Post on 05-Apr-2015
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Experimentelle Astroteilchenphysik
Prof. Dr. Dieter Horns
Dr. Tanja Kneiske
Experimentelle Astroteilchenphysik
1. Einführung und Überblick2. Kosmische Strahlung auf der Erde3. Kosmische Strahlung in unserer Galaxie4. Transport kosmischer Strahlung in unserer
Galaxie5. Ursprung kosmischer Strahlung6. Extragalaktische Beschleuniger7. Dunkle Materie, Axionen und andere
Exoten
Einführung und Überblick
Einleitung Standardmodell der Teilchenphysik Standardmodell der Kosmologie
Was ist „Astroteilchenphsik“
Astronomie/Astrophysik: Beobachtung und physikalische Beschreibung astronomischer Objekte
Teilchenphysik: Elementarteilchen, Atome, Kerne (Standardmodell)
Kosmologie: Beschreibung des Univsersums als Ganzes (Standardmodell) Kosmogonie (Anfang des Universums)
Astroteilchenphysik in Deutschland
Gammaastronomie (Photonen > MeV) Primäre kosmische Strahlung
(geladene Komponente) Neutrino Astrophysik Neutrinomassen
Dunkle Materie Gravitationswellen
Kosmologie
Standardmodell der Teilchenphysik
Standardmodell der Kosmologie
Das Kosmologische Prinzip:- Homogen: an jedem Punkt gleich- Isotrop: in jeder Richtung gleich
(gilt nur auf großen Skalen ~100Mpc)
Größenskalen im Universum
Erde Sonnensystem Galaxien Galaxienhaufen Galaxiensuperhaufen Voids Zelluläre Strukturen
Drei Säulen des kosmologischen Modells
1. Expansion des Universums
2. Kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung
3. Elementhäufigkeit im Universum (primordiale Nukleosynthese)
1) Hubble Expansion
Edwin Hubble misst „verschobene Spektrallinien“ in Galaxien
Deutung als Dopplereffekt: Galaxien besitzen Geschwindigkeit v
Entdeckung Hubbles: Alle Galaxien entfernen sich
von uns Geschwindigkeit ist größer, je
weiter die Galaxie entfernt ist v = H0r = c / Hubble Gesetz ist eine
Illusion: Galaxien bewegen sich nicht, sondern das Universum expandiert !
Hubble Konstante H0
Rotverschiebung : z = ( Abstandsbestimmung : r
v = H0r = c = cz
Distanzmessungen
Standardkerzen: Objekte mit großer, bekannter absoluten Helligkeit1. Pulsationsveränderliche
(Cepheiden) Periode-Leuchtkraft-Beziehung: M = − 1,67 − 2,54 * log(p) r = 10 (m − M + 5) / 5
Entfernungen bis ca. 20Mpc
2. Supernova Ia (Binärsysteme)Entfernungen bis ca. 100 Mpc
Geschichte der Hubble Konstanten
E. Hubble findet H0 = 500 km s-1 Mpc-1
Alter des Universums:
= H0-1 = 978 x 109 (H0[km
Mpc-1s-1])-1
= 1.96 Gyr 1930: Alter der Erde
festegelegt auf 3 Gyr durch radioaktive Datierung
Aufteilung in 2 Gruppen: 50 und 100 km Mpc-1 s-1
H0 = 100 h km s-1 Mpc-1 (0.5<h<1.0)
WMAP
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) beobachtet „Unregelmäßigkeiten“ der kosmischen Hintergrundstrahlung
73(3) km s-1 Mpc-1
Weltalter: 13.4 Gyr
Quelle: NASA/WMAP science team
2) Kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung
z = 103 (3x106a) Rekombination von Elektronen und Protonen zu Wasserstoff
Strahlungsfeld: T ~ 3x103 K Heute: T0 = T / (1+z) ~ 3 K Arno Penzias & Robert Wilson
1965 A) 2.725 K (53 GHz) B) ~ 3 mK (10-3 K)
Erdbewegung, kosmischer Dipol
C) ~ 20 K (10-6 K) Milchstrasse Bleibende Anisotropien
Quelle: COBE Project, DMR, NASA APOD 07.10.06
A)
C)
B)
3) Elementhäufigkeit im Universum
PrimordialeNukleosynthese: H, D (90%) 3He, 4He (8%) 7LiStellare Nukleosynthese: Kernfusion im Sterninneren 4He, 12C, 16O, Si, Ni und Fe Höhere Elemente gebildet durch
Neutroneneinfang und -ZerfallSpallation (Spaltungsreaktion) 6Li, 9Be, 10B und 11B Beschuss von Atomen im
interstellaren Medium durch kosmische Strahlung
Beobachtungen: Direkt: Messungen im Sonnenwind
und an Meteoriten Indirekt: aus beobachteten Spektren
Elementeverteilung im Sonnensystem
HHe
C, N, O
Fe
Sc
Be
F
Dynamik des Weltalls
Energiebilanz einer Randgalaxie der Masse m bezüglich eines Galaxienhaufens der Masse M, Radius R und Volumen V = 4/3R3
Kein Ort ist besonders: Verallgemeinerung auf gesamtes Universum möglich.
