Einsteins Universum
Das kosmologische Standardmodell
Peter Aufmuth
Albert-Einstein-Institut
Leibniz Universität Hannover Hannover, 9. November 2010
Zweiter November der Wissenschaft
»Einstein heute«
Isaac Newton (1643 – 1727)
„Alle Massen üben eine anziehende Kraft
auf einander aus.“
Gravitation nach Newton
Schwerkraft Gravitation
1687
Die Schwerkraft hält auch die Planeten auf ihrer
Bahn !
Problem: Periheldrehung des Merkur
???
Die Hauptachse der Bahnellipse des Merkur dreht sich pro Jahr- hundert um 43 Bogensekunden.
1916
„Die Gravitation ist keine Kraft, sondern
sie hat mit der Form des Raums zu tun.“
Gravitation nach Einstein
1912
Die Erde verändert ihre Umgebung so,
daß sich alles auf sie zu bewegt.
Albert Einstein (1879 – 1955)
Keine Masse
= der Raum ist flach
Massen verformen den Raum
Die Masse erzeugt eine „Delle“
„Trampolin-Effekt“
Vorstellung anhand einer Fläche:
Gravitation = Geometrie !
Der Mond folgt der durch die Erde vorgegebenen Struktur des Raums
Allgemeine Relativitätstheorie
Die Materie bestimmt die Krümmung des
Raums, und
der Raum bestimmt die Bewegung der
Materie.
1915
Krümmung ~ Masse/Energie-Verteilung
T G k
N 10 1
8 2
434
c k G
Beitrag der Erde zur Krümmung des Raums:
10
–9Bei der Satellitennavigation (GPS) müssen die Effekte der Relativitätstheorie berücksichtigt werden !
Einsteins Feldgleichung
G T
Erstes Ergebnis:
Periheldrehung des Merkur
Die Theorie erklärt qualitativ und quantitativ die Drehung der
Merkurbahn.
Ich war einige Tage fassungslos vor freudiger Erregung.
Brief an Ehrenfest, 17.1.1916
1915
Scheinbare Position
Wahre Position
Auch das Licht folgt der Geometrie des Raumes.
Lichtablenkung
Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie
Tag Nacht
Nachweis der Lichtablenkung
Arthur S. Eddington (Sonnenfinsternis 1919)
Einstein-Kreuz
Die Galaxie in der Mitte erzeugt vier Bilder des Quasars dahinter
HST
Gravitationslinsen
Die Galaxie wirkt wie eine Sammellinse.
MIT
Einstein-Ring
Bild einer Radiogalaxie mit aktivem Kern
(Linse nicht sichtbar!)
HST
Nachweis dunkler Materie durch Gravitationslinsen
Gravitationslinsen-Astronomie
Alle Massen im Universum bewegen sich.
Geometrodynamik
Wie schnell beeinflußt eine solche Veränderung,
z.B. eine Sternexplosion, die Umgebung ?
Die Geometrie des Universums ist nicht nur
gekrümmt, sondern sie verändert sich auch ständig.
John A. Wheeler (1911 – 2008)
Sternexplosion (Supernova)
mit Lichtgeschwindigkeit
Gravitationswellen
Die Ausbreitung von Störungen in der Struktur
der Raumzeit erfolgt nur mit endlicher Geschwindigkeit
Existenz von Gravitationswellen
1916
Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie
Energieverlust durch Abstrahlung von Gravitationswellen
Veränderung der Bahndaten
T stimmt mit dem Wert überein, den die Allgemeine Relativitäts- theorie vorhersagt (auf 0,2 % !).
Russell A. Hulse Joseph H. Taylor, Jr.
Indirekter Nachweis von Gravitationswellen !
Nachweis von GW
Tp [s]
Einsteins Vorhersage
PSR 1319+16
Nobelpreis für Physik 1993
Beobachtung von GW
GEO600 – der deutsch-britische GW-Detektor
ein Michelson-Interferometer mit 600 m langen Meßstrecken
Signale von Supernovae, kompakten Binärsystemen und vom Urknall
Relativistische Objekte
Es gibt im Universum sehr merkwürdige Objekte !
John A. Wheeler
Einstein war nicht begeistert…
Lösungen der Einstein-Gleichung
Neutronensterne Pulsare
Schwarze Löcher
Ein Stern am Ende seines Lebens
Der Stern erlischt und fällt in sich
zusammen
Die gesamte Masse ist in einem Punkt konzentriert
•
Querschnitt des Sterns
Ein Stern kollabiert
Weißer Zwerg Neutronenstern Schwarzes Loch
Ein Stern ist ein glühender Gasball, der durch den Strahlungsdruck im Gleichgewicht gehalten wird
Kompakte Sterne
Je größer die Massendichte, umso tiefer die „Delle“.
Eine große Masse kollabiert weiter, bis auf einen Punkt
Gewöhnlicher Stern
Neutronenstern
Schwarzes Loch
Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie
Neutronensterne
Neutronenstern Ø ~ 20 km
1,5 x Masse der Sonne !
Supernova 1987A
Elektron + Proton = Neutron + Neutrino
Atom
Vorhersage der
Allgemeinen Relativitätstheorie
Sonne Ø ~ 1,4 Mio km Masse: 1030 kg
2 M8
Pulsare
Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne.
In der Atmosphäre des Neutronensterns wird Radiostrahlung angeregt.
Diese wird in Richtung des Magnetfeldes des Sterns ausgestrahlt.
