Roter Faden:

Vorlesung 1:

Roter Faden:

1.Ausblick 2.Literatur

3.Bahnbrecher der Kosmologie

Priv. Doz. Dr. Jörg Hörandel

Wahlpflichtfach - Prüfung Hauptdiplom Astroteilchenphysik und Kosmologie

Vorlesung Einführung in die Kosmologie ^{de Boer 2 SWS}

Fr 11:30 – 13:00 kl. HS A

Übungen de Boer, Hörandel, Roth 1 SWS

Di 14:00 - 15:30 Seminarraum 8/2

Vorlesung Einführung in die Astroteilchenphysik Hörandel, Roth 2 SWS

Do 8:00 – 9:30 kl. HS B

Übungen Hörandel, Roth 1 SWS

Di 14:00 - 15:30 Seminarraum 8/2

6 SWS

www-ik.fzk.de/~joerg/kosmologie.html

Literatur

1. Vorlesungs-Skript:

http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/

2. Matts Roos: An Introduction to Cosmology Wiley, 3th Edition, 2004

3. Lars Bergström and Ariel Goobar:

An Introduction to Cosmology

Springer, 2nd Edition, 2004 4. Bernstein: An Introduction to Cosmology

Prentice Hall, 1995

Literatur

Weitere Bücher:

Weigert + Wendker, Astronomie und Astrophysik Populäre Bücher:

Silk: A short history of the universe Weinberg: Die ersten drei Minuten Hawking: A brief History of Time

Fang and Li: Creation of the Universe Parker: Creation

Vindication of the Big Bang

Ledermann und Schramm: Vom Quark zum Kosmos

Literatur

Bibel der Kosmologie:

Börner: The early Universe

Kolb and Turner: The early Universe

Gönner: Einführung in die Kosmologie

Bahnbrecher der Kosmologie

Griechen: Bewegung der Himmelskörper Kopernikus: Sonne im Mittelpunkt

Galilei: Gravitation unabh. von Masse

Brake: Messungen der Bewegungen von Sternen Kepler: Keplersche Gesetze (Bahnen elliptisch!) Newton: Gravitationsgesetz

Halley: Vorhersage des Halley Kometen Einstein: Relativitätstheorie

Hubble: Expansion des Universums ⇒ Urknall

Aristoteles

Erkannte:

Mondphasen enstehen

durch Umlauf des Mondes um die Erde! (*384 v. Chr.) Erkannte:

Sonnenfinsternis bedeutet daß Mond näher an der Erde ist als die Sonne.

Erkannte:

Mondfinsternis bedeutet daß die Erde rund ist.

Erde dreht sich um ihre Achse

Kopernikus (geb. 1474)

Sonne statt Erde im Mittelpunkt (wurde von Aristoteles

verworfen, weil es keine Parallaxe gab (damals nicht messbar)) Kopernikus konnte hiermit retrograde Bewegungen erklären.

Galilei (geb. 1564)

Erdbeschleunigung universell und unabhängig von Masse

Brahe (geb. 1548)

Brahe mißt 30 Jahre Position von Sternen und Planeten Verwirft wie Aristoteles heliozentrisches Model, weil er

keine Parallaxe beobachten konnte und sich nicht vorstellen konnte dass, wenn die Sterne so weit entfernt wären, sie noch sichtbar wären.

Kepler (geb. 1571)

Kepler konnte Brahes Daten nur erklären, wenn Bahnen nicht die von jedem erwartete Kreissymmetrie aufwiesen UND

auch noch die Sonne statt die Erde umkreisten!!!!!!!!!!!!!!!

Elliptische Bahnen -> Keplersche Gesetze.

Newton (geb. 1642)

Newton entdeckte dass alle Bewegungen im Universum durch die Gravitation

bestimmt sind -> Newtonsche Gesetze.

Rotationskurven

Flat rotation curves evidence

Halley (geb. 1642)

Halley sagte Periode von 75 J für seinen Kometen vorher!

Wurde tatsächlich beobachtet und damit wurden Newtonsche Gesetze weiter bestätigt.

Einstein (geb. 1879)

Allgemeine Relativitätstheorie:

Gravitation krümmt den Raum.

Licht und Planeten folgen

Raumkrümmung! Sonnenfinsternis in 1919 brachten Beweis durch

Einstein (geb. 1879)

Allgemeine Relativitätstheorie:

Gravitation krümmt den Raum.

Licht und Planeten folgen

Raumkrümmung! Sonnenfinsternis in 1919 brachten Beweis durch

Verschiebung der Sternpositionen.

Bei hoher Dichte kann Raum so stark gekrümmt

sein, dass Licht nicht entkom- men kann ⇒ Schwarzes Loch!

Hubble (geb. 1879)

Hubble entdeckte dass sogenannte Nebel auch variable Sterne beinhalteten. Schlussfolgerung: Dies sind Galaxien.

Er entdeckte, dass die meisten Galaxien eine Rotverschiebung

aufwiesen, die mit dem Abstand zunahm: Hubblesches Gesetz: v=Hr Richtige Erklärung: es gab am Anfang einen Urknall. (und es gab

Hubble (geb. 1879)

Hubble entdeckte dass sogenannte Nebel auch variable Sterne beinhalteten. Schlussfolgerung: dies sind Galaxien.

Er entdeckte dass die meisten Galaxien eine Rotverschiebung

aufwiesen, die mit dem Abstand zunahm: Hubblesches Gesetz: v=Hr Richtige Erklärung: es gab am Anfang einen Urknall. (und es gab einen Anfang!!!!)

