Unser Universum - Landessternwarte Heidelberg-Königstuhl

Unser Kosmos - Das
Weltbild der Astronomie
Max Camenzind
Neckargemünd @ 2011

Aufbau und Entwicklung des Weltalls
• Naturwissenschaften wie die Astronomie und
Kosmologie beschreiben die Natur. Es geht in der
Astronomie im Allgemeinen und in der Kosmologie im
Besonderen nicht darum, den Sinn des Universums oder
die Aufgabe des Menschen darin zu ergründen. Da viele
Sprachen zwischen dem Sternen-Himmel und dem
religiösen Himmel nicht unterscheiden, fällt vielen die
Unterscheidung gedanklich schwer. Man ist nicht
gewohnt, über das Weltall nachzudenken. Es erstaunt
immer wieder, wie z.B. in Quizsendungen kluge Leute, die
vorher gewusst haben, wer 1956 Präsident von Italien war,
schließlich scheitern, wenn nach dem größten Planeten im
Sonnensystem gefragt wird.

• Vor über hundert Jahren begann Albert Einstein mit
der Entwicklung seiner Relativitätstheorie, die zehn
Jahre später in eine neue Theorie der Schwerkraft
mündete, der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART)
• Edwin Hubble zeigte 1924, dass die Spiralnebel nicht
zu unserer Milchstraße gehören, sondern eigene
Galaxien sind. Er fand 1929 den Effekt einer stärkeren
Rotverschiebung für entferntere Galaxien und konnte
zeigen, dass die Rotverschiebung z einer Galaxie
proportional zur Distanz d ist. Theoretisch wurde
dies von Alexander Friedmann (1922) und Georges
Lemaitre (1927) vor Hubble publiziert: cz = H 0 d.
• Die Expansion des Universums wird fälschlicherweise
Hubble zugeschrieben.

Unser Blick ins Universum
- der lange Weg zum modernen Universum
Nur Sterne, Planeten
& Band der Milchstraße

Geozentrisches Weltbild – Kristallsphären
Geozentrisches Weltbild
Claudius Ptolemäus, 100 - 170 AD
Mond Erde Venus Sonne Mars
Fixstern-
Sphäre
ist noch
heute in
Gebrauch
…“das ist die natürliche Bewegung der Erde ….ist in Richtung des
Zentrums des Universums; deshalb muss die Erde das Zentrum sein.”
Aristoteles, “De Caelo”

Paradigmen-Wechsel ~ 1600
Ptolemäus Mittelalter
Aristarch von Samos
(310 – 230 v. Chr.)
Kopernikus (1473 - 1543)

1920: Milchstraße – unsere Heimat
50 kpc ~ 160.000 LJ
Mittlere Abstand zwischen Galaxien ~ Mpc

Was ist jenseits der Fixsternsphäre?
Camille Flammarion, 1888, Holzstich „Wanderer am Weltenrand“

Messier Nebel sind Galaxien
M 91
M 88
M 90
Image: Rogelio Bernal Andreo
Virgo-Haufen 16 Mpc entfernt
NGC 4477
M 89
NGC 4473
M 87
M 86
M 84
NGC 4438/Augen

Galaxien sind die
Bausteine im Universum
100 Mrd. Helle Galaxien
Statisches Universum würde kollabieren
Hubble Ultra-Deep Field
HUDF 2004 – 13 Mrd. Ljahre
100 Mrd. helle Galaxien

• 400 Jahre Teleskope und Kepler-Gesetze
• Wissenstransformation ist wichtig.
Übersicht
• Teleskope – die Hilfsmittel des Astronomen;
Fortschritte in der Erkenntnis sind an
Teleskoptechnik gebunden.
• Sonnensystem - erste Objekte der Neugierde.
• Die Milchstraße – die Welt der Sterne.
• Galaxien als Bausteine des Universums.
• Zeitliche Entwicklung unseres Universums.

• Das Jahr 2009 ist das Internationale Jahr
der Astronomie. Anlass ist das 400-jährige
Jubiläum von zwei Ereignissen, die die
moderne Astronomie begründet haben:
• Im Jahr 1609 nutzte Galileo Galilei
zum ersten Mal ein Fernrohr zur
Himmelsbetrachtung neue Fenster.
• Im selben Jahr veröffentlichte
Johannes Kepler sein Buch "Astronomia
Nova", in dem er grundlegende Gesetze der
Planetenbewegung aufzeigte.
• Erst durch Einstein 1915 revidiert.

