Kosmologie Prof. Lotze 2016 Kosmologisches Prinzip: Die Welt in 3 räumlichen Dimensionen ist in all ihren messbaren Eigenschaften immer und überall isotrop und homogen. [bezogen auf Längenskalen von ∼ 500 ⋅ 106 ly] Retroversum - der schon beobachtbar gewesene Teil des Minkowski-Diagramms [im Lichtkegel, in der Vergangenheit] Im Moment sieht man nur die Ereignisse auf dem Lichtkegel. lateinische Buchstaben [a, b, . . . ] ∈ {1, 2, 3, 4}; griechische Buchstaben [α, β, . . . ] ∈ {1, 2, 3}; x4 = c0 t Signatur (+ + + −); ds2 = gmn dxm dxn , Symmetrisch: gmn = gnm 1 Christoffel-Symbole: Γabc = g am [gmb,c + gmc,b − gbc,m ] 2 Robertson-Walker-Metrik: Es ist gmn = gnm , wegen Isotropie ⇒ gα4 = 0 . √ Via x4 ∶= −g44 (x̃4 )x̃4 kann immer g44 = −1 gewählt werden. ⇔ Weyl’sches Postulat: Die Weltlinien von Galaxien sind Geodäten, die auf raumartigen Hyperflächen senkrecht stehen. Isotropie zu jeder Zeit ⇒ Separabel in Raum und Zeit: g̃αβ (xγ , t) = R̃2 (t) gαβ Für Raumschnitte [t = const.] folgt aus Homogenität, dass die Raumkrümmung überall konstant sein muss ⇒ [wobei dann Ricci-Tensor Rβδ = 2Kgβδ , Krümmungsskalar R̂ = 6K] Rαβγδ = K [gαγ gβδ − gαδ gβγ ] . Aufgrund Isotropie kugelsymmetrischer Ansatz ⇒ ds2 = R̃2 (t)[ dr̃2 + r̃2 dΩ2 ] − c20 dt2 1 − K r̃2 ± 2 = dϑ2 +sin (ϑ) dϕ2 ⎧ +1 , K > 0 ⎪ √ ⎪ R ⎪ Reskalierung von R̃ =∶ √ und r̃ = Kr und Definition von ε = ⎨ 0 , K = 0 liefert ⎪ K ⎪ ⎪ ⎩ −1 , K < 0 2 dr + r2 dΩ2 ] − c20 dt2 . ds2 = R2 (t)[ 1 − ε r2 ⎧ sin(χ) , ε = 1 ,0 ≤ χ ≤ π ⎪ radialer Abstand D ∶= Rχ ⎪ ⎪ χ ,ε = 0 ,0 ≤ χ < ∞ Mit r(χ) = ⎨ vereinfacht sich die Notation zu metrischer Abstand Rr ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ sinh(χ) , ε = −1 , 0 ≤ χ < ∞ ds2 = R2 (t)[dχ2 + r2 (χ) dΩ2 ] − c20 dt2 . Hubble-Parameter H(t) = Ṙ(t) R(t) dD dt = H(t)D(t) m l d2 xk k dx dx + Γ =0 lm dλ2 dλ dλ ∂L d ∂L [ k]− k = 0 dλ ∂ ẋ ∂x Geodätengleichung: Lagrange II: Expansionsrotverschiebung: schiebung. Es ist v(t) = , λo R(t0 ) = =∶ 1 + z λe R(te ) R(t) ≈ R(t0 )[1 + Ṙ(t0 ) R(t0 ) , L=[ , mit o - Observation, e - Emission, z - Rotver- [t − t0 ] + 1 2 R̈(t0 ) R(t0 ) [t − t0 ]2 + O ([t − t0 ]3 )] mit dem Hubble-Parameter H0 = H(t0 ), dem Verzögerungsparameter q(t) = − 1 1 heißt Hubble-Zeit; für [t − t0 ] ≪ H0 H0 ds 2 ] . dλ zeitartig : ds2 < 0 lichtartig : ds2 = 0 raumartig : ds2 > 0 =∶−q0 H0 2 =∶H0 ; Geschwindigkeits-Entfernungs-Relation , R̈(t)R(t) [q0 = q(t0 )]. Ṙ2 (t) spricht man von “kosmischer Nahzone” / “kosmischer Nachbarschaft”. 1 Kosmologie Prof. Lotze 2016 In zweiter Näherung ergibt sich in der Nahzone die Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation 1 H0 D(t0 ) = c0 z − [1 + q0 ]c0 z 2 + O (z 3 ) . 