Lerne über Universum und/oder über Teilchen !

(1)

Astrophysik

Astroteilchenphysik Kosmologie

Thomas Hebbeker RWTH Aachen Seminar SS 2003

2003-05-05

1.0

(2)

Erforschung des Universums

1) Beobachtung der Teilchen/Strahlung Universum Erde

3) Modellbildung 2) Experimente

im Labor

Kosmologie

(3)

Teilchen/Strahlung aus dem Universum

+ Antiteilchen !

80 GeV W⁺ W^-

W-Boson

91 GeV Z

Z-Boson

masselos Photon γ

masselos g

Gluon

masselos G

Graviton

??? unbekannte Teilchen ???

(4)

Teilchen/Strahlung aus dem Universum

Kerne

80 GeV W⁺ W^-

W-Boson

91 GeV Z

Z-Boson

masselos Photon γ

masselos g

Gluon

Lerne über Universum und/

masselos G

Graviton

oder über Teilchen !

Forderung:

stabil,

beobachtbar!

(5)

Teilchen/Strahlung aus dem Universum

Kerne

Astroteilchen- physik

E > 1 GeV Photon γ

Astrophysik/

Astronomie

Photon γ E < 1 GeV

Gravitations- physik

masselos G

Graviton

(6)

Rate / Energiefluss (primäre Teilchen)

Atmosphäre

Elektronen

~ keV / GeV Kerne (p)

~ keV / GeV

?

? andere

Neutrinos

~ MeV Elektron- neutrinos

~ MeV Photonen

~ eV

extrasolar Rate

solar E solar

Rate

10

12

2 ⋅

s m /

/ ² J / m² / s / m² / s

10

14

6 ⋅

10

12

2 ⋅

10

3

1 ⋅ 10

21

5 ⋅

10

1

2 ⋅

10

4

3 ⋅

⁻

10

4

3 ⋅

⁻

¹⁰

²

10

4

10

14

10

7

zeitlich gemittelt

10

7

van-Allan-Gürtel

nur wenige geladene ANTIteilchen !

(7)

Rate / Energiefluss (primäre Teilchen)

Atmosphäre

Elektronen

~ keV / GeV Kerne (p)

~ keV / GeV

?

? andere

Neutrinos

~ MeV Elektron- neutrinos

~ MeV Photonen

~ eV

extrasolar Rate

solar E solar

Rate

10

12

2 ⋅

s m /

/ ² J / m² / s / m² / s

10

14

6 ⋅

10

12

2 ⋅

10

3

1 ⋅ 10

21

5 ⋅

10

1

2 ⋅

10

4

3 ⋅

⁻

10

4

3 ⋅

⁻

¹⁰

²

10

4

10

14

10

7

10

7

zeitlich gemittelt Sternoberfläche

van-Allan-Gürtel

Kernfusion im

Sternzentrum Sonnenwind Supernovae

(8)

Inhalt

• Einleitung

• Beobachtungen

1) Astronomie/Astrophysik 2) Astroteilchenphysik

3) Gravitationsphysik

• Kosmologie

1) Evolution des Kosmos

2) Prozesse im frühen Universum

(9)

1) Astronomie/Astrophysik

• Technische Fortschritte der klassischen Astronomie

• Interessante Objekte

• Supernovae

• Gamma Ray Burster

• Quasare, Galaxien mit Jets, ...

• Kosmische Hintergrundstrahlung

• Chemie des Universums

• Rotverschiebung der Galaxien

• Heutiges Bild des Universums

(10)

„klassische Astronomie“

Nachbargalaxie

„Andromeda“

2 Millionen Lichtjahre

„Whirlpool“ (HST) 37 Millionen Lj

Hubble Space Telescope

rasante Fortschritte:

• Satelliten (HST)

• adaptive/aktive Optik

• Interferometrie

HST „deep field“

bis zu 10 Milliarden Lichtjahre Blick in die Vergangenheit!

„Whirlpool“ (HST) 37 Millionen Lj

(11)

Supernovae Ia

Explosion wenn Masse kritischen Wert

≅ 1 . 4 ⋅ m

_Sonne

erreicht!

„Standardkerzen“

Zeitskala: einige Wochen Helligkeit:

gleich groß

Entfernungs- bestimmung

(12)

extragalaktisch ? Quellen ?

Energie ?

10 keV – 100 MeV

M i l c h s t r a s s e

Gamma Ray Burster Gamma Ray Burster

mysteriöse kurze (Sekunden - Tage) hochenergetische Ausbrüche

„Nachglühen“

(sichtbares Licht)

(13)

Quasare - Jets -AGNs...

