Der kosmische Mikrowellen-Klang
Der kosmische Mikrowellen-Klang
Der kosmische Mikrowellen-Klang
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<strong>Der</strong> <strong>kosmische</strong> <strong>Mikrowellen</strong>-<strong>Klang</strong><br />
Kosmologie und Teilchenphysik als akustische Phänomene<br />
1. Kosmologie: Die <strong>Mikrowellen</strong> vom Urknall<br />
2. Dunkle Materie<br />
Michael Kobel<br />
TU Dresden<br />
Lehrkräfte-Stammtisch<br />
9.1.2013
Strukturbildung im Universum<br />
MPI für Astrophysik München, MIllenium Simulation<br />
http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium/<br />
t = 0,2 Mrd. Jahre<br />
20 Mio Lichtjahre<br />
t = 4,7 Mrd. Jahre<br />
150 Mio Lichtjahre<br />
“erste Sterne”<br />
t = 1,0 Mrd. Jahre<br />
50 Mio Lichtjahre<br />
t = heute<br />
300 Mio Lichtjahre<br />
“erste Galaxien”
Ursprung der Dichteunterschiede<br />
Postulat:<br />
Aus Nachhall der Quantenfluktuationen<br />
des Urknalls,<br />
„eingefroren“ durch Inflation<br />
(überholen Ereignishorizont)<br />
Verstärkt durch gravitatives<br />
„Aufsammeln“ der Umgebung<br />
Grenze der Beobachtung: Kosmischer <strong>Mikrowellen</strong>hintergrund
Ursprung der Hintergrundstrahlung<br />
Bis 380.000 Jahre nach Urknall:<br />
„Plasma“ aus Protonen, Heliumkernen, Elektronen, Photonen<br />
1 : 0,06 : 1,12 : 2.000.000.000<br />
Strahlung (Photonen) und Materie in Wechselwirkung<br />
Temperatur T > 3000 K Ionisation von H-Atomen durch Photonen<br />
380.000 Jahre nach Urknall:<br />
Atomhüllen bilden sich<br />
Das Universum wird durchsichtig<br />
Strahlung breitet sich ungehindert aus
Wenn das Universum heute 80 Jahre wäre…<br />
(13.700.000.000 Jahre 80 Jahre)<br />
Ein Neugeborenes,<br />
19 Stunden alt.<br />
Erste Schritte<br />
mit 13 Monaten<br />
Schulanfang<br />
mit 6 Jahren<br />
Das Universum ist 80.<br />
„Hat“ seit 5 Stunden<br />
Homo Sapiens
Unsere Sonne<br />
Wie lange braucht das Licht<br />
(Photonen) vom Inneren an die<br />
Sonnenoberfläche?<br />
A: 2 sec<br />
B: 8 min<br />
C: 12 Monate<br />
D: 100.000 100,000 Jahre
Analogie: Die Sonne<br />
Gasball aus H und He, normalerweise durchsichtig<br />
Innen: T > 10.000.000 K<br />
Ionisation der Atome<br />
freie Elektronen<br />
Licht jeder Energie<br />
wird absorbiert<br />
und wieder emittiert<br />
Erst nach ~100.000 Jahren<br />
Ankunft nahe der Oberfläche<br />
Oberfläche (Photosphäre)<br />
T = 6000 K<br />
Elektronen an<br />
Atome gebunden<br />
Licht kann entweichen<br />
erreicht nach 8 min<br />
ungehindert die Erde
Beispiele zur Vermessung der Hintergrundstrahlung<br />
1999 BOOMERanG
Temperaturschwankungen<br />
Dichtere Regionen sind etwas wärmer als dünnere<br />
Hintergrundstrahlung von dort ist etwas energiereicher<br />
Mittlere Temperatur heute: 2,73 K über absolut Null (-270,42 o C)<br />
Typische Temperaturschwankungen: +- 0,0002 K<br />
Physik Nobelpreis 2006: Entdeckung dieser Schwankungen<br />