2 L [Leuchtkraft L] für einen radiales Licht 4πDL 2 [ds2 = 0] beobachtenden Beobachter [χ = const., t = t0 ] in obiger Näherung L DL ≈ χR(t0 )[1 + z] = D(t0 )[1 + z] . und mit r(χ) = χ + O (χ3 ) F= 4πr2 (χ)R2 (t0 )[1 + z]2 1 ⇒ H0 DL = c0 z + [1 − q0 ]c0 z 2 + O (z 3 ) . 2 Für die Leuchtkraft-Entfernung DL ergibt sich über den Fluss F = ab... D T c... ab... ab... = T c...;i = ∇i T c... ist ein Tensor, der im lokalen Inertialsystem mit D xi der partiellen Ableitung übereinstimmt. Christoffel-Symbole: Γabc = 12 g am [gmb,c + gmc,b − gbc,m ] Kovariante Ableitung eines Tensors a a a a m a m a [f;a = f,a , T ;m = T ,m + Γamn T n , Ta;m = Ta,m − Γnam Tn , T bc;d = T bc,d + Γadm T bc − Γm bd T mc − Γ cd Tbm , gab;i = 0 ] Γaabc = Γaacb Einsteinsche Feldgleichungen: Ramsq = Γamq,s − Γasm,q [rein gravitativ! - Gravitationskonstante G] — Riemannscher Krümmungstensor , Rik = Raiak — Ricci-Tensor , G = Rik − 12 R̂ gik + Λ gik — Einsteintensor, κ = 8π 4 , Tik — Energie-Impuls-Tensor: c0 Gik = κ Tik + Γans Γnmq R̂ = Ri i — Ricci-Skalar , Gik Bianchi-Identitäten − Γanq Γnms Gmn ;n = 0 T mn ;n = 0 . , also auch Mit der Robertson-Walker-Metrik ergibt sich: Rµν = 1 R̈ εc0 2 + Ṙ2 [ + 2 ] gµν c0 2 R R2 Gµν = 1 R̈ εc0 2 + Ṙ2 [−2 − + Λc0 2 ] gµν 2 c0 R R2 , Rα4 = 0 , R44 = − 3 R̈ c0 2 R , Gα4 = 0 , G44 = , R̂ = 6 R̈ εc0 2 + Ṙ2 [ + ] , Rmn = Rnm , c0 2 R R2 3 εc0 2 + Ṙ2 − Λ , Gmn = Gnm . c0 2 R2 Für eine ideale Flüssigkeit mit Druck p(t) und Massenvolumendichte µ(t) ist nun Tmn = p gmn + [µ + p ] um un und c0 2 im Ruhesystem der Materie nach den Einsteinschen Feldgleichungen und T mn ;n = 0 : [um = (0, 0, 0, c0 ), [um un ];n um = −c0 2 un ;n ] Friedman-Lemaître-Gleichung: Beschleunigungs-Gleichung: Energiebilanz-Gleichung: εc0 2 + Ṙ2 − Λ c0 2 = κ µ c0 4 R2 R̈ εc0 2 + Ṙ2 2 + − Λ c0 2 = −κ p c0 2 R R2 p Ṙ µ̇ + [µ + 2 ] 3 = 0 c0 R [Friedman-Gleichung für Λ = 0] 3 [Wobei von diesen 3 Gleichung im Allgemeinen nur 2 unabhängig voneinander sind.] Als dritte Gleichung zur Bestimmung der 3 unbekannten R(t), µ(t), p(t) also die Zustandsgleichung: Typisch p = w µ c0 2 ⎧ 0 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ 1 , w=⎨ ⎪ 3 ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ −1 2 , Staub , Strahlung , Vakuum . µ = µ(p) . Kosmologie Prof. Lotze 2016 Friedmansche Staubkosmen: Λ=0 , p=0 . µ̇ Ṙ = −3 ergibt sich eine Konstante für die Energie im Kosmos M̃ = R3 µ c0 2 und ein effektives µ R κM̃ c0 2 1 κM̃ Expansionspotential Ueff = − , so dass Ṙ2 = −Ueff − εc0 2 . [Ṙ2 ≥ 0 ⇒ ∃Rmax = für ε = 1] 3 R 3 Nach Energiebilanz [Konformzeit η: dη 2 ∶= Lösungen für ein positiv expandierendes Universum: κM̃ κM̃ [cosh(η) − 1] , c0 [t − t0 ] = ± [η − sin(η)] 6 6 1 2 3κM̃ 3 R(t) = [ ] [c0 [t − t0 ]] 3 4 κM̃ κM̃ [1 − cos(η)] , c0 [t − t0 ] = ± [η − sin(η)] R= 6 6 ε = −1 : c0 2 dt2 ] R2 (t) T= ε=0 : ε=1 : Einstein-de Sitter-Kosmos 2 [Urknallmodelle mit R(t0 ) = 0 ; anfangs alle Modelle R(t) ∝ [t − t0 ] 3 .] Für ε = 0 ergibt sich die Dichte zu µ = 3H 2 3H 2 µ = =∶ µkrit ; damit definiert sich der Dichteparamter Ω ∶= 4 κ c0 8πG µkrit km [Wobei nach heutiger Messung H0 ≈ 70 s Mpc Das Weltalter: t0 = ∫ t0 dt 0 exp. Univ. = ∫ 0 R0 tH0 - Hubble-Zeit « R0 1 1 1 Staub 1 dR = √ ∫ H R 0 Ṙ 0 0 1−Ω +Ω 0 R0 0 R . und somit µkrit,0 ≈ 5,5 mProton m3 .] ⎡ 1 ⎧ Ω0 2 − Ω0 ⎤⎥ ⎪ ⎢ ⎪ ⎪ ⎢ − )⎥ arcosh( t H ⎪ 0 ⎪ ⎢ 1 − Ω0 2√1 − Ω 3 ⎪ Ω0 ⎥⎦ ⎪ ⎣ 0 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ 2 ⎪ dR = ⎨ tH0 3 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎡ 1 ⎪ 2 − Ω0 ⎤⎥ Ω0 ⎪ ⎢ ⎪ ⎪ ⎢ arccos( t − )⎥ H ⎪ √ 0 ⎪ ⎢ 1 − Ω0 2 Ω − 1 3 ⎪ Ω0 ⎥⎦ ⎣ ⎩ 0 , ε = −1 ,ε = 0 ,ε = 1 Die Hubble-Zeit entspricht dabei gerade dem Weltalter für ein linear expandierendes Universum [R(t) = Ṙ0 t]. Für Staub [p = 0] ergibt sich außerdem: √ ⎧ ⎪ ⎪ 2c0 [[1 + z] − 1 + z] ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ H0 DL = ⎨ ⎪ ⎪ √ ⎪ c0 ⎪ ⎪ [q0 z + [1 − q0 ] [1 − 1 + 2 q0 z]] ⎪ ⎪ 2 ⎩ q0 1 1 = [1 − ] 2 2 © 1 2 ≈ c0 [z + 4 z + O (z 3 ) ] , ε = 0 [⇒ q0 = 21 ] 1 ≈ c0 z + [1 − q0 ]c0 z 2 + O (z 3 ) 2 , ε = 1 [⇒ q0 > 21 ] [Mattig, 1958] [Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation für die Leuchtkraftentfernung - vgl. oben] Friedmansche Staubkosmen: Λ=0 , p= Auch hier ergibt sich mit der Energiebilanz 1 µ c0 2 . 3 µ̇ Ṙ = −4 eine Konstante für die Energie im Kosmos à = R4 µ c0 2 und µ R κÃc0 2 1 mit wiederum Ṙ2 = −Ueff − εc0 2 . 3 R2 ⎧ ⎪ Lösungen für ein positiv ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ expandierendes Universum ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ 2 mit Urknall [R(t0 ) = 0]: R(t) = ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ Ueff = − √ c20 [t − t0 ]2 √ 2 +2 κà c0 [t − t0 ] 3 κà c0 [t − t0 ] 3 √ −c20 [t − t0 ]2 + 2 , ε = −1 ,ε = 0 κà c0 [t − t0 ] 3 ,ε = 1 1 [Urknallmodelle mit R(t0 ) = 0 ; anfangs alle Modelle R(t) ∝ [t − t0 ] 2 .] 3 Kosmologie Prof. Lotze 2016 µc0 2 ∝ T 4 , µc0 2 ∝ Mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz erkennt man: 1 R4 ⇒ T∝ 1 R ⇒ “heißer Urknall” . Der Kosmus ist dabei weder ein reiner Staub-, noch ein reiner Strahlungskosmos: κc0 4 R0 3 Staub R0 4 Strahlung εc0 2 + 4 µ0 ]− 2 . [ 3 µ0 3 R R R H2 = [1 pc = 3,085 677 6 ⋅ 1016 m] Astronomische Größen: L W Leuchtkraft-Entfernung DL [m], Leuchtkraft L[W], bolometrische Flussdichte F = [ ] , Größenklasse m 4πDL 2 m2 2 [m2 − m1 ] F1 L1 DL2 5 = 10 5 ) ⇔ m2 − m1 = lg( ) + 5 lg( F2 2 L2 DL1 DL2 ) , Entfernungsmodul m2 − M 10 pc Sterne, deren absolute