Kosmisches Hchstgeschwindigkeitsrennen

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Kosmisches Höchstgeschwindigkeitsrennen?
www.merkur-fh.org

• Henk van Elst
• Montag, 9. Juni 2008
• Vortrag bei der
• Astronomischen Vereinigung Karlsruhe e.V.
• Naturkundemuseum am Friedrichsplatz

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(No Transcript)
3
PlanckÄra

• Gravitationstheorie (Newton)
• Thermodynamik (Boltzmann)
• Quantentheorie (Planck)
• Relativitätstheorie (Einstein)

Max Planck (18581947) (Quelle
www.schleswig-holstein.de)

• PlanckEinheiten

Zeit Länge Masse Massendichte Energie Tempera
tur
4
1. Geschichte des beobachtbaren
UniversumsChronologie

• Ganz frühes Universum Spekulative Ära
• Physikalische Theorien sind nicht experimentell
  verifiziert.
• Frühes Universum Elektroschwache Vereinigung,
  Hadronenbildung, Neutrinoentkopplung, Primordiale
  Nukleosynthese, Entkopplung von Strahlung und
  Materie (CMB), Dunkles Zeitalter.
• Materiestrukturbildungsphase Quasare, Sterne,
  Reionisation, Galaxien, Galaxienhaufen,
  Galaxiensuperhaufen.

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Kosmologische RotverschiebungExpansion des
Raumes (1929)
Hubbles lineares Fluchtgeschwindigkeit Entfernung
sgesetz
Rotverschiebung
Fluchtgeschwindigkeit
Edwin Hubble (18891953) (Quelle Western
Washington University Planetarium)
(Quelle de.wikipedia.org)
Entfernung

• Kosmologischer DopplerEffekt, bedingt durch
• Expansion des Raumes zwischen Galaxien.

(Quelle Carnegie Observatories)
Momentaner HubbleRadius
(Quelle Bruno Leibundgut, Netzseite)
6
Kosmologische Entfernungsleiter
Beobachtbares Universum (Durchmesser) 28200 Mpc
( 92e9 ly, z1100)
Momentaner HubbleRadius gt 4200 Mpc ( 13,7e9
ly, z1,5)
Jungfraugalaxienhaufen 18 Mpc ( 59e6 ly)
Andromedagalaxie (M31) 790 kpc ( 2,6e6 ly)
Milchstraße (Durchmesser) gt 31 kpc ( 1e5 ly)
Proxima Centauri 1,3 pc ( 4,2 ly)

• Astron. Längeneinheiten
• 1 ly 9,45e12 km
• 1 pc 3,26 ly
• 1 Mpc 1e6 pc

Sonne 8,3 lmin
(Quellen eso.org, wikipedia.org, atlasoftheuniver
se.com, hubblesite.org, chandra.harvard.edu, u.a.)
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Kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung

• 1948 Das Universum ist aus einer ultraheißen
• Urknallphase hervorgegangen heutzutage
• müsste noch ein schwaches Nachglühen dieses
• Anfangszustands messbar sein, eine
• Wärmestrahlung von ca. 5 K Temperatur.
• 1964 Arno Penzias und Robert Wilson
• (Bell Laboratories) finden unbeabsichtigt
• eine Mikrowellenhintergrundstrahlung,
• deren Ursprung sie nicht erklären können.

? CMB
Robert Herman (19141997), George Gamov
(19041968), (Quelle aip.org)
Ralph Alpher (19212007)
1990 COBEFIRAS Instrument findet ein
nahezu perfektes Plancksches Spektrum für
eine Schwarzkörperstrahlungsquelle mit T 2.725
/- 0.002 K.
(Quelle wikipedia.org)
(Quelle Ned Wrights Cosmology Tutorial)
8
Vermessung der kosmischen Mikrowellenhintergrundst
rahlung
(Quelle NASA / WMAP Science Team)
Geplanter Start Oktober 2008 Inklusive
Polarisationsmessung
(Quelle planck.esa.int)
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Fluktuationen in der kosmischen
Mikrowellenhintergrundstrahlung
(Quelle NASA / WMAP Science Team)

• t 380000 yr / T 3000 K / z 1100
• Kondensationskeime der Materiestrukturbildung
• Temperaturschwankungen in CMB der Größenordnung
  1e-5.