• Quasare = Quasi Stellar Radio Source

• Jets (aus Galaxien)

• AGN = Active Galactic Nuclei

• Seyfert-Galaxien

• Blazars

HST: M87 in Virgo

Astro-Monster-Katalog:

Vermutung:

im Prinzip alle gleich!

Zentrum: schwarzes Loch

(14)

Die kosmische Hintergrundstrahlung

Mikrowellenstrahlung aus allen Richtungen

= „schwarzer Körper“

mit T = 2.7K

Kleine Temperatur- unterschiede

COBE µ K

±100

Penzias, Wilson

1965

1995

(15)

Die Chemie des Universums

Vor der Sternbildung: Am Ende des Sternenlebens:

75 % 25 % ^(Masse)

Wasserstoff Helium

Wir bestehen aus

Sternenasche !

(16)

Rotverschiebung der Galaxien

Doppler-Effekt:

Hubble 1929: Universum expandiert

nm

d H

v = ⋅ v

d

) 10

15 ( / 1

/ /

2 / /

65

9

a Lj s

cm

Mpc s

km H

⋅

=

(17)

Das heutige Universum

Materie:

•¹⁰¹¹ Galaxien mit je

10

¹¹

Strahlung:

• Sternenlicht

• Hintergrundstrahlung Sternen

T = 2.7 K

H,He

• dunkle Materie

(18)

Inhalt

• Einleitung

• Beobachtungen

1) Astronomie/Astrophysik 2) Astroteilchenphysik

3) Gravitationsphysik

• Kosmologie

1) Evolution des Kosmos

2) Prozesse im frühen Universum

(19)

2) Astroteilchenphysik

• Geladene Strahlung Eigenschaften

Nachweis

Höchste Energien

•Neutrinos

aus Supernovae solare

andere

•hochenergetische Photonen Eigenschaften

Nachweis

(20)

Geladene Strahlung

primär (p, Kerne) sekundär

Entdeckung: V. Hess 1912

(21)

Eigenschaften geladener Strahlung

Energie- Spektrum:

Chemie

(bei kleinen Energien): 87% p, 12% He, 1% Rest

!

Supernovae

?

E/eV

(22)

Nachweis primärer geladener Strahlung I

I) direkt:

Detektoren an Ballon oder in Satelliten

bis max. 100 TeV (Rate!)

JACEE

= Japanese-American

Collaborative Emulsion Exoeriment

(23)

Nachweis primärer geladener Strahlung II

II) indirekt (Luftschauer):

• Detektor-Arrays (Szintillatoren) (ab 50 TeV): geladene Teilchen

• Cerenkov-Strahlung

• Fluoreszenzstrahlung (ab 10 TeV)

Fly‘s Eye

(24)

Kosmische Teilchen bei höchsten Energien

primäre kosmische

Teilchen mit (kin.) Energie wurden nachgewiesen !

Agasa Array (Japan):

11

GeV

> 10

= Tennisball !

Erzeugung im Weltall:

unverstanden!

ungehinderter „Transport“:

„unmöglich“

wegen Wechselwirkung mit Hintergrundstrahlung:

∆

→ + γ

1993

p

20

eV 10

2 ⋅

(25)

Antimaterie im Universum ?

Ja ! Positronen, Antiprotonen... = Sekundärprodukte von Teilchenkollisionen

Gibt es schwere Anti-Kerne im Universum (aus dem Urknall) ?

Bisher kein

Antihelium ...

gefunden

(26)

Neutrinos aus dem Universum

aus Supernovae: SN 1987A

(Magellansche Wolke)

aus der Sonne

^(s.u.)

aus anderen kosmischen Quellen

^(s.u.)

HST 1996

(27)

Solare Neutrinos (~ MeV)

Nur ~ 50% werden auf Erde nachgewiesen! ?

Homestake-Mine Superkamiokande

e Ar

Cl +ν → + e + ν → e + ν + γ

~ 1 / Tag ! Licht:

Chemie:

(28)

Extrasolare hochenergetische Neutrinos γ

µ

ν + Kern → + X +

Methode: (Cerenkov)

Amanda, Südpol, Eis

Amanda: Photomultiplier

500 m

noch keine Neutrino-Quellen gefunden...

(29)

Hochenergetische Gamma-Strahlung

synchrotron compton nur wenige Quellen identifiziert

crab nebula

(= SNR 1054)

(30)

Nachweis von Gamma-Strahlung

Luftschauer, Cerenkov-Strahlung):

(ab 50 GeV)

HESS

Namibia

(31)

Inhalt

• Einleitung

• Beobachtungen

1) Astronomie/Astrophysik 2) Astroteilchenphysik

3) Gravitationsphysik

• Kosmologie

1) Evolution des Kosmos

2) Prozesse im frühen Universum

(32)

3) Gravitationsphysik

•

Dunkle Materie

• Gravitationslinsen

• Gravitationswellen

• indirekter Nachweis

• direkte Suche

Bisher nur Licht/Radiomessungen, kein

direkter

Nachweis der Gravitationseffekte!

