Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik Einführung in die Kosmologie WS 2015/16 G. Drexlin (EKP) https://neutrino.ikp.kit.edu/personal/drexlin/Home KIT – University of the State of Baden-Württemberg and National Research Center of the Helmholtz Association www.kit.edu Kosmologie – Themengebiete Kosmologie = Entwicklung & Struktur des Universums vom Big Bang bis heute Stationen: 1 – Big Bang 2 – CMB (3K) 3 – Reionisation 4 – Dunkles Zeitalter 5 – erste Sterne 6 – erste Galaxien 7 – Milchstraße 8 – heute 2 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 KIT-IEKP Kosmologie – Themengebiete Kosmologie = Einordnung und Abgrenzung zu anderen Disziplinen Gravitation Dunkle Materie Antigravitation Kernphysik Thermodynamik Bachelor-Studium 3 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 Kondensierte Materie Atome, Moleküle KIT-IEKP Kosmologie – Themengebiete Kosmologie = Einordnung und Abgrenzung zu anderen Disziplinen Dunkle Materie Antigravitation 4 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 KIT-IEKP Moderne Kosmologie: Beobachtungen Nobelpreis für Physik 2011 „for the discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations of distant supernovae" WD SNIa Saul Perlmutter 5 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 Adam G. Reiss Brian P. Schmidt KIT-IEKP Vorlesung Kosmologie – Struktur 6 ECTS WS2015/16 6 20.10.2015 Vorlesung: - 15 Vorlesungen (2h) ≡ 2 SWS 4 ECTS Übungen Kosmologie ≡ 1 SWS - 6-7 Übungsblätter - 2h alle zwei Wochen 2 ECTS - Termin: Mi. 14:00-15:30 (ab 30.10.) - Ort: kleiner HS B - Leitung: Iris Gebauer ([email protected]) - Kriterien: a) Anwesenheit b) Teilaufgaben vorrechnen - Aufgaben: email Verteiler: [email protected] homepage des KIT Listservers zum Anmelden: https://www.lists.kit.edu/wws/info/kosmo-vorlesung-drexlin G. Drexlin – VL01 KIT-IEKP Astroteilchenphysik I, II & Kosmologie Kosmologie Astroteilchenphysik – I Kosm. Strahlung WiSe 2015/16 WiSe 2015/16 WiSe 2015/16 Big Bang, kosmologische Modelle, Entwicklung des Universums Einführung & Grundlagen, Experimentelle Methoden, Dunkles Universum galaktisch/extragalaktisch, Nachweis, Quellen 6 ECTS 8 ECTS 6 ECTS ATP – II : Teilchen & Sterne Gammastrahlung SoSe 2016 SoSe 2016 Neutrinos, Stellare Endphasen, Multi-Messenger-Methoden galaktisch/extragalaktisch, Nachweis, Quellen 6 ECTS 7 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 6 ECTS KIT-IEKP Masterstudium - Fächerkombination Welche Fächerkombination? Vertiefungsfach (VF) 20 ECTS - mündliche Prüfung ~ 45-50 min. - modulübergreifende Themen, Stoff über alle gewählten Fächer Ergänzungsfach (EF) 14 ECTS - mündliche Prüfung ~ 30-45 min. - modulübergreifende Themen, Stoff über die gewählten Fächer 8 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 KIT-IEKP Was kann ich bei Kosmo im Master lernen? Methodenkompetenzerwerb: - Verständnis der Grundlagen der Kosmologie - Erkenntnis von methodischen & experimentellen Querverbindungen zur Elementarteilchenphysik und zur Astroteilchenphysik - Erwerb der Fähigkeit, sich in aktuelle Forschungsthemen eigenständig einzuarbeiten als Vorbereitung zur Masterarbeit 9 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 KIT-IEKP Was kann ich bei Kosmo im Master lernen? experimentelle Methoden 2 H (t ) 7N ~ 1 43 H (t ) neue Konzepte aktuelle Forschung Analysemethoden 10 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 KIT-IEKP Kosmologie - Schlagworte 11 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 KIT-IEKP Kosmologie : Gliederung 1. Einführung 1.1 2. Grundlagen, Entfernungsbestimmung Expandierendes Universum 2.1 2.2 2.3 3. Hubble Expansion Friedmann-Lemaître Gleichungen kosmologische Zeitalter: Strahlung – Materie – Dunkle Energie Thermisches Universum 3.1 3.2 primordiale Nukleosynthese (BBN) kosmische Hintergrundstrahlung – Grundlagen: Entstehung, Schwarzkörperstrahlung, Fluktuationen kosmische