Ein Pulsar stellt eine hochpräzise Uhr dar.
Das Radioprogramm der Sterne
B0833-45 Vela
B0531+21 Krebs
© Jodrell Bank Observatory 30 Hz
jüngster Pulsar 1054 n.Ch.
11 Hz
10000 Jahre alt
B1937+21
642 Hz
zweitschnellster bekannter Pulsar
zweidimensional dreidimensional
Schwarze Löcher
Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie
Schwarze Löcher sind perfekte Kugeln („Glatzen-Satz“)
Ereignishorizont
•
Der Horizont ist eine gedachte Linie. Alles was sie überschreitet, kann den
Stern nicht mehr verlassen und ist für die Außenwelt
verschwunden.
3 km für einen Stern mit Sonnenmasse
Horizont
Der kollabierte Stern verschluckt alles, was ihm zu nahe kommt
Kollabierter Stern
Rotierende Schwarze Löcher
Rotierende Schwarze Löcher verdrillen die Raumzeit in
ihrer Umgebung
¾ der Materie fallen in das Loch, ¼ wird als Jet davon-
geschleudert
Dana Berry NASA
Sagittarius A*
Ein Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße
mit über 4 Millionen Sonnenmassen
Friedmanns Weltformel
(Lösung der Feldgleichungen für ein homogenes und isotropes Universum)
Alexander Friedmann (1889 – 1953)
Es verändert sich im Laufe der Zeit.
Es expandiert oder kontrahiert.
Das Universum besteht aus
Materie, Strahlung und
Vakuum.
1922
2 2 Λ
S M
2
( )
3 π 8
a
c k
H G
Die kosmologische Konstante
Das Universum verändert sich nicht !
Ich muß meine Gleichungen
ergänzen.
Einstein war nicht begeistert…
Damit ergibt sich ein statisches
Universum
T
G k
Die schwach leuchtenden Objekte sind keine Sterne, sondern ganze
Galaxien !
Und sie entfernen sich von uns !
Edwin P. Hubble (1889 – 1953)
1925
Das Weltall expandiert
Alles zurück ! Das Λ war die größte Dummheit
meines Lebens ! Einstein war
nicht begeistert…
Raum und Zeit
entstanden im Urknall.
Seitdem dehnt sich das Universum immer
weiter aus.
Einstein
Einstein war nicht begeistert…
Georges Lemaître (1894 – 1966)
1927
Das ist ja eine scheußliche Vorstellung !
Das Urknall-Modell
Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie
Vor 13,7 Mrd. Jahren:
Temperatur ~ 1032 °C
Frühzeit des Universums
Mikrowellenhintergrund
Urknall
Expansion und Abkühlung
Bild des Universums mit 380 000 Jahren. T ~ 3000 °C
(Temperaturunterschiede von 1/10000 °C)
Entwicklung des Universums
8
Bei der Expansion kühlt sich das Universum ab.
Die Anfangsenergie kondensiert zu Atomen, aus denen sich die Sterne und Galaxien bilden.
0 1 Sek. 380000 J. 1 Mrd. J. 13,7 Mrd. J.
Das Universum heute
Hundert Milliarden Galaxien mit je hundert Milliarden Sternen
© HST 2004
„Hubble“
Heute: Temperatur = 2,7 K (= –270 °C) Weißt Du wieviel
Sternlein stehen
?
10
22!
Very Large Array 0,01 – 1 m Lowell Observatorium
400 – 700 nm Compton Gamma Ray
Observatory 0,97 pm ROSAT 1,03 – 12,4 nm
Voyager 2
90 – 130 nm Hubble
120 – 1900 nm
Teleskope und Satelliten
WMAP 3 – 14 mm
Radio- wellen Mikrowellen- hintergrund Sichtbares
Licht
Röntgen- strahlen
Gamma- strahlen
Bilder des Universums
Gravitations- wellen
?
Vergleich der Beobachtungen
UNIVERSUM Typ: ΛCDMBB
Alter: 13,7 Mrd. Jahre Form: flach
Verhalten:
Dehnt sich beschleunigt aus Zusammensetzung:
96 % (DE + DM) 4 % BM
Dunkle Energie Dunkle Materie Baryonische Materie Leuchtende Materie
27 % + 73 % + 0 %
Universum = Materie + Vakuum + Strahlung
Dieser Anteil des Universums
leuchtet
Der „Rest“ besteht aus etwas, das wir nicht kennen !
1 %
Das unbekannte Universum
„Dunkle Materie“
(= unbekannte Materieform)
„Dunkle Energie“
(= Vakuumenergie)
Dieser Anteil des Universums
besteht aus normaler Materie 4 %
Die Astrophysiker
waren nicht begeistert
> Dunkle Gedanken <
Der Astrophysiker Hanns Ruder (Uni Tübingen)
beim Studium der neuesten Daten über das Universum
Die Zukunft des Universums
Und wie geht es weiter mit dem Universum ?
Das Universum dehnt sich beschleunigt weiter aus.
Die dunkle Energie erzeugt einen negativen Druck
Das ist mein Λ !
Hab‘ ich also doch wieder recht gehabt!
Was ist die Dunkle Energie ?
Was ist die Dunkle Materie ?
?
Neue Fragen
Einstein Jr.
Wichtig ist, daß man nicht
aufhört, zu fragen.
Was zündete den Urknall ?
Was passiert im Zentrum eines Schwarzen Loches ?