Wissenstransformation
“Wir sind Teil des Universums
und das Universum ist Teil von uns”
Haus der Astronomie
Heidelberg
Tschira-Stiftung 2009

Haus der Astronomie

Haus der Astronomie HD
mit Planetarium

4 Nobelpreise für Forschung
an Sonne & kompakten Sternen
1974 Anthony Hewish, Cambridge/UK
.... für seine entscheidende Rolle bei der Entdeckung der
Pulsare und ihrer Deutung als rotierende Neutronensterne
1983 Subramanyan Chandrasekhar, Chicago, USA
.... für seine Theorie der Struktur Weißer Zwerge
(aus den 1930er Jahren)
1993 Russell Hulse & Joseph Taylor, Princeton, USA
.... für die Entdeckung des Doppelsternpulsars, der eine neue
Möglichkeit für das Studium der Gravitation eröffnet hat
2002 Raymond Davis, Riccardo Giacconi, USA, Koshiba, Jp
.... für bahnbrechende Beiträge zur Astrophysik, die zur Entdeckung
der Sonnen- & SN-Neutrinos und kosmischer Röntgenquellen führte

4 Nobelpreise für Forschung
im Bereich der Kosmologie
1978 Arno Penzias & Robert W. Wilson, Bell Labs/USA
.... für die Entdeckung der 3 Grad Hintergrundstrahlung
mittels Radioteleskop im Jahre 1964, 1965 publiziert
2006 John C. Mather & George F. Smoot, USA
.... Für ihre Untersuchungen der kosmischen Hintergrundstrahlung mit
Hilfe des COBE-Satelliten (aus den Jahren 1989 - 1993)
2011 Saul Perlmutter, Adam Riess & Brian Schmidt, USA
.... für die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums
mittels Supernovae vom Typ Ia als Standardkerzen
20?? …………………………………………….. ???? ………………………….
.... für bahnbrechende Beiträge zur Polarisation der kosmischen
Hintergrundstrahlung, die zur Entdeckung ……………

Sternwarten um 1900
Landessternwarte Königstuhl
Bruce Refraktor
70cm Reflektor

Observatorien der Gegenwart
Mount Paranal / ESO
• 4 VLT Teleskope
• Hilfsteleskope (Interferometrie)
• Survey Teleskope

Observatorien
der Gegenwart
Keck Mauna Kea

Strahlung – Grundlage der Astronomie
• Alle Objekte im Universum (außer Schwarze
Löcher) strahlen elektromagnetische
Wellen unterschiedlicher Wellenlänge ab.
• Diese Wellenlänge kann über c = λ * f auch
als Frequenz f ausgedrückt werden.
• Untersuchung dieser Strahlung gibt uns
Aufschluss über Entstehung und
Entwicklung unseres Universums.
• Teleskope sammeln diese Strahlung.

Spektrum II

Erdatmosphäre

Das Sonnenspektrum
Spektrum der einfallenden Strahlung
Schwarzer Körper T = 5800 K
Strahlung auf Meereshöhe

Fraunhofer–Linien 1815
Joseph von Fraunhofer katalogisierte 1815
mehr als 500 dunkle Linien ( Absorption),
die im Spektrum der Sonne auftreten.
Mittlerweile sind etwa
25000 solcher „Fraunhofer-Linien“ bekannt.

Ein Stern ist ein strahlender Körper.
Für solche Körper hat man den
Zusammenhang zwischen der
Temperatur und der Intensitätsverteilung
der Strahlung auf die verschiedenen
Wellenlängen genau
untersucht.
Max Planck konnte 1901 die
Gesetzmäßigkeiten eines sogenannten
schwarzen Strahlers theoretisch genau
beschreieben.
Dabei führte er die berühmte
Naturkonstante h ein, die man heute
als Planck-Konstante bezeichnet. Sie ist
die wichtigste Konstante der modernen
Physik geworden.
Max Planck
1858 - 1947

Ein sonnenartiges
Sternspektrum

Optische Teleskope
1 Linsenteleskope
(Refraktoren)
2 Spiegelteleskope
(Reflektoren)
3 Andere Teleskoparten
(Radio- & Röntgenteleskope)

Die ersten Refraktoren
Kepler Fernrohr 1611
Galilei Fernrohr 1609

Stadt-Sternwarten – bis ~ 1850
Sternwartenturm in Mannheim, *1772
mit Mauerquadrant

The Royal Greenwich Observatory
Sternwarte Greenwich, 1675 gegründet, Ansicht von 1824
The „Royal Greenwich Observatory“ - Nullmeridian