Hintergrundstrahlung – Experimente: COBE, WMAP & Planck 3.3 12 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 KIT-IEKP Kosmologie : Gliederung LCDM Konkordanzmodell 3.4 4. Strukturentwicklung im Universum 4.1 4.2 4.3 4.4 5. Inflation & frühes Universum BAO – akustische Oszillationen von Baryonen Galaxien-Surveys & Power-Spektrum der Materie Strukturentstehung mit heißer, warmer & kalter dunkler Materie Dunkles Universum 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 13 Evidenzen für Dunkle Materie Gravitationslinsen Dunkle Materie Halos Dunkle Energie zukünftige Entwicklung des Universums 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 KIT-IEKP Kapitel 2 – Expandierendes Universum Hubble-Expansion – Friedmann-Lemaître – kosmologische Zeitalter 14 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 KIT-IEKP Kapitel 3 – Thermisches Universum primordiale Elementsynthese – 3 K Hintergrundstrahlung a 15 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 ß g KIT-IEKP Kapitel 4 – Strukturentwicklung akustische Oszillationen (BAO), Strukturbildung Galaxiendurchmusterungen, 16 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 KIT-IEKP Kapitel 5 – Dunkles Universum Evidenzen für dunkle Materie, Gravitationslinsen, Dunkelmateriehalos, Dunkle Energie, zukünftige Entwicklung des Universums 17 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 KIT-IEKP Kosmologie – Literatur (D) Andrew Liddle Ulrich Ellwanger Peter Schneider Michael Treichel Einführung in die Vom Universum zu den Extragalaktische Astronomie Teilchenphysik & moderne Kosmologie Elementarteilchen und Kosmologie Kosmologie Wiley (2008), 217 S. Springer (2011), 243 S. Springer Verlag (2007) Springer Verlag (2000) „Gesamtüberblick über Moderne Elementar- Galaxien, Galaxienhaufen, Einführendes Lehrbuch zahlreiche kosmolog. Teilchenphysik und Kosmologie, Universum bei in Astroteilchenphysik Themengebiete“ Kosmologie, keine HM hoher Rotverschiebung 408 S. 18 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 KIT-IEKP Kosmologie – ´populäre´ Literatur Helmut Hetznecker Helmut Hetznecker Adalbert W.A. Pauldrach Steven Weinberg Kosmologische Expansionsgeschichte Dunkle kosmische Die ersten drei Minuten Strukturbildung des Universums Energie Piper (1997), 208 S. Spektrum (2009), 156 S. Spektrum (2007), 120 S. Spektrum (2010), 240 S. DER Klassiker vom „von Quantenfluktuationen „vom heißen Urknall zum „Rätsel der beschleunigten Nobelpreisträger, beste zu Galaxien“, Expansion Kalten Kosmos“, aktuelle Expansion des Universums allgemeine Einführung in des Universums kosmolog. Forschung von Supernova-Spezialist die Kosmologie (1978) 19 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 KIT-IEKP Kosmologie – Literatur (GB) Donald H. Perkins L. Bergström, A. Goobar Gerhard Börner Tai-Pei Cheng Particle Astrophysics Cosmology & Particle The Early Universe Relativity, Gravitation Oxford (2009), 2nd Ed., 360 S. Astrophysics Springer Springer (2003), 4th Ed. and Cosmology Quarks & Leptons, expand. 2nd Ed, (2004), 364 S. „connects particle physics Oxford University Press Universe, conservation rules advanced undergraduate and cosmology, theory 2nd Ed. (2010), 456 S. dark matter, dark energy, level, technical appendices (fiction) and observation introduction to general particles and the cosmos basic facts of the universe (facts), one of the bibles relativity & cosmology 20 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 KIT-IEKP Kosmologie weltweit - Fachartikel de.arXiv.org preprints in: astro-ph (Astrophysik) hep-ex, nucl-ex (Experiment) hep-ph (Phänomenologie) Journal for Cosmology & AstroParticle Physics 21 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 Physics of the dark universe KIT-IEKP 1. Einführung Kosmologische Entfernungs- und Zeitmessung: Entfernungsmesser - Kosmologische Standardkerzen bis d = ? Zeitmesser - Kosmologische Standardzeit bis t = ? 