GmHmREges3
4
2
1 22
Kritische Dichte c
Für k=0; = c=3H2/8G flaches Universum: Expansionsrate geht asymptotisch gegen 0
Für k>0; < c offenes Universum: unendliche Expansion des Universums
Für k<0; > c geschlossenes Universum: irgendwann folgt Stillstand und Kontraktion des Universums (Big Crunch)
2
2
2
2 3
82HG
c
R
mc
Ek
ges
Friedmann-Gleichung und kosmologische Parameter
Materiedichte: =m = tc
Raumkrümmung: R =r0R
Kosmologische Konstante: = /3H02
G
R
kc
R
R
3
82
22
Die kosmologische Konstante
1913 führte Einstein die kosmologische Konstante ein, um ein statisches Universum zu generieren
Einstein definierte Vakuumenergiedichte v:
=0 Vakuum hat keine Energiedichte In der Quantenphysik ist Vakuum nicht leer Durch Heisenberg‘sche Unschärferelation ergeben
sich Teilchen-Antiteilchenpaare Leider ist die Zahl aus beiden Theorien ca. 120
Größenordnungen unterschiedlich
vc
G 2
8
Friedmann-Gleichung mit kosmologischer Konstanten
KosmologischeDichte-Parameter:m R
Es gilt:m + R + WMAP:
R~0
m = 0.27(0.04), s = 0.004
=0.73(0.04)
)(3
82
22
vGR
kc
R
R
Evolution in einem Jahr
Kosmischer Kalender: 12 Gyr Geschichte des Universum in einem Jahr 1 Monat = 1 Gyr
Januar 1: Der Big Bang Februar : Die Milchstraße entsteht August 13: Die Erde entsteht Dezember 13: Erste Lebensformen Dezember 25: Aufstieg der Dinosaurier Dezember 30: Aussterben der Dinosaurier Dezember 31: 21:00 Erster Mensch Dezember 31: 23:58 Moderne Mensch entwickelt sich Dezember 31: 23:59:30 Ackerbau Dezember 31: 23:59:47 Bau der Pyramiden Dezember 31: 23:59:59 Kepler und Galileo zeigen, dass die Erde
sich um die Sonne dreht
Olber´sche Paradoxon Wenn das Universum seit jeher
eine unendliche Zahl an gleichmäßig verteilten Sternen besitzt, dann gilt: Die Gesamthelligkeit eines Sterns
ist unabhängig von der Entfernung des Beobachters (d.h. Licht streut erlischt aber nicht)
Ist das Universum unendlich groß, ist auf jeder möglichen Sichtlinie irgendwann ein Licht ausstrahlender Himmelskörper, sofern er nicht punktförmig ist (siehe Bäume im Wald).
Daraus folgt: Jeder Punkt am Himmel sollte dieselbe Helligkeit wie die Oberfläche eines Sternes besitzen.
Lösung
Endliche Zahl von Sternen mit endlicher Lebensdauer (107 Jahre)
Endliches Alter des Universums (Licht braucht länger von weitentfernten Quellen)
Rotverschiebung (Licht ist nicht mehr sichtbar)
Effekt der Rotverschiebung
X0 = beobachtete Größe
X=X(t) Größe zur kosmologischen Zeit t
30
0
10
0
0
)1(
)1(
)1(
)1(
zVV
zrr
zEE
z
z