Urania-Sternwarte Zürich, 1864
im Zusammenhang mit ETH

Astron. Methoden – bis ~ 1850
Methoden:
• Visuelle Beobachtungen
• Meridian-Kreise, Uhren
• Mikrometer-Okkulare
Fragen im Vordergrund:
• Wie viele Sterne?
• Bewegen sie sich?
• Wie weit sind sie von
uns weg?
• Suche von Planeten &
Kleinplaneten im Sonnensystem

1850 – 1910 : Refraktoren
Potsdam 80cm
Bruce Astrograph
Landessternwarte
Königstuhl

Astron. Methoden : 1850 - 1910
Potsdam 80cm
Methoden:
• Große Linsenteleskope
• Beginn der Photographie
• Anfänge der Spektroskopie
Fragen im Vordergrund:
• Was sind die Eigenschaften
von Sternen (Masse, Radius, ... )?
• Wie groß ist die Milchstraße?

Der “Dinosaurier”
Der Yerkes-Refraktor (Hale)
102 cm Öffnung
19,7 m Brennweite
Einweihung: 1897

1910 – 1970 : Amerika dominiert
“Europa ist im Krieg”
Hooker 2,5m
Spiegelteleskop
1917

Erste Spiegelteleskope : 1900 - 1960
1949
Palomar 5m

Astron. Methoden : 1910 - 1960
1949
Methoden:
• Große Spiegelteleskope
• Photographische Photometrie
und Spektroskopie von
sehr schwachen Objekten
• erste Radioteleskope
Fragen im Vordergrund:
• Wie entwickeln sich Sterne?
• Was sind die “Spiralnebel”?
• Ausdehnung des Universums

Berg-Observatorien : 1960 - 1990
Calar Alto 3,5 m
ESO La Silla 3,6 m

Very Large Array
Astron.
Methoden
1960 - 2010
Methoden:
• Computersteuerung
• Elektronische Digital-
Kameras, Infrarotkameras
• Noch größere Spiegelteleskope
• Radiointerferometer
• Weltraumteleskope
Fragen im Vordergrund:
• Wie entstehen Sterne?
• Wie entstehen Galaxien?
• Was sind “Quasare”?
• Wie groß ist das Universum?

Moderne Großteleskope Keck
Mauna Kea
36 hexagonale Segmente

Moderne Großteleskope VLT/ESO
Paranal Chile: 8,2 m Monolith Zerodur
Very Large Telescopes (4x8m)

Moderne “Tempel der Astronomen”
4 x 8 m Teleskope auf 2635 m Höhe in Chile
0,05 – 0,001 Bogensekunden Auflösung 1/100 Parsek

Optik der VLT Teleskope

Hilfsteleskope für VLTI

VLT Kueyen
Moderne Großteleskope
Fragen im Vordergrund:
• Schwarze Löcher
• Braune Zwerge & Planeten
• Wann sind die ersten Galaxien
entstanden?
• Wie entwickelt sich das
Universum?
Methoden:
• Teleskope der 10-m Klasse
• Korrektur von atmosphärische
Störungen – adaptive Optik
• Weltraumteleskope, Hochenergie

Instrumentierung / VLT

Teleskope der Zukunft
LBT
Mount Graham
Arizona
(D Beteiligung)

LBT
02/2008

Observatorien der Zukunft
Das E-ELT Projekt der ESO / 2018
42 m Segmentspiegel – 1000 Segmente

Giant
Magellan
Teleskop
7 x 8 m
2018

30-Meter Teleskop TMT Hawaii 2018

Moderne Weltraumteleskope
XMM-Newton
seit 1990

Das Hubble-Weltraum-Teleskop HST
1990 gestartet
… und immer noch im Dienst

Das Hubble-Weltraum-Teleskop
Länge: 13 m
Durchmesser: 4 m
Masse: 11 Tonnen
Energiebedarf: 2,8 kW
Hauptspiegel: 2,4 m
Sekundärspiegel: 0,3 m
Auflösung: 1/20 ‘‘
Grenzhelligkeiten: 30 m
Drei Kameras
Diverse Spektrometer
Frequenzbereich:
Ultraviolett - Infrarot
l = 115 - 2500 nm

JWST
Nachfolger von Hubble

Team members in front of the JWST full-scale model
at the Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland.

Herschel im Flug zu L2

Lagrange-Punkte
Erde - Sonne

Gamma-Teleskope
Harte Photonen aus dem Kosmos
• Neben Röntgenstrahlung emittieren einige
Quellen auch Gamma-Strahlung (Pulsare,
Quasare etc).
• Fermi-Satellit im MeV-GeV Bereich.
• Luft-Cherenkov Technik im TeV
Bereich.
• Was sind Gamma-Quellen?