22 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 KIT-IEKP Längen- und Zeitskalen der Kosmologie Astronomische Skalen 1 AE 1.496 × 1011 m 1 LJ 9.461 × 1015 m = 63 240 AE Parallaxe = 0.3066 pc 1 pc 3.086 × 1016 m = 2.06 × 105 AE 1 AE = 3.262 LJ AE: astronomische Einheit große Halbachse der Erdbahn um Sonne LJ: Lichtjahr Lichtstrecke in t = 1 a pc: Parsec Parallaxensekunde 23 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 KIT-IEKP Kosmische Längenskalen & Standardkerzen Parallaxenmethode d-Cepheiden-Lichtkurven Supernova-Ia-Helligkeit HST 1´´ Parallaxe 1AE SN1994D Parallaxe: 1pc = 1 AE unter 1´´ (as) = 1 AE · 180 · (3600/p) 1989: Hipparcos (milli-as) 2013: ESA Mission GAIA Auflösung dq ~ 20 µas d = 1 pc – 5 kpc 24 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 d-Cepheiden: pulsierende, leuchtkräftige Riesensterne, aus der beobachteten Pulsdauer absolute Leuchtkraft L Labs ~104 L d = 1 kpc - 50 Mpc Supernovae Typ Ia: weißer Zwerg in BinärSystem: M > 1.4 M (Chandrasekhar-Limit) Kernfusion 12C, 16O Leuchtkraft Labs~109 L d = 30 Mpc - 3 Gpc KIT-IEKP Cepheiden: kosmologische Standardkerzen M100 Hubble Helligkeit [mag] Cepheiden: Periode eines ≡ pulsationsveränderliche Riesensterne (Supergiganten) d-Cepheiden - Ziel: bestimme absolute Helligkeit aus Periode - Masse: M = 5 – 15 M (seltene Sterne) - Spektralklasse: F, G (weiß, gelb) - Leuchtkraftklasse: Ia, II (MV = -2 … -7 mag), Henrietta S. Leavitt - Periodendauer T0 < 100 Tage 1868-1921 max min 0 25 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 0.5 1/0 0.5 Phase KIT-IEKP Cepheiden: kosmologische Standardkerzen Ursache der Pulsation (Kappa-Mechanismus): ≡ Änderungen der Opazität k(p,T) in einer speziellen stellaren Schicht - wichtig: He-Ionisationsschicht mit He++ & He+ - Ionen - Pulsations-Zyklus: höheres T: mehr He++ & freie Elektronen größere Opazität Strahlungsdruck steigt an Expansion der Hülle Henrietta S. Leavitt niedrigeres T: gravitative Kontraktion Rekombination zu He+ 1868-1921 He 26 20.10.2015 G. Drexlin – VL21 KIT-IEKP Cepheiden: kosmologische Standardkerzen Pulsation der äußeren Hülle: massereiche leuchtkräftige Cepheiden pulsieren langsamer, Periode T0 ~ L3/4 Perioden-Leuchtkraft Relation M = - 2.81 log(T0) – (1.43 ± 0.1) T0: Periode [Tage] M: abs Helligkeit [mag] HST-key Projekt: Nachweis von Cepheiden in max. Entfernung 30 Mpc größere Distanzen: SNIae 27 20.10.2015 G. Drexlin – VL21 absolute Helligkeit M [mag] -7 -6 Henrietta S. Leavitt 1868-1921 -5 -4 -3 -2 -1 gemessene PeriodenLeuchtkraft Beziehung 1 10 100 Periode T0 [Tage] KIT-IEKP Längenskalen: unsere Galaxie Galaxis: Ø = 35 kpc, Abstand Sonne-galaktisches Zentrum: 7.8 kpc 28 20.10.2015 KIT-IEKP Längenskalen: Halo unserer Galaxie Galaxis-DM-Halo: Ø = 100 kpc, tri-axiale Form Dunkle Materie (DM) Halo Galaxis 29 20.10.2015 KIT-IEKP Längenskalen: lokale Gruppe, Virgohaufen Galaxien bilden haufenartige Strukturen: Galaxienhaufen Lokale Gruppe - Galaxis & M31 ca. 60 Zwerggalaxien Durchmesser ca. 0.8 Mpc gravitative Bindung am Rand des Virgo-Haufens 0.8 Mpc Virgohaufen 30 Zentrum des lokalen Superhaufens ca. 2000 Galaxien Durchmesser ca. 3 Mpc Abstand 21 Mpc filamentartige Struktur 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 3 Mpc KIT-IEKP Längenskalen: Galaxienhaufen Galaxienhaufen sind Teil des kosmischen Webs filamentartige Strukturen im Gpc Bereich 31 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 KIT-IEKP Zeitabhängiger Radius des Universums Radius Universum (cm) beobachtbares Universum Quantengravitation 32 20.10.2015 1040 Standard-Urknall Modell 1020 1 inflationäres Modell 10-20 10-40 Inflationsphase 10-60 10-45 G. Drexlin – VL01 10-35 10-25 10-15 10-5 105 Zeit nach Big Bang (s) 1015 KIT-IEKP der kosmische Horizont Kosmologische Zeit- und Längenskalen ?? BBN CMB 33 20.10.2015 G. Drexlin – VL01 KIT-IEKP
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