Analogie: Rosinen im Brot

sind wie Galaxien im Universum.

Auch hier relative Geschwindigk.

der Rosinen ∝ Abstand bei der Expansion des Teiches, d.h. v=Hr.

Hubblesches Gesetz

Roter Faden:

1.Hubblesches Gesetz: v = H d

2.Wie mißt man Geschwindigkeiten?

3.Wie mißt man Abstände?

Bestimmung der Hubble Konstante aus H=v/D

Relative Geschwindigkeit v der Galaxien aus Dopplerverschiebung.

(Redshift Simulation).

Rotverschiebung Blauverschiebung

Keine Verschiebung

V_rel

Bestimmung der Hubble Konstante aus H=v/D

Relative Geschwindigkeit v der Galaxien aus Dopplerverschiebung.

(Redshift Simulation).

Quelle bewegt sich, aber Frequenz konstant. In einer Periode ∆t´=T vergrößert sich Abstand von λ_rest = cT auf λ_obs = (c+v)T´.

Die relativistische Zeitdilatation ergibt: T´/ T = γ =

Relativistische Rotverschiebung

Bestimmung der Abstände zwischen Galaxien

Trigonometrie:

π d

r

r = Astronomische Einheit (AE) =

= 1.496 10⁸ km = 1/(206265) pc.

Einheiten

Abstand zur Sonne: 8 Lichtminuten. Nächster Stern: 1,3 pc.

Zentrum der Milchstraße: 8 kpc. Nächste Galaxy: 55 kpc Andromeda Nebel: 770 kpc.

Milchstraße Cluster (1 Mpc) Supercluster (100 Mpc) Universum (3000Mpc

Bestimmung der Abstände durch Spektroskopie

Leuchtkraft L = Oberflächenhelligkeit F x Fläche πR² oder Energieströme messen:

Scheinbare Helligkeit m = gemessene Strahlungsstrom, d.h. pro Zeiteinheit vom Empfänger registrierte Energie.

Absolute Helligkeit M = scheinbare Helligkeit auf Abstand von r₀ = 10 pc und m ∝ 1/4πR^2.

L oder m messbar mit Photoplatte, digitale Kamera …..

F oder M aus

a) Spektrum plus Hertzsprung-Russel Diagram

b) Cepheiden (absolute Leuchtkraft M aus Periode) c) Supernovae Ia ( M bekannt)

d) Tully-Fisher Relation (Rotationsgeschwindigkeit ∝ M) e) hellsten Sterne einer Galaxie

Leuchtkraft der Sterne

Antike: 6 Größenklassen der scheinbaren Helligkeiten m, angegeben mit 1^m .. 6^m.

Sterne sechster Größe kaum

mit Auge sichtbar. Sonne: 4,75^m

Leuchtkraft der Sonne

Leuchtkraft und Entfernungsmodul

Die Leuchtkraft L (engl. luminosity) eines Sterns ist die abgestrahlte Energie integriert über alle Wellenlängen. Aus der Helligkeit in unterschiedlichen Frequenzbändern (U=UV, B=Blau, V=Visuell) kann man die Leuchtkraft (oder bolometrische Helligkeit) rekonstruieren.

Die bolometrische Helligkeit der Sonne wird festgelegt auf M_☼= 4,75 (stimmt ungefähr mit Skale 1-6 der Antiken).

Die Helligkeit (engl. magnitude) in einem bestimmten Spektralbereich

hängt vom Abstand und Durchsichtigkeit des Universums für die Strahlung ab.

Man definiert die absolute Helligkeit M als die Helligkeit auf einem Abstand

von 10 pc and die scheinbare Helligkeit m (= gemessener Strahlungsstrom S, d.h.

pro Zeit und Flächeneinheit vom Empfänger registrierte Energie) für einem Abstand d als m = M + 5 log (d/10pc).

Der logarithmische Term m-M nennt man Entfernungsmodul (distance modulus) und kann benutzt werden um Abstände zu bestimmen, wenn m und M bekannt s Oder man kann die Helligkeiten von Sternen vergleichen bei gleichem Abstand:

M₁ - M₂ = 2.5 log S₁/S₂ , wenn die Strahlungsströme S1 und S2 bekannt sind.

Eine Supernova Ia hat M= -19.6, die Sonne 4.75, so die Helligkeiten unterscheiden

Herzsprung-Russell Diagramm

Oh Be A Fine Girl Kiss Me Right No

Herzsprung-Russel Diagramm

Cepheiden (veränderliche Sterne)

Tully-Fisher : max. Rotationsgeschwindigkeit

der Spiralgalaxien prop. Leuchtkraft

Supernovae

Supernovae Leuchtkurven

Supernovae Ia, die entstehen durch Doppelsterne, die sich gegenseitig fressen bis Masse ausreicht für SN-Explosion, haben alle fast gleiche Leuchtkraft ( M = -19.5^m)

Abstandsmessungen

Zum Mitnehmen:

1. Gravitation bestimmt Geschehen im Weltall

2. Auch Licht empfindet Gravitation, die bei einem schwarzen Loch so stark ist, dass Licht nicht

die Fluchtgeschwindigkeit erreicht.

3. Hubblesches Gesetz: v=HD

v aus Rotverschiebung D aus Entfernungsleiter H = Expansionsrate = v/D

= h 100 km/s/Mpc

h = Hubblekonstante in

Einheiten von 100 km/s/Mpc