FERMI Satellit
2008 - 2012

Der Gamma-Himmel vor FERMI

Luft-Cherenkov-Technik
Primärteilchen
(100 GeV-TeV Energie)
Relatvistischen
Teilchenschauer (10 km
NN) beim Auftreffen
auf Atmosphäre.
Cherenkov-Licht
Schauerellipse in der
Kamera.

Teilchen werden z.B. in
den Supernova-Stoßwellen beschleunigt?

MAGIC I
MAGIC Gelände
La Palma (Spanien)
HEGRA CT3
MAGIC II

Die europäischen TeV-Gammateleskope in Namibia:
„H.E.S.S“: High Energy Stereoscopic System

Zukunft: CTA Projekt

Zukunftsvision:
Netzwerk global verteilter IACTs
Dedicated
Worldwide Agn
Research Facility
(DWARF)
VERITAS
MAGIC
DWARF
H.E.S.S.
CANGAROO

Astronomie lange Zeit
„nur“ Sonnensystem

Unser Sonnensystem

Die Erde vom
Weltall aus

Sonne im Vergleich zu Planeten

Sonne im
Vergleich
zu andern
Sternen

Gasriese
Jupiter
Masse = 0,001 M S
Radius = 0,1 R S
Bahn = 5,2 AE
Umlauf = 11,8 a

Aurora
Hubble Aufnahme

Wie gefährlich sind
Asteroiden?
Was sind Langrange-
Punkte?

Asteroiden-Verteilung
rot: Hauptgürtelobjekte,
blau: sonstige
Asteroidengruppen

Der Rand des Sonnensystems
Bug-Schock Welle
Heliosphäre

1 AU = 1 AE = Unsere Nachbarschaft
Abstand Erde-Sonne Oortsche Wolke
Heliosphäre
Interstellarer Raum

1235 Exoplaneten entdeckt

Kepler Mission / NASA
Das fliegende Photometer

Der erste “Rocky” Planet

Galaxis – 100 Mia. Sterne
Staub verdeckt
die Sicht zum Zentrum

Filigrane Strukturen Milchstraße

Milchstraße von außen
Bulge, Spiralarme,
eingebettet in DM Halo

Galaktisches Zentrum
InfraRot Sternhaufen
zentriert auf Schwarzes Loch

Bestandteile einer Galaxie
Sombrero M 104
Bulge, Sphäroid
Elliptischer Teil
Scheibe
Galaxien 4 Komponenten:
- Bulge (Sterne)
- Scheibe (Gas & Sterne)
- Supermassereiches SL
- Halo (Dunkle Materie)

Das Universum -
Die Welt der Galaxien Andromeda
optisch

Andromeda
im Infraroten

Image Credit: Ken Crawford
Galaxien leben
im Verband
NGC 1055 – M77 (NGC 1068)
Distanz ~ 60 Mio lyrs

Galaxien leben
im Verband
Virgo-Haufen (CFHT)
Distanz ~ 17 Mpc

Galaxien leben im Verband
Perseus Haufen

100 Milliarden Galaxien
Hubble Ultra-Deep Field HUDF
Aufgenommen mit HST 2003-2004
800 Einzelbelichtungen, 10000 Galaxien
Junge Galaxien im Universum

morgen
Das
Universum
expandiert
Hubble
1929
cz = H 0 d
Urknall
heute
gestern

Woody Allen
„Wenn das Universum
expandiert, warum
kann ich dann keinen
Parkplatz finden ?“
Antwort: ???
Bildquelle: Web, http://www.monerohernandez.com/GALERIA/woodyallen.html

CfA1986
SDSS2006
Das Universum ist klumpig

Das Universum entwickelt sich
Auf Zeit-
Skalen von
Mia. Jahren

Galaxien-
haufen
„Cosmic
Web“

13,7 Mia. Jahre
Lichtlaufzeit

Die zeitliche Entwicklung
z=0
des Universums
*
*
* *
* *
* *
*
*
z=2
*
• Quasare
Masse des SL wächst
Alter des Universums (Mia. Jahren) (380´000 a)
*
z=6
*
z=20
z=1080

Vom Big-Bang zum heutigen
LEP
1989-2000
Universum
LHC
2010-2020 Hubble
1990-2013

• Die Big-Bang Theorie darf ohne weiteres als eine der größten
wissenschaftlichen Errungenschaften des 20. Jahrhunderts
angesehen werden. Sie bietet ein plausibles Erklärungsmodell
für das Universum, wie wir es sehen. Und sie hat sich in vieler
Hinsicht empirisch bestätigen lassen. Alternative Kosmologien
sind rar und nicht überzeugend.
• Dennoch: Die Urknall-Theorie hat ihre Grenzen und vermag
viele noch ungeklärte Fragen nicht zu beantworten, wie:
• Wo liegt der eigentliche Anfang des Kosmos? Was war vor
dem Urknall? Gibt es eine Ursache für den Big-Bang? Oder
war in der Anfangssingularität der Ursache-Wirkungs-
Mechanismus aufgehoben?
• Ging unser Universum aus einem Etwas hervor oder
entsprang es dem Nichts? Und wenn dem Nichts, wie soll das
vonstatten gegangen sein? Ist das Universum, das wir
beobachten, das einzige und alleinige?