(33)

Dunkle Materie

v(r) ist Maß für

eingeschlossene Masse !

etwa 10 mal mehr dunkle als leuchtende Materie !

= dunkle Materie

Spiralgalaxie

Rotationsgeschwindigkeit v(r) via Doppler-Effekt:

(34)

Gravitationslinsen

HST

VLA

Einstein-Ringe

(35)

Gravitationswellen

Vorhersage:

Einstein 1918

Enstehung im Universum :

Urknall

Supernovae

zwei verschmelzende Neutronensterne

Nachweis:

schwierig wegen kleiner Leistung/Amplitude:

Erde um Sonne: P = 200 W

Supernova in Milchstrasse: auf Erde

∆ l / l ~ 10

⁻¹⁸

(36)

Gravitationswellen: indirekter Nachweis

Doppelpulsar PSR1913+16:

/s

Erde

Umlaufzeit und Abstände nehmen ab

wegen Abstrahlung von Gravitationswellen

Entdecker: Taylor und Hulse

(37)

Gravitationswellen: direkte Suche

GEO600 Hannover

B) Michelson- Interferometer

A) Zylinderantenne

(38)

Inhalt

• Einleitung

• Beobachtungen

1) Astronomie/Astrophysik 2) Astroteilchenphysik

3) Gravitationsphysik

• Kosmologie

1) Evolution des Kosmos

2) Prozesse im frühen Universum

(39)

Das Big-Bang - Modell

Einsteins allgemeine

Relativitätstheorie Astrophysikalische Beobachtungen

+

Der Raum expandiert Anfang: „Big Bang“

=

Hintergrundstrahlung Rotverschiebung

Chemie

(40)

Evolution des Universums

Expansionsgeschwindigkeit gegeben durch:

• Hubble-Konstante (kinetische Energie Expansion)

• mittlere Massendichte (potentielle Energie Kontraktion) Gravitation!

nicht genau bekannt

=

= Ω

krit

m ρ

ρ mittlere Massendichte

/ 3

3 H − Atome m

kritische Massendichte ≈

Hubble-Konstante

Skalenparameter R:

Abstand zwischen zwei entfernten Galaxien

(41)

Neue Messungen

Erweitertes Modell: Einsteins „kosmologische Konstante“

Λ

„dunkle Energie“

wirkt

abstossend!

(42)

Inhalt

• Einleitung

• Beobachtungen

1) Astronomie/Astrophysik 2) Astroteilchenphysik

3) Gravitationsphysik

• Kosmologie

1) Evolution des Kosmos

2) Prozesse im frühen Universum

(43)

heute

Prozesse im frühen Universum

10

a 10

a 000

300

Atome

Kerne

min 3

10

s 10

⁻

Ladungssumme = 0

(44)

Nukleosynthese

t = 3 min T = 1 000 000 000 K E = 0.1 MeV

2 n + 2 p = He-Kern

^(stabil)

p = H-Kern

(übriggebliebene Protonen) Schwere Kerne (C, O, U...) entstanden

erst in Sternen/Supernovae !

(45)

Bildung von Atomen

t = 300 000 a T = 3000 K E = 0.3 eV

min

3

^Kerne

He-Kern + 2 e = He-Atom H-Kern + e = H-Atom

Weltall ohne freie Ladung!

Licht kann sich ungehindert ausbreiten!

Universum wird durchsichtig!

kosmische

Hintergrund- strahlung !

(46)

Zusammenfassung

Zunehmende Verzahnung zwischen

Astrophysik und Teilchenphysik: Astroteilchenphysik

-> interessante Seminarvorträge !

stark verbesserte und neue Beobachtungstechniken -> viele spannende Resultate !

(47)

ANHANG

(48)

Supernovae Typ Ia

= „Standardkerze“

Fluchtgeschwindigkeit

Helligkeit

Messung der Expansion

Entfernung ~ Alter

t v

d

t v d

log log

log = +

⋅

=

(49)

Berechnung der Evolution

2 2

2

) ( )

(

t R

M G m

dt t R

m d

_N

⋅

−

=

⋅

mit kosmologischer Konstanten :

3 / ) (t R m ⋅ Λ ⋅ +

2 2

2

) ( )

(

t R

M G m

dt t R

m d

_N

⋅

−

=

⋅

const t

R t

M = ( ) ( ) = 3

4

₃

π ρ

abstossend grosse

Entferng!

Λ

ohne kosmologische Konstante: