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									Der Urknall
                                         Das Standardmodell
                                        sowie neuere Ansätze




                   Franz Embacher

              Institut für Theoretische Physik
                       Universität Wien



                   Vortrag im Rahmen des Schwerpunkts
                       Der Ursprung des Universums
                         Urania für Steiermark, Graz
                             20. Oktober 2004
Inhalt


   •     Zur „Geographie“ des Universums
   •     Wieso Urknall?
   •     Das kosmologische Standardmodell
   •     Geometrie des Universums
   •     Probleme des Standardmodells
   •     Das inflationäre Universum
   •     Quantentheorie und Quantengravitation
   •     Das anthropische Prinzip
Unser Sonnensystem in der Milchstraße
Andromeda-Nebel M31 mit M32 und
M110
HST Deep Field
             Größenordnungen im heutigen Universum
                1 Mpc = 1 Megaparsec = 3.26 Millionen Lichtjahre
                                                                      Maßstab
                                                       Echte
                   Objekt(e)                                        1 : 3.09×1025
                                                   Größenordnung
                                                                   1 Mpc  1 mm
             Radius der Milchstraße                  0.03 Mpc        0.03 mm

             Dicke der Milchstraße                   0.005 Mpc       0.005 mm

             Radius der Milchstraße
                                                      0.1 Mpc         0.1 mm
                 inklusive Halo

          Radius der meisten Galaxien                0.1 - 1 Mpc    0.1 - 1 mm

       typischer Abstand zweier Galaxien               1 Mpc           1 mm

         Radius eines Galaxienhaufens
                                                       5 Mpc           5 mm
          (Cluster, ca 1000 Galaxien)

    typischer Abstand zweier Galaxienhaufen           50 Mpc           5 cm

          Radius eines Superhaufens                   100 Mpc         10 cm
Radius eines Leerraums (Void, größte beobachtete
                                                      200 Mpc         20 cm
                   Strukturen)
       Radius des sichtbaren Universums              3000 Mpc           3m
Wieso Urknall?


   • Das Olberssche Paradoxon
   • Allgemeine Relativitätstheorie und
     die Rolle der Gravitation
   • Der Hubble-Fluss („Galaxienflucht“)
   • Die kosmische Hintergrundstrahlung
   • Die Häufigkeit der leichten Elemente
Das Olberssche Paradoxon

Wieso ist der Nachthimmel nicht so hell wie die
Sonne (6000 K)?




Das Paradoxon kann vermieden werden, wenn das Universum
einen Anfang hat.
Allgemeine Relativitätstheorie


 • „Materie krümmt den Raum“

      Materiedichte und Druck krümmen die Raumzeit

               („Friedmann-Gleichung“)


 • Die Rolle des Drucks (und der „Zustandsgleichung“)
   der Materie ist wichtig für die Kosmologie.
 • Die ART sagt für gewöhnliche Materie eine Expansion
   des Universums voraus.
HST – Einstein-Ring




                       Lichtablenkung 1
Der Hubble-Fluss
„Galaxienflucht“...

       Geschwindigkeit = H0              Entfernung

       Hubble-Konstante:   H0    65 km/sec/Mpc
...wurde entdeckt durch die Rotverschiebung von Emissionslinien:

                            wahre Frequenz - scheinbare Frequenz
  Rotverschiebung z =
                                      scheinbare Frequenz
  Für nahe Galaxien (z << 1):

                c z = H0           Entfernung
Die kosmische Hintergrundstrahlung
Die Häufigkeit der
leichten Elemente




 Voraussage und
 Beobachtung:
 Nukleosynthese im
 frühen Universum
Das kosmologische Standardmodell


 • Grundideen des Standardmodells
 • Strahlung und Materie
 • Thermische Geschichte des Universums
   nach dem Standardmodell
Grundideen des Standardmodells


 • „Kosmologisches Prinzip“: Das Universum ist im
   Großen homogen und isotrop.
 • „Zustandsgleichung“: Es war zunächst
   strahlungsdominiert und ist heute
   materiedominiert.
 • Es wird beschrieben durch die allgemeine
   Relativitätstheorie
Strahlung und Materie

 Verhalten der Teilchen und Felder („Zustandsgleichung“)
 bei verschiedenen Temperaturen verursacht zwei Phasen
 in der Geschichte des Universums:

    • T > 50 000 K (t < 2 000) Jahre
       strahlungsdominiert

                Druck = (1/3) Dichte
                                                    „Entkopplung“

    • T < 3000 K (t > 380 000 Jahre)
       materiedominiert

                     Druck = 0
Strahlung und Materie
Strahlung und Materie

 Als des Universum kalt genug für die Bildung von Atomen war,
 wurde es durchsichtig („Rekombination“):

    • T < 3000 K (t > 380 000 Jahre)
       Bildung von Atomen




        danach: Bildung größerer Strukturen
Strahlung und Materie
Thermische Geschichte des Universums...

...nach dem Standardmodell
Geometrie des Universums


 • Luftballon und Backofen
 • Was ist Krümmung? Die Wanze auf der
   heißen Ofenplatte
 • Kosmologischer Horizont
 • Der Urknall als Singularität
 • Wo fand der Urknall statt?
 • Ist das Universum offen oder geschlossen?
   Zusammenhang zwischen Geometrie und Dichte
 • Wie alt ist das Universum?
Luftballon und Backofen
Was ist Krümmung?