Helligkeit bekannt sind heißen “Standardkerzen” [Cepheiden, Supernovae]. Standardentfernung DL0 ∶= 10 pc , dort absolute Helligkeit M = m2 − 5 lg( Cepheiden: [Große Magellansche Wolke [LMC]: σ = −2,765, m0 = 17,044, DL = 50,1 kpc ± 3,1 kpc] Perioden [P ]-Helligkeits [m]-Beziehung: m̄ = σ lg( P ) + m0 d Mit der Annahmne, dass dies überall im beobachtbaren Kosmos [i.e. ∀⃗ r, ∀t vor heute] gilt, ergibt sich: P DL M̄ = σ lg( ) − 5 lg( ) + m0 . d 10 pc Supernovae Ia [SNe Ia]: Mmax = −19,52 ± 0,07 Es gibt verschiedene Pulsationsveränderliche, z.B.: In Beobachtung kosmische Zeitdilatation: Mδ Cepheiden ≈ MW Virginis − 1,5 . ∆t0 = [1 + z]∆te . Mit der Näherung obiger Mattig-Formel ergibt sich für Friedman-Kosmen: ≈ 1,086 [1 − q0 ]z ³¹¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹· ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹µ c0 z H0 1 m = 5 lg( ) + M + 25 − 5 lg( ) + 5 lg(1 + [1 − q0 ]z) km/s km/(s Mpc) 2 Plancksches Strahlungsgesetz: Die jeweiligen Maxima sind: ρλ (λ, T ) dλ = 8πhc0 λ5 1 h c0 e λ kB T dλ −1 ⇔ ρν (ν, T ) dν = 8πh [ ν 3 ] c0 1 hν e kB T dν −1 über λ bei λmax = h c0 [W (− 33 ) + 3] kB T e , mit W (− 33 ) + 3 ≈ 2,821 439 e über ν bei νmax = [W (− 55 ) + 5] kB T e h , mit W (− 55 ) + 5 ≈ 4,965 114 e und der Lambertschen W -Funktion W (z) [z = W (z) eW (z) , z ∈ C] Bei Expansion gilt dρν = dρν,0 [1 + z]4 . 4 Kosmologie Prof. Lotze 2016 Mit T0 = 2,725 K der Hintergrundstrahlung heute ergibt sich für die bolometrische Energiedichte eV 8π 5 [kB T0 ]4 = 0,26 0 = . 15 [hc0 ]3 cm3 [Entsprechend µR0 = Aus dn = d hν 0 c0 2 = 4,64 ⋅ 10−34 g cm3 = 2,8 ⋅ 10−4 mProton m3 ergibt sich die Anzahltdichte der Photonen zu n0 = 16π [ und also ΩR0 = µR0 µkrit = 5,04 ⋅ 10−5 .] kB T0 3 1 . ] ζ(3) = 410,5 h c0 cm3 ∞ Riemannsche Zeta-Funktion ζ(z) [ζ(z) = ∑ k=1 1 , z ∈ C mit Re (z) > 1] kz Mit der kosmologischen Konstante Λ: εc0 2 + Ṙ2 − Λ c0 2 = κ µ c0 4 R2 R̈ εc0 2 + Ṙ2 2 + − Λ c0 2 = −κ p c0 2 R R2 Friedman-Lemaître-Gleichung: 3 Beschleunigungs-Gleichung: >0 ∶ bremst Expansion ³¹¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ · ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ µ κc0 Λc0 2 R̈ p =− ⇒ [µ + 3 2 ] + R 6 c0 3 ² 4 >0 ∶ beschleunigt Expansion Der Einstein-Kosmos: [“matter without motion” - statisches Universum] p = 0 , Ṙ = 0 , R̈ = 0 , µ ≠ 0 ε ε ⇒ − Λ = 0 , 2 2 − Λ = κµc0 2 R2 R √ 1 2 2 ⇒ Λ = κµc0 =∶ ΛE , ε = +1 , R = =∶ RE . 