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MateriestrukturbildungErstellung von 3D
Landkarten des lokalen Universums
WAND
VERGANGENHEIT
LEERRAUM
(Quelle www2.aao.gov.au/2dFGRS/) Two-degree-Field
Galaxy Redshift Survey (in Australien, 19972002)
(Quelle sdss.org) Sloan Digital Sky Survey (in
USA, seit 2000)

• Schwammartige Waben Galaxien finden sich
• gravitativ zu Haufen und Superhaufen zusammen,
• die als WÄNDE großskalige LEERRÄUME umschließen.

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2. Standardmodell der Kosmologie
Das Unverständlichste am Universum ist im
Grunde, dass wir es verstehen.
Relativistische Feldgleichungen der Gravitation
(1915, 1917)
Albert Einstein (18791955) (Quelle
www-groups.dcs.st-and.ac.uk/history/)

• Kosmologisches Prinzip zu festem Zeitpunkt sieht
  das Universum an allen Orten, in alle Richtungen,
  gleich aus.
• Kopernikanisches Prinzip WIR (unsere Galaxie)
  befinden uns nicht an einem ausgezeichneten Ort.

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FriedmannLemaîtreGleichungen (1922, 1927)
Skalenfaktor HubbleExpansionsrate Massendichte
(heute) Krümmungsparameter (räumlich) Kosmologisch
e Konstante
Dichteparameter Bremsparameter
Hubblenormalisiert
Expanionsratengleichung
Alexander Friedmann (18881925) (Quelle
wikipedia.org)
Georges Lemaître (18941966) Vater des
Urknallmodells (Quelle wikipedia.org)
Beschleunigungsgleichung
Materiedominierte Phase
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Räumliche Geometrien maximaler Symmetrie
(Quelle wikipedia.org)
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Kosmische Expansion veranschaulicht
(Quellen Richard Powell / atlasoftheuniverse.com
galaxyzoo.org / sdss.org)

• Materiemitbewegtes räumliches Koordinatennetz.

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Kosmologische Entfernungsbestimmungen
WIR (Milchstraße) Hier und Jetzt
Nachbargalaxie
Physikalische Entfernung (heute)
Helligkeitsentfernung (heute)
Winkelgrößenentfernung (heute)
Physikalische Entfernung (damals)
Absolute Helligkeit Scheinbare Helligkeit
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EntfernungsmaßRotverschiebungskurven

• Entfernungsmaße
• stimmen für kleine
• Rotverschiebungen
• (bis ca. z 0,2)
• überein. Lineare
• HubbleRelation

Momentaner HubbleRadius
(Quelle Richard Powell / atlasoftheuniverse.com)
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Refokussierung unseres Vergangenheitslichtkegels

• Die gesamte in unserem
• Vergangenheitslichtkegel
• enthaltene Masse/Energie
• wirkt als gigantische
• Gravitationslinse.
• Auswirkung auf die
• beobachtbare
• Winkelgrößenentfernung.

(Quelle G F R Ellis, Varenna Lectures 1969)
18
Bestimmung des Bremsparameters

• Seit 1998 Vermessung der Rotverschiebung sowie
• der Helligkeitsentfernung von Supernovae vom Typ
  Ia
• (beste Entfernungsindikatoren in der Kosmologie).
• Highz Supernova Search Team (Schmidt et al)
• 10 SNe Ia mit z zwischen 0,16 und 0,62.
• Supernova Cosmology Project (Perlmutter et al)
• 42 SNe Ia mit z zwischen 0,18 und 0,83.

(Quelle www.der-kosmos.de)
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HubbleDiagramm
(Quelle H Lesch, J Müller, 2006)
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Beschleunigte Expansionsrate

• Riess et al 2007 gold data set Daten zu 182
  beobachteten SNe Ia mit z zwischen 0,023 und
  1,755.

