> <strong>Universum</strong> dehnt sich<br />
immer langsamer aus (und<br />
kollabiert wieder, wenn genügend<br />
Materie vorhanden ist)<br />
Stimmt das wirklich?<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 22 / 60
Theorie der Kosmologie<br />
Die beschleunigte Expansion des <strong>Universum</strong>s<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 23 / 60
Theorie der Kosmologie<br />
Die beschleunigte Expansion des <strong>Universum</strong>s<br />
Friedmann–Lemaître–Lösungen (Λ = 0 und Λ = 0)<br />
Alter des <strong>Universum</strong>s 13,7 Milliarden Jahre<br />
Die kosmologische Konstante wirkt abstoßend<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 24 / 60
Theorie der Kosmologie<br />
Energie und Materie im <strong>Universum</strong><br />
<strong>Das</strong> Unversum besteht zu 96% aus <strong>dunkle</strong>r Materie und <strong>dunkle</strong>r Energie<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 25 / 60
Inhalt<br />
<strong>Das</strong> frühe <strong>Universum</strong><br />
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Theorie der Kosmologie<br />
<strong>Das</strong> frühe <strong>Universum</strong><br />
Dunkle Materie und Dunkle Energie<br />
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 26 / 60
<strong>Das</strong> frühe <strong>Universum</strong><br />
Kleine zeitliche Übersicht<br />
Ära der Spekulationen<br />
t ≈ 10 −43 s, T ≈ 10 19 GeV<br />
Planck Ära: Quantengravitation<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 27 / 60
<strong>Das</strong> frühe <strong>Universum</strong><br />
Kleine zeitliche Übersicht<br />
Ära der Spekulationen<br />
10 −43 < t < 10 −12 s<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 28 / 60
<strong>Das</strong> frühe <strong>Universum</strong><br />
Kleine zeitliche Übersicht<br />
Ära der Teilchenphysik<br />
t ≈ 10 −12 s<br />
die Ursuppe besteht aus den bekannten<br />
Elementarteilchen<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 29 / 60
<strong>Das</strong> frühe <strong>Universum</strong><br />
Kleine zeitliche Übersicht<br />
Ära der Teilchenphysik<br />
t ≈ 10 −5 s<br />
Kernbausteine Proton und Neutron<br />
entstehen<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 30 / 60
<strong>Das</strong> frühe <strong>Universum</strong><br />
Kleine zeitliche Übersicht<br />
Ära der Kernphysik<br />
10 −2 < t < 10 2 s<br />
Periodensystem<br />
Im Urknall werden die leichten Elemente<br />
gebildet:<br />
D , 3 He , 4 He , 7 Li<br />
Die schweren Elemente werden später in<br />
Sternen gebildet<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 31 / 60
<strong>Das</strong> frühe <strong>Universum</strong><br />
Kleine zeitliche Übersicht<br />
Ära der Atomphysik<br />
t ≈ 10 13 s ≈ 380000 Jahre<br />
Materie und Strahlung entkoppeln<br />
Elektronen und Protonen bilden neutralen<br />
Wasserstoff<br />
die Energie der Photonen reicht nicht<br />
mehr zur Ionisation<br />
das <strong>Universum</strong> wird durchsichtig<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 32 / 60
<strong>Das</strong> frühe <strong>Universum</strong><br />
Kleine zeitliche Übersicht<br />
Ära der Atomphysik<br />
t ≈ 10 13 s ≈ 380000 Jahre<br />
Materie und Strahlung entkoppeln<br />
das <strong>Universum</strong> wird durchsichtig<br />
Hintergrundstrahlung bleibt als Relikt:<br />
COBE, WMAP<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 33 / 60
<strong>Das</strong> frühe <strong>Universum</strong><br />
Kleine zeitliche Übersicht<br />
Ära der Sternbildung<br />
t ≈ 10 16 s ≈ einige hundert Millionen Jahre<br />
erste Sterngeneration: keine schweren<br />
Elemente<br />
Entstehung der schweren Elemente<br />
Riesen–Protostern<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 34 / 60
<strong>Das</strong> frühe <strong>Universum</strong><br />
Kleine zeitliche Übersicht<br />
Ära der Sternbildung<br />
t ≥ 10 16 s ≈ einige hundert Millionen Jahre<br />
erste Sterngeneration: keine schweren<br />
Elemente<br />
Entstehung der schweren Elemente<br />
Sonne: Alter 5 Milliarden Jahre<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 34 / 60
Inhalt<br />
Dunkle Materie und <strong>dunkle</strong> Energie<br />
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Theorie der Kosmologie<br />
<strong>Das</strong> frühe <strong>Universum</strong><br />
Dunkle Materie und Dunkle Energie<br />
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 35 / 60
Dunkle Materie und <strong>dunkle</strong> Energie<br />
Energie und Materie im <strong>Universum</strong><br />
<strong>Das</strong> Unversum besteht zu 96% aus <strong>dunkle</strong>r Materie und <strong>dunkle</strong>r Energie<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 36 / 60
Dunkle Materie und <strong>dunkle</strong> Energie<br />
Dunkle Materie<br />
Die meiste Materie im <strong>Universum</strong> ist dunkel<br />
Dunkle Materie Leuchtende Materie<br />
Dunkle Materie sendet kein Licht aus und reflektiert kein Licht → dunkel.<br />
Auf <strong>dunkle</strong> Materie kann nur indirekt geschlossen werden:<br />
durch die Bewegung leuchtender Objekte und durch Lichtablenkung<br />
Gas<br />
Sterne<br />
Galaxien<br />
Cluster ...<br />
Licht (Gravitationslinseneffekt)<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 37 / 60