2 κµc0 2 Annahmen: Für die gesamte Masse ergibt sich dann m̃E = 2π 2 RE 3 µ . ´¹¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹¸ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹¶ Volumen einer 3-Sphäre [für µ = 5 ⋅ 10−30 g : cm3 ΛE = 4,7 ⋅ 10−53 1 , m2 RE = 4,7 Gpc, m̃E = 1,6 ⋅ 1023 m̃⊙ ] Friedman-Lemaître-Kosmen: Annahmen: Staub-Kosmos p = 0, Λ ≠ 0 [keine Strahlung] =∶−Ueff ³¹¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ·¹¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ µ κM̃ c0 2 1 1 Ṙ = + Λc0 2 R2 −εc0 2 3 R 3 2 für R → 0: Man sieht: R∝t 2 3 , µ µkrit = Λ c t R∝e 3 0 . √ √ 2 3 R(t) = κΛM̃ sinh 3 ( 21 3Λ sc0 t) für R → ∞: Für ε = 0 lässt sich das Ergebnis zu folgendem bestimmen: Mit ΩM = √ 8πG Λc0 2 εc0 2 µ, Ω = , Ω = − lässt sich auch schreiben: K Λ 3H 2 3H 2 R2 H 2 1 1 Beschleunigungs-Gl.: 0 = q + [Ωk −1+3ΩΛ ] ⇒ q = ΩM −ΩΛ . 2 2 ΩΛ0 ≈ 0,7 , ΩM 0 ≈ 0,3 , ΩK ≈ 0 [±0,02] ⇒ ε ≈ 0 , q0 ≈ −0,55 , Λ0 ≈ 1,2 ⋅ 10−52 m12 . Friedman-Lemaître-Gl.: 1 = ΩM +ΩΛ +ΩK [Heute beobachtet: , Wobei ΩM 0 ∣sichtbare baryonische Materie ≈ 0,04, ΩM 0 ∣dunkle Materie ≈ 0,26.] 5 Kosmologie Prof. Lotze 2016 √ ⎛ 1 ΩΛ0 ⎞ 2 1 √ arsinh . t0 = 3 H0 ΩΛ0 ⎝ 1 − ΩΛ0 ⎠ Für ε = 0 ergibt sich das heutige Weltalter zu: de Sitter-Kosmen: Annahmen: Lösungen: [≈ 13,5 ⋅ 109 a] [“motion without matter” - materiefreies Universum] µ=0 , Λ≠0 . ⇒ Friedman-Lemaître-Gl.: Ṙ2 = 31 Λc0 2 R2 − εc0 2 √ √ √ Λ ⎛ Λ ⎞ 3 c t 0 ε = 0 : R = R0 e 3 ; ε = −1 : R = sinh c0 t ; Λ ⎝ 3 ⎠ √ ⎛ Λ ⎞ 3 cosh c0 t . Λ ⎝ 3 ⎠ √ ε=1: R= Horizonte im Universum: ! Konformzeit: R2 dη 2 = c0 2 dt2 ⇒ ds2 = 0 = R2 [dχ2 − dη 2 ] radialer Lichtkegel: χ = ±η + ηi c0 dt Der Teilchenhorizont von Beginn zu ti und Beobachtung zu t0 : χP = ∫ = η0 − ηi . R ti c0 ist v(t) = c0 . Hubble-Kugel: Fluchtgeschwindigkeit eines Objetks v in Entfernung einer Hubble-Länge DH = H t0 Für R(t) = K[c0 t]α , K = const., α ∈ (0, 1) und ε = 0 findet man: - Urknall bei t = 0 - endlicher Teilchenhorizont χp (t0 ) = ∫ - Hubble-Größen: H= α t , DH = - radiale Horizontentfernung zu t0 : t0 0 d[c0 t] [c0 t0 ]α−1 = ∣K[c0 t]α ∣ K[1 − α] c0 t α 1 Dp (t0 ) = R(t0 ) χp (t0 ) = DH0 q - Teilchengeschwindigkeit am Horizont: vG (t0 ) = H0 Dp (t0 ) = vG > c0 ist kein Problem, da vG nicht beobachtbar. mit q = 1−α α c0 q [mit q < 1 für α > 12 ] [Einstein-de Sitter-Kosmos: α = 32 ] α Die Rotverschiebung der am weitesten entfernten noch beobachtbaren Lichtquellen ergibt sich zu zmax = α α−1 − 1 . Lokale Lichtkegel: c0 t Für radiale Lichtgeodäten ist ds2 = R2 dχ2 − c0 2 dt2 und somit ϕ− dD dR dχ DH ∣ =χ + ∣ R= ±1 d[c0 t] ± d[c0 t] d[c0 t] ± c0 ´¹¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹¸¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¶ ±1 ϕ+ Nähert man den Verlauf lokal mit einer Geraden, so gilt allgemein 1 c0 t = βD + γ mit β = =∶ tan (ϕ± ) . dD ∣ d[c0 t] D ± 6 dD ∣ = ±1 d[c0 t] ± statischer Kosmos: H =0 , Einstein-de Sitter: dD 2 D ∣ = ±1 d[c0 t] ± 3 c0 t
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