(Quelle A G Riess et al, ApJ 659 (2007), 98121)
21
Konkordanzmodell?CDM, räumlich flach (euklidisch)

• Baryonische Materie 0,04
• Nichtbaryonische Dunkle Materie 0,23

• Beobachtungsdatenlage
• Mikrowellenstrahlungshintergrund (CMB) WMAP,
  COBE
• Materiestruktur auf großen Skalen SDSS, 2dF
• Großskalige Entfernungen SNe Ia
• Baryonische Akustische Oszillationen (BAO)

!!!
(Quellen G Hinshaw et al arXiv0803.0732v1
astro-ph (2008) M Tegmark et al, PRD 69
(2004), 103501 A G Riess et al, ApJ 659 (2007),
98121 D J Eisenstein et al, ApJ 633 (2005),
560574)
Auf ein räumlich flaches Universum wird aus der
Winkelposition des ersten akustischen
Maximums im Leistungsspektrum der
CMB geschlossen.
!!!
2. Zufälligkeitsproblem Warum fallen das
Einsetzen der beschleunigten Expansion und der
Beginn der nichtlinearen Strukturbildung (bei ca.
z 0,8) zufällig zusammen?
1. Materieproblem 73 der im Universum enthaltene
n Materie sollen von einer unbekannten Dunklen
Energie herrühren!
(Quelle NASA / WMAP Science Team )
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3. Einfluss inhomogener Materieverteilung?Anpassu
ngsproblem
George Ellis (Quelle GFRE, privat)

• 1984 Wie passt man am besten ein
• idealisiertes FLModell
• (homogen, isotrop) an die Evolution
• der verklumpenden Materie des
• realen, beobachteten Universums an?

(Quelle G F R Ellis, M Bruni, PRD 40 (1989),
18041818)

• Ziel Ein geglättetes, FLähnliches Modell soll
  akkurat
• die durchschnittlichen physikalischen
  Eigenschaften
• des beobachteten Universums in der Zeit
  beschreiben.

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Reihenfolge von Mittelwertbildung und
Zeitentwicklung

• Ellis 1984 Die Mittelwertbildung von
  physikalischen Größen innerhalb räumlicher (3D)
  Volumen führt i.a. zu einem FLModell, welches
  nicht Einsteins Gravitationsfeldgleichungen
  genügt sondern
• modifizierten Feldgleichungen. ?
  Nichtvertauschbarkeit von Mittelungsprozess und
  Zeitentwicklung!

(Quelle Thomas Buchert, Dez. 2007)
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Raumartiges Volumenmittelungsverfahren

• Inhomogenes Modell mit rotationsfreier
  Staubmaterie.
• Synchronisierte Beobachter.
• Kompaktes Raumgebiet D vom Volumen V,
• materiemitbewegt, massenerhaltend.
• Volumenmittelung skalarer Größen f bzgl. D.

BuchertGleichungen (1999)
Thomas Buchert (Quelle physik.uni-bielefeld.de)

• Folge der Volumenmittelung
• Kinematische Rückwirkung Einfluss der Varianz
  der HubbleExpansionsrate (vgl. Statistik),
• Dynamische Kopplung von kinematischer Rückwirkung
  und räumlicher Krümmung.

Effektiver Volumenskalenfaktor
Hubblenormalisiert
Kinematische Rückwirkung
Räumliche Krümmung
(Quelle T Buchert, GRG 32 (2000), 105125)
25
Repräsentative Raumbereiche
1/3
aD VR
4g - dt2 gij dXi dXj
t
t
a(t)
Einstein Raumzeit
gij
(Quelle Thomas Buchert, Dez. 2007)
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Beschleunigte Expansion des Mittelungsvolumens
Dichteparameter für Materie, räumliche Krümmung
und Rückwirkung
Modellrechnung Zeitliche Entwicklung
kosmologischer Parameter
Bremsparameter
Voraussetzung für beschleunigte Expansion
(Quelle Thomas Buchert, Dez. 2007)
heute
(Quelle T Buchert, GRG 40 (2008), 467527)
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Perspektive des Beobachters
David Wiltshire (Quelle persönl. Heimseite)
(Quelle R Penrose, Nov. 2005)
(2007)
Relativistische Effekte Zeitdilatation und
Schrumpfung von räumlichen Volumen in
Raumgebieten hoher Materiekonzentration Uhren
gehen langsamer, Volumen werden
kleiner. Konsequenz Berücksichtige Effekte der
intrinsischen Zeit- und Längenmaßstabsänderungen
für Beobachter in WÄNDEN und in LEERRÄUMEN.
(Quelle D L Wiltshire, NJP
9 (2007), 377)
(Quelle G Falk, W Ruppel, 1983)
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Wiltshires Fraktales BlasenmodellNeue
Konkordanzparameterwerte

• Durchschnittliche Parameterwerte
• für Beobachter in WÄNDEN (WIR)
• ( 24 des momentanen Teilchenhorizontvolumens)

• Durchschnittliche Parameterwerte
• für Beobachter in LEERRÄUMEN
• ( 76 des momentanen Teilchenhorizontvolumens)

!!!
38 Altersunterschied!
!!!
!!!