Dunkle Materie und <strong>dunkle</strong> Energie<br />
Dunkle Materie<br />
Rotationskurven von Spiralgalaxien<br />
Spiralnebel Vera Rubin<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 38 / 60
Dunkle Materie und <strong>dunkle</strong> Energie<br />
Dunkle Materie<br />
Erwartung der Rotationskurve für eine Spiralgalaxie<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 39 / 60
Dunkle Materie und <strong>dunkle</strong> Energie<br />
Dunkle Materie<br />
gemessene Rotationskurven: typische Beispiele<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 40 / 60
Dunkle Materie und <strong>dunkle</strong> Energie<br />
Dunkle Materie<br />
gemessene Rotationskurven: typische Beispiele<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 40 / 60
Dunkle Materie und <strong>dunkle</strong> Energie<br />
Dunkle Materie<br />
Spiralgalaxie eingebettet in HALO<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 41 / 60
Dunkle Materie und <strong>dunkle</strong> Energie<br />
Dunkle Materie<br />
Galaxien Cluster Fritz Zwicky<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 42 / 60
Dunkle Materie und <strong>dunkle</strong> Energie<br />
Dunkle Materie<br />
Zusammenfassung: Die meiste Materie im <strong>Universum</strong> ist Dunkle Materie<br />
Unterscheidung:<br />
Dunkle Materie, die aus Atomen besteht<br />
⎫<br />
Gas, Staub<br />
Planeten<br />
braune Zwerge<br />
weiße Zwerge<br />
Neutronensterne<br />
schwarze Löcher ...<br />
Dunkle Materie, die nicht aus Atomen besteht<br />
exotische <strong>dunkle</strong> Materie!<br />
WIMPs<br />
⎪⎬<br />
⎪⎭<br />
<br />
< 4 %<br />
= 22 %<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 43 / 60
Dunkle Materie und <strong>dunkle</strong> Energie<br />
Die beschleunigte Expansion des <strong>Universum</strong>s<br />
Die kosmologische Konstante wirkt abstoßend<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 44 / 60
Dunkle Materie und <strong>dunkle</strong> Energie<br />
Dunkle Energie<br />
Vakuumenergie:<br />
←→ Einsteins kosmologische Konstante<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 45 / 60
Dunkle Materie und <strong>dunkle</strong> Energie<br />
Dunkle Energie<br />
Plato postulierte ein 5. Element, das zu dem 5. platonischen Körper<br />
(Dodekahedron) gehören sollte, aus dem der Kosmos selbst gemacht ist:<br />
Quintessenz<br />
Quintessenz: Die fünfte Kraft,<br />
kosmologische Kraft neben den vier bekannten Kräften<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 46 / 60
Dunkle Materie und <strong>dunkle</strong> Energie<br />
Dunkle Energie: überwältigende Evidenz<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 47 / 60
Dunkle Materie und <strong>dunkle</strong> Energie<br />
Dunkle Energie<br />
96 % des <strong>Universum</strong>s sind dunkel/unverstanden:<br />
Dunkle Energie:<br />
größtes Rätsel der heutigen Physik<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 48 / 60
Inhalt<br />
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Beobachtungen zur Kosmologie<br />
Theorie der Kosmologie<br />
<strong>Das</strong> frühe <strong>Universum</strong><br />
Dunkle Materie und Dunkle Energie<br />
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 49 / 60
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Sternentwicklung<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 50 / 60
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Ende des Lebens auf der Erde<br />
In etwa 5 Milliarden<br />
Jahren wird die Sonne<br />
zu einem roten Riesen<br />
Zerstörung: Planeten<br />
Vergrößerung des<br />
Sternradius<br />
Erhöhung der<br />
Temperatur durch<br />
Ausdehnung des<br />
Sternplasma<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 51 / 60
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Ära der Sternbildung<br />
Heute: Etwa 10 10 Jahre, also 10 Milliarden Jahre<br />
heute sind wir noch am Anfang der Ära der Sternbildung<br />
die normale Sternbildungsphase endet nach 10 14 Jahren<br />
d.h. nach 100 Billionen Jahren<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 52 / 60
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Ära der Sternbildung<br />
Sternbildung aus Sternen<br />
Ursache<br />
Kollisionen von Sternen und Galaxien<br />
Ende der Stern- und Galaxieevolution<br />
Sterne mit 0.08M⊙ − 0.25M⊙ am häufigsten, ihre Lebenszeit ist am längsten:<br />
→ Zeitskala für Wasserstoffverbrennung abhängig von Masse des Sterns<br />
→ Sternbildung und -verbrennung zur Zeit 10 14 Jahren abgeschlossen<br />
→ Keine neuen Rohstoffe, um Sterne zu bilden<br />
→ Galaxien verblassen<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 53 / 60
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Sternbildung nach der Ära der Sternbildung<br />
Endprodukte, wenn die normale<br />
Sternevolution aufgehört hat:<br />
braune Zwerge, weiße Zwerge,<br />
Neutronensterne, schwarze Löcher<br />
Stöße zwischen braunen Zwergen<br />
Stöße zwischen weißen Zwergen<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 54 / 60
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Zerfall der Galaxien<br />
10 15 − 10 30 Jahre<br />
Mechanismen des Zerfalls<br />
Kollisionlose Zusammenstöße: Sterne verlassen Galaxis<br />