        Die Wanze auf der heißen Ofenplatte
Was ist Krümmung?




                    Eine „Gerade“
Was ist Krümmung?




       Krümmung = Verletzung der Gesetze
           der euklidischen Geometrie
Kosmologischer Horizont
Der Urknall als Singularität


 • Ende (Anfang) von Raum und Zeit

       „Vor“ dem Urknall „gab“ es weder Raum noch Zeit


 • Dichte und Druck  unendlich
Wo fand der Urknall statt?




                             Wo?
                                                  ?
 Offen oder geschlossen?

  Zusammenhang zwischen Geometrie und Dichte:
   H0
                                       offen
Dichte < kritische Dichte
                                       („negativ gekrümmt“)



Dichte = kritische Dichte
                                       offen („flach“)
(kritischer Grenzfall)



                                       geschlossen
Dichte > kritische Dichte
                                       („positiv gekrümmt“)
Offen oder geschlossen?
Für ein materiedominiertes Universum: Zusammenhang
mit der Zeitentwicklung:

    expandiert ewig



    expandiert ewig
    (kritischer Grenzfall)



     rekollabiert
     („Big Crunch“)
Wie alt ist das Universum?




  Aktueller Wert: t 0 = 13.7    0.2 Milliarden Jahre
Probleme des Standardmodells



 •   Horizontenproblem
 •   Flachheitsproblem
 •   Dunkle Materie und dunkle Energie
 •   Kosmologische Konstante?
Horizontenproblem

Wie ist die Isotropie der kosmischen
Hintergrundstrahlung möglich?
Horizontenproblem
Flachheitsproblem


Wieso ist die heutige Dichte so nahe an der
kritischen Dichte?

Beobachtungen und Theorie:

    Dichte = zwischen 0.1 und 1 mal der kritischen Dichte


Zusammenhang zwischen Dichte und Geometrie  das Universum
ist nahe an der „kritischen Grenze“ zwischen offen und geschlossen.

   Vermutung: Dichte = kritische Dichte
Flachheitsproblem




                                           „fine tuning“




3 Modelle: Dichten 1 Nanosekunde nach dem Urknall
Dunkle Materie und dunkle Energie

 • Galaxienrotation
 • Nukleosynthese

  Wir sehen nur einige Prozent der (baryonischen
   und nicht-baryonischen) Materie, die es
   geben muss.
  Baryonische Materie trägt nur zu etwa 2 % zum
   Energieinhalts des Universums bei.
Dunkle Materie und dunkle Energie

Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild:
Kosmologische Konstante?


 • Einsteins „größte Eselei“
 • Vakuumenergie, negativer Druck
 • Entfernung-Rotverschiebungs-Messungen
   an Typ Ia Supernovae
    Abweichung vom Hubble-Gesetz,
       beschleunigte Expansion?
 • Kosmologische Konstante, dunkle Energie?
   Ist das Universum heute materiedominiert oder
   dominiert von dunkler Energie?
Kosmologische Konstante?
Kosmologische Konstante?
Das inflationäre Universum


 • Exponentielle Expansion („inflationäre Phase“)
   im sehr frühen Universum
 • Lösung des Flachheitsproblems
 • Lösung des Horizontenproblems
 • Thermische Geschichte des Universums
   nach der Theorie des inflationären Universums
 • Vereinheitlichung der Wechselwirkungen
Lösung des Flachheitsproblems




              Dichte  kritische Dichte
Lösung des Horizontenproblems
Thermische Geschichte des Universums...

...nach der Theorie des inflationären Universums
Vereinheitlichung der Wechselwirkungen
Quantentheorie und Quantengravitation



  • Wie kamen Strukturen zustande, wenn der
    Urknall isotrop war?
     Quantenfluktuationen
  • Anisotropie der Hintergrundstrahlung
  • Galaxienverteilung
  • Quantengravitation: Entstehung des Universum
    aus dem Nichts?
Anisotropie der Hintergrundstrahlung   DT          -6
                                          = 6  10
                                       T
COBE, 1992
Anisotropie der Hintergrundstrahlung   DT          -6
                                          = 6  10
                                       T
WMAP, 2003
Galaxienverteilung
Galaxienverteilung
Quantengravitation: Entstehung des Universums...
...aus dem Nichts?



Tunneleffekt:




Entstehung des
Universums:
Das anthropische Prinzip


 • Sind die Naturkonstanten konstant?
 • Symmetriebrechung
 • Verschiedenartige Bereiche eines sehr großen
   Universums?

     Anthropisches Prinzip: Der von uns bewohnte Bereich
    des Universum ist bewohnbar, da wir ihn ansonsten nicht
    beobachten könnten. Erklärung für die Werte der
    Naturkonstanten?


 • „Test“: An den Naturkonstanten „schrauben“
Danke...




               ... für Ihre Aufmerksamkeit!



       Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://www.ap.univie.ac.at/users/fe/Rel/Urania-Stmk-2004/

								
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