Vom Big-Bang zu Galaxien

Big-Bang – sind Fragen erlaubt ?
• Alle diese offenen Fragen und Probleme führten dazu,
dass einige Forscher weiterdachten und auch die Frage
nach dem „Woher“ und „Vorher“ stellten. Was war vor
dem Urknall?
• Es gibt sowohl Wissenschaftler als auch Theologen, die
meinen, dass wir die Frage nach dem, was vor dem
Urknall war, nicht stellen sollten und können, entweder
weil sich diese
• Frage einer empirischen Untersuchung verweigert
• oder weil wir hier in einen metaphysischen Bereich
eindringen.

Unser Universum entstand
Quanten-
fluktuationen
wachsen zu
kosmischen
Strukturen
aus einer S³ von ~10 Planck-Radien
1 Planck-Radius = 10 -35 m

Das Quanten
Universum …
Martin Bojowald
Quanten-
Brücke
Spiegel 2009

Big-Bang – die Idee der Inflation
• Alan Guth, ein junger amerikanischer Quantenphysiker,
wagte es in den achtziger Jahren, der Frage nach dem
Woher des Urknalls nachzugehen. Er verstand die
Quantenwelt als eine Art Kraftfeld. Guth erkannte, dass
dieses Quantenfeld – wir sprechen heute von „skalaren
Feldern“ (dem sog. Inflaton) – die einzige in der Natur
vorkommende Kraft ist, die auch im Vakuum wirken kann.
• Guth vermutete, dass das Universum nicht mit einem
ursprünglichen Knall entstand, sondern in einer noch
früheren Phase mit einer kleinen Quantenfluktuation. Nach
den modellhaften Berechnungen musste sich die
Entwicklung des Universums in zwei Phasen vollzogen
haben:
• eine Phase vor dem Urknall und eine weitere danach.

• Guth sprach von „Aufblähung“ oder „Inflation“
(aus dem lateinischen für „aufblasen“). Während
eines winzigen Bruchteils einer Sekunde wuchs das
Universum um einen Faktor 10 30 an und sammelte
in dieser sich aufblähenden Vakuumblase einen
immer größeren Energievorrat an.
• Schließlich war ein Punkt erreicht, an dem der
Inflationsprozess stoppte, so dass sich die in diesem
Feld angestaute und eingesperrte, inzwischen
unvorstellbar gewachsene Kraftfeldenergie im
Urknall entlud.
• Nach der Inflation bildete sich nach einer weiteren
Phase der Ausdehnung und Abkühlung die Welt der
heutigen Materie: Quarks, Gluonen, Leptonen, …

Idea of Inflationary Universe
10 30
nach Andrei Linde

Skalen wachsen von Planck zu Cosmic Web
Planck Skalen
R_H = c/H 0 = 4225 Mpc : Hubble Radius
Cosmic
Web
Camenzind 2010

Zusammenfassung
• Teleskop-Technologie hat in 400 Jahren eine
gewaltige Entwicklung vollzogen – vom ersten
Refraktor zu Großteleskopen.
• Weltraum-Astronomie ist heute eine wichtige
Stütze der klassischen Astronomie: Hubble,
XMM-Newton, Fermi, Planck, Herschel, …
• Photonen können heute bis in den TeV-
Energiebereich beobachtet werden.
• Galaxien bestehen aus Sternen, das Universum
aus Galaxien und viel Dunkler Materie.
• Galaxien Bausteine des Universums haben
ihren Ursprung in der Inflation.

Literatur
• Harry Nussbaumer: Das Weltbild der
Astronomie, vdf ETH Verlag, Zürich 2007
• Simon Singh: Big Bang, dtv Taschenbuch
• Max Camenzind: Unser Kosmos – Das
Weltbild der Astronomie; 2009;
http://www.lsw.uni-heidelberg.de/users/mcamenzi
• Max Camenzind: Skripten zur Einführung in
Astronomie und Kosmologie; 2010;
http://www.lsw.uni-heidelberg.de/users/mcamenzi
• Internetseiten, wie Wiki, APOD, HST, …