Energieverlust durch Gravitationswellen:<br />
→ Ansammlung der gesamten Masse im zentralen schwarzen Loch<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 55 / 60
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Zerfall der Galaxiencluster<br />
Zerfall der Galaxiencluster durch<br />
Bildung von noch größeren schwarzen Löchern, massiv wie ganze<br />
Galaxien<br />
Zusammenstöße von schwarzen Löchern und stellaren Objekten wirft<br />
Objekte aus den Superclustersystemen (Abkopplung)<br />
Resultat<br />
Übrig bleiben einige<br />
supermassive schwarze<br />
Löcher, umgeben von<br />
umherwandernden toten<br />
Sternen<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 56 / 60
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
<strong>Das</strong> Zeitalter der Schwarzen Löcher<br />
Zerfall von stellaren Objekten<br />
Auflösung stellarer Objekte<br />
(Neutronensterne, braune und<br />
weiße Zwerge, Planeten)<br />
durch Zerfall der Nukleonen<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 57 / 60
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
<strong>Das</strong> Zeitalter der Schwarzen Löcher<br />
Auflösung der Schwarzen<br />
Löcher<br />
Auflösung durch<br />
Hawkingstrahlung<br />
Zeitskala: 10 98 Jahre für<br />
M = 10 11 M⊙<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 58 / 60
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
<strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong><br />
“Leere”<br />
Um 10 100 Jahre:<br />
<strong>Universum</strong> besteht im Wesentlichen aus<br />
Photonen mit immenser Wellenlänge<br />
Elektronen<br />
Positronen<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 59 / 60
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Nach<br />
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000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 Jahren:<br />
<strong>Das</strong> Ende des <strong>Universum</strong>s<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 60 / 60
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Nach<br />
100.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.<br />
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000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 Jahren:<br />
<strong>Das</strong> Ende des <strong>Universum</strong>s<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 60 / 60
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Nach<br />
100.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.<br />
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000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 Jahren:<br />
<strong>Das</strong> Ende des <strong>Universum</strong>s<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 60 / 60
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Nach<br />
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000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 Jahren:<br />
<strong>Das</strong> Ende des <strong>Universum</strong>s<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 60 / 60
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Nach<br />
100.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.<br />
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000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 Jahren:<br />
<strong>Das</strong> Ende des <strong>Universum</strong>s<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 60 / 60
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Nach<br />
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000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 Jahren:<br />
<strong>Das</strong> Ende des <strong>Universum</strong>s<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 60 / 60
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Nach<br />
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000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 Jahren:<br />
<strong>Das</strong> Ende des <strong>Universum</strong>s<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 60 / 60
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Nach<br />
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000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 Jahren:<br />
<strong>Das</strong> Ende des <strong>Universum</strong>s<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 60 / 60
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Nach<br />
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Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 60 / 60
Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Nach<br />
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Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Nach<br />
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Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
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Die Zukunft des <strong>Universum</strong>s<br />
Nach<br />
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<strong>Das</strong> Ende des <strong>Universum</strong>s<br />
Jutta Kunz (<strong>Universität</strong> <strong>Oldenburg</strong>) <strong>Das</strong> <strong>dunkle</strong> <strong>Universum</strong> <strong>Oldenburg</strong> 22.3.2007 60 / 60
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