John C. Mather und George Smoot (COBE Satellit)<br />
COBE
<strong>Mikrowellen</strong> als Babyfoto<br />
Cobe 1994<br />
WMAP 2003
Nach Abzug unserer Milchstraße<br />
• Winzige Temperaturschwankungen: T=2,73 K +- 0,0002 K<br />
• “heiße” und “kalte” Flecken = “dichte” und “dünne” Gebiete<br />
• genau wie bei Schall <strong>Klang</strong> des Universums
Akustische Analogie I: Chladni-Figuren
Akustische Analogie II: Musikinstrumente
Die Obertöne des Kosmischen <strong>Klang</strong>s<br />
• Das Ohr hört an Obertönen:<br />
• Art des Instruments<br />
• geübtes Ohr: Bauweise<br />
Astrophysiker erkennen<br />
an den Obertönen:<br />
•„Form“ des Universums<br />
• Zusammensetzung
Vergleich der Akustischen Wellen<br />
Schallgeschwindigkeit im Gas<br />
u =<br />
p<br />
r<br />
Frequenz<br />
f<br />
=<br />
u<br />
l<br />
Luft Universum Verhält.<br />
Wechselwirkung Druck d. Stöße Druck d. Strahlung<br />
+ Gravitation (!)<br />
Dichte 3x10 25 Moleküle / m 3 3x10 8 Protonen / m 3<br />
(bei 380.000 Jahren)<br />
10 -17<br />
Zustandsgleichung pV k = const. p ~ r k p = ⅓c 2 r<br />
Geschwindigkeit v = kp/r = 340 m/s v= c/ 3 =1,7x10 8 m/s 500.000<br />
Wellenlänge 20 mm – 20 m 20.000 – 400.000 Lj 10 20 - 10 22<br />
Frequenz 17.000 – 17 Hz 10 -12 – 0,4x10 -13 Hz 10 -14 -10 -16<br />
Akustik bis zu Frequenzen von 0,04 pHz !
Schallwellen vermessen Geometrie<br />
l (Geometrie) =<br />
u (1/ Dichte)<br />
f (Tonhöhe)<br />
Geometrieänderung (Dichte=const.) ergibt Frequenzänderung<br />
Länge Tonhöhe ( Saiten, Pfeifen)<br />
Form <strong>Klang</strong> (Frequenzzusammensetzung) ( Fourierzerlegung )<br />
a e i o u<br />
Dichteänderung (Geometrie=const.) ergibt ebenfalls Frequenzänderung<br />
( Einatmen von Helium oder Schwefelhexafluorid SF 6 )<br />
Universum: Kenne v und f Ł bestimme l (Maßstab)
Geometrie der Raumkrümmung<br />
erlaubt Rückschluss auf gesamten<br />
Energieinhalt ( Masseninhalt) W<br />
W = M / M flach<br />
W < 1<br />
W = 1<br />
negativ gekrümmt<br />
flach<br />
positiv gekrümmt<br />
W > 1<br />
allgemeine<br />
Relativitätstheorie
Geometrie = „Form“ des Universums<br />
W > 1 W = 1 W < 1<br />
13,7 Mrd. Lichtjahre<br />
bekannter<br />
Maßstab<br />
l<br />
- neg. gekrümmt<br />
- flach<br />
- pos. gekrümmt<br />
W = 1,005 +- 0,006
Das Universum als Spiegelsaal?<br />
Flach:= Parallele bleiben Parallel<br />
trotzdem endliches Volumen möglich!<br />
einfachste Lösung: Torus (eingeschränkte 3D<br />
2D Visualisierung)<br />
3D Visualisierung als Spiegelsaal
Möglicher Nachweis: “circles- in- the sky”<br />
Sobald Ereignishorizont größer Einheitszelle gleiche Muster gegenüber<br />
(heutiger Ereignishorizont: 46 Mrd. Lichtjahre) )<br />
konsistent mit langwelligen CMB Pattern!<br />
Spektrum der Wissenschaft, Januar 2009 http://www.spektrum.de/artikel/974631<br />
Beste Anpassung an CMB Daten:<br />
(Aurich, Steiner et al, Uni Ulm, 2008)<br />
http://arxiv.org/abs/0708.1420<br />
Kantenlänge = 54 Mrd. Lichtjahre<br />
(große Unsicherheiten!)