• Die Dynamik des beobachtbaren Universums
• wird schon lange von LEERRÄUMEN dominiert
• (seit etwa t 5,1 Gyr / z 1,49).
• Die Kosmologische Konstante ist irrelevant.
• 
  (Quellen D L Wiltshire, PRL 99 (2007), 251101
• 
  B M Leith et al, ApJ 672 (2008), L91L94)

• Wiltshires Fazit
• Die beschleunigte Expansion des beobachtbaren
• Universums ist für WANDgebundene Beobachter (UNS)
• real, für LEERRAUMgebundene Beobachter nicht.
• Heimseite www2.phys.canterbury.ac.nz/dlw24/

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(No Transcript)
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Gute (Semi-)Populäre Einstiegsliteratur

• 1. Feynman R P "Surely You're Joking, Mr.
  Feynman!" (New York Bantam, 1985) ISBN
  0-553-34668-7
• Hawking S W A Brief History of Time - From the
  Big Bang to Black Holes (New York Bantam, 1988)
  ISBN-10 0-553-17521-1 (New Edition 1995)
• Penrose R Chapters 5-8 of The Emperor's New
  Mind - Concerning Computers, Minds, and the Laws
  of Physics
• (Oxford Oxford University Press, 1989) ISBN
  0-198-51973-3
• Breuer R Mensch und Kosmos - Expedition an die
  Grenzen von Raum und Zeit (1. Aufl.) (Hamburg
  GEO im Verlag Gruner Jahr AG Co., 1990)
• ISBN 3-570-03470-4 in German
• Lightman A and R Brawer Origins - The Lives and
  Worlds of Modern Cosmologists (Cambridge, MA
  Harvard University Press, 1990)
• ISBN 0-674-64471-9
• NB Contains interviews with Fred Hoyle, Allan
  Sandage, Gérard de Vaucouleurs, Maarten Schmidt,
  Wallace Sargent,
• Dennis Sciama, Martin Rees, Robert Wagoner,
  Joseph Silk, Robert Dicke, James Peebles, Charles
  Misner, James Gunn,
• Jeremiah Ostriker, Vera Rubin, Edwin Turner,
  Sandra Faber, Marc Davis, Margaret Geller, John
  Huchra, Stephen Hawking,
• Don Page, Roger Penrose, David Schramm, Steven
  Weinberg, Alan Guth, Andrei Linde.
• Wheeler J A A Journey into Gravity and
  Spacetime (New York Sci. Am. Lib. Ser., 1990)
  ISBN 0-7167-5016-3
• Thorne K S Black Holes and Time Warps
  Einstein's Outrageous Legacy (New York Norton
  Co., 1994) ISBN 0-333-63969-3
• Begelman M, M Rees Gravity's Fatal Attraction
  (Black Holes in the Universe) (New York Sci. Am.
  Lib. Ser., 1996) ISBN 0-7167-5074-0
• Silk J A Short History of the Universe (New
  York Sci. Am. Lib. Ser., 2nd Ed., 1997) ISBN
  0-7167-6020-7
• Hawking J Music to Move the Stars A Life with
  Stephen (London Pan/Macmillan, 1999) ISBN
  0-330-39247-6 NB An essential read for all
  cosmologists, relativists and other researchers
  in physics, mathematics and ... .
• Lesch H, J Müller Kosmologie für Fußgänger -
  Eine Reise durch das Universum (München Wilhelm
  Goldmann Verlag, 2001)
• ISBN 3-442-15154-6 in German NB Excellent
  exposition of (i) geophysical history of the
  Earth and (ii) how astronomers measure physical
  distances in the Universe.