Zusammensetzung des Universums<br />
Beiträge zur Gesamtenergie W<br />
atomare Materie (p,n,e): W B<br />
Sterne, Planeten, Gaswolken, Schwarze Löcher,…<br />
-- dämpft den ersten „Oberton“<br />
-- verstärkt den zweiten „Oberton“<br />
nichtatomare „dunkle“ Materie (n, …): W DM<br />
Ungebundene Elementarteilchen, schwach wechselwirkend<br />
-- verstärkten den zweiten „Oberton“<br />
„dunkle“ Energie: W V<br />
„kosmologische Konstante“<br />
„Vakuumenergie“<br />
unverdünnbar<br />
W = W B + W DM + W V = 1
<strong>Der</strong> Effekt von Gravitation (~Materiedichte)<br />
Veränderung der <br />
Amplitudenverhältnisse
Ergebnis<br />
5% atomare Materie (W B =0,05)<br />
22% nichtatom. Materie (W DM<br />
=0,22)<br />
Summe: W=1,00<br />
73% „dunkle Energie“ (W V =0,73) !
Unabhängige Bestätigungen:<br />
Supernovae und Galaxiencluster<br />
=W V<br />
= W B + W DM
Zwischenbilanz<br />
• Nur 27% des Universums ist Materie<br />
W m = W B + W DM = 0,27<br />
• 5/6 davon ist nichtatomare, „dunkle“, Materie<br />
möglicherweise uns völlig unbekannt<br />
• 73% ist keine Materie, sondern „dunkle Energie“<br />
und treibt das Universum auseinander<br />
•Weder die Erde noch die<br />
Sonne noch die Milchstraße<br />
ist Mittelpunkt des Kosmos<br />
•Selbst der Stoff aus dem all<br />
das gemacht ist, ist eine<br />
„Randerscheinung“ (~ 5%)<br />
•Die „dunkle Energie“<br />
bestimmt die Zukunft
Zusammenfassung<br />
• Die „Kosmische Symphonie“ der <strong>Mikrowellen</strong>hintergrund Obertöne ergeben<br />
Form und Zusammensetzung des Universums<br />
• Das Universum ist im Mittel flach<br />
• Die Masse der uns bekannten atomaren Materie bildet<br />
ca. 5% der Gesamtenergie des Universums<br />
• Neutrinos erklären nur einen kleinen Bruchteil der<br />
22% nichtatomaren „dunklen“ Materie im Weltall<br />
• Es gibt Ideen, was der Rest ist ( LHC Experimente 2010-…?)<br />
• 73% der Gesamtenergie steckt in „dunkler Energie“,<br />
unverstanden, aber bestimmend für die Zukunft<br />
• Kosmologie und Teilchenphysik,<br />
Quantenphysik und Akustik<br />
sind eng verknüpft
Literaturempfehlungen<br />
(zusätzlich zu den schon genannten)<br />
• Dieser Talk (ab morgen) auf:<br />
http://iktp.tu-dresden.de/IKTP/forschung/Pub.php (Projekt: Outreach)<br />
• Harald Lesch / Jörn Müller<br />
Kosmologie für Helle Köpfe<br />
(Goldmann Taschenbuch, 2006)<br />
• Wayne Hu, The Physics of microwave background anisotropies<br />
http://background.uchicago.edu/~whu/physics/physics.html<br />
(mit Artikel aus Scientific American: The cosmic symphony, 2004)<br />
• Kosmologie und Teilchenphysik generell<br />
www.weltderphysik.de Das Weltall, Welt des Allerkleinsten<br />
www.teilchenphysik.de<br />
• Physik am LHC<br />
www.weltmaschine.de<br />
www.weltderphysik.de/de/351.php<br />
• Teilchenphysik für die Schule<br />
www.teilchenwelt.de/material<br />
www.teilchenphysik.de/multimedia/lehr__und_lernmodule/<br />
www.physicsmasterclasses.org (nächste Veranstaltungen: März 2013!)