Reise zum Urknall mit Hubble und COBEWarum die Physiker glauben, dass die Welt

vor 14 Milliarden Jahren entstanden ist

Wissenschaft für alleMittwoch, 6. Dezember, 14h im Hörsaal

Fritz Bosch, GSI

www-ap.gsi.de/bosch: Reise zum Urknall; Lavilla 2004; Wie alt ist die Welt ?...

Der bisher tiefste Blick in Raum und Zeit

I Meilensteine der Astronomie bis 1929II Die Hinweise auf einen Anfang der WeltIII Vom Urknall bis heute – und von heute bis ??

Er führt ihr Heer vollzählig heraus und nennt sie alle mit Namen Jesaja 40, 26

Aber Du hast alles geordnet nach Maß, Zahl und Gewicht, Weisheit Salomos 11, 21

I Meilensteine der Astronomie

Galileo Galilei, 'Il sagittario' um 1630

La filosofia è scritta in questo grandissimo

libro, io dico l' universo...

Egli è scritto in lingua matematica,

ed i caratteri son triangoli, cerchi ed altre

figure geometriche...Senza questi è un aggirarsi vanamente

per un oscuro laberinto.

Der Beginn der mathematischenBeschreibung der Wirklichkeit

in der Neuzeit G. G. 1564 - 1642

Isaac Newtons Gravitationsgesetz von 1687Isaac Newtons Gravitationsgesetz von 1687

Fg = G m1 m2 / r2

Philosophiae naturalisprincipia mathematica

Heinrich W. Olbers 1815: Heinrich W. Olbers 1815:

Warum ist es Warum ist es nachts überhaupt dunkel ?

Dunkel ist die Nacht, bei Gott ist LichtGoethe, West-Östlicher Divan

Das Paradoxon von Olbers

Die Zahl der Sternenimmt mit r3 zu

Ihr Licht nimmt nurmit 1/r2 ab

→ Wenn das Universumunendlich ist, und die

Sterne "ewig" scheinen, muss jede Stelle des Himmels hell wie die

Sonne sein

r

Es kann nicht unendlich viele Sterne geben, die "ewig" da sind

...eppur si muove.

...und sie bewegt sich doch. Galilei zugeschrieben

Die Erde dreht sich...endgültigFoucault-Pendel, seit 1850 im

Pantheon in Paris

Die Welt wird einheitlich Spektralanalyse → "→ "Fingerabdruck" der Elemente

"Alphabet" des Universums

Fraunhofer entdeckt 1816 dieAbsorptionslinien der Sonne

Kirchhoff und Bunsen entwickeln 1859 die Spektralanalyse

Wär' nicht das Auge sonnenhaft, die Sonne könnt' es nie erblicken... Goethe, Zahme Xenien

Die Sterne kommen nach HeidelbergDie Sterne kommen nach Heidelberg

Absorption ↔ Emission HD, Hauptstraße 52

Der Beginn der Quantenphysik am Der Beginn der Quantenphysik am 6. Dezember 1900 1900

Max Planck verknüpft die Sterne mit den Atomen

Man lernt, Temperatur T und Geschwindigkeitder Sterne zu bestimmen

Die Energie E eines Photons ist bestimmt durch seine Wellenlänge λ (Frequenz ν),

das Plancksche Wirkungsquantum h und die Lichtgeschwindigkeit c :

E = h c/λ = h ν

λMax T = 0,29 [cm K]

Max Planck 1858 – 1947

Begründer der Quantenphysik

Jede Energie im Universum ist ein

Vielfaches des"Wirkungsquantums h"

x einer Frequenz

h = 4,1 x 10 -15 [eV s]

E (Photon) = h ν

Stefan und Boltzmann bestimmen die Leuchtkraft Lder Sterne: L = 4 π σ R2 T4

L (Sonne) = 400 000 000 000 000 000 000 000 000 Watt

R = 700 000 km

T = 5800 K

Zusammensetzung und Temperatur neu entstehender Sterne

H2-Wolken im Sternbild Adler

''Eines der wichtigsten Probleme der Astronomie war und ist dieEines der wichtigsten Probleme der Astronomie war und ist die

Entfernungsbestimmung

Er hat euch die Gestirne gesetzt, als Leiter zu Land und See. Goethe, West-Östlicher Divan

Das Universum wird 100 000 -mal größer :Das Universum wird 100 000 -mal größer : 10 Lichtjahre

Erste Messung von Sternparallaxen (Wega) durch Bessel und Struve 1837

3,26 Lichtjahre [ "1 parsec (pc)"] = Entfernung, aus der man den halben

Durchmesser der Erdbahn(150 Millionen km) unter einem Winkel

von einer "Bogensekunde" sieht

•

5 cm

10 km

'Eichkerzen für noch viel größere Entfernungen

Henrietta Leavitt entdeckt 1908 die 'Delta - Cepheiden' : periodisch pulsierende Sterne mit bekannter Leuchtkraft

Wer stellt es ins Gestirn und gibt das Maß des Abstands? Rilke, IV. Duineser Elegie

☻

☻☻

aaaaaaEdwin Hubble 1922 an 'seinem' 100-Zoll Teleskop

auf dem Mount Wilson, Ca

Teleskope öffnen die Tiefen des Universums

...und der Himmel da oben, wie ist er so weit! W. Müller, F. Schubert, Die schöne Müllerin

Unsere Milchstraße ist nur ein Unsere Milchstraße ist nur ein SandkornSandkornHubble entdeckt 1920, dass der Andromedanebel M31 eine eigenständige Galaxis ist

...unsere Milchstraße ist nur ein Sandkorn

..und sie wissen unendlich, alle die Sterne: denn wie, wie, wie sie vergessen! Rilke, VII. Duineser Elegie

Newtons Raum und Zeit

Es gibt einen 'Weltmaßstab' Es gibt eine 'Weltzeit'

Alex in Berlin

Kant: Raum und Zeit sind unsere 'Anschauungsformen'

Es gibt einen absoluten Raum und eine absolute Zeit, unabhängig von uns

und unabhängig von dem, was "darin" ist

"Zeit ist, was man mit der Uhr misst"EinsteinEinstein

...aber der Gangder Uhren hängtab vomBezugssystem

1905: Spezielle Relativitätstheorie

...der fliegende Pfeil ruht. Zenon

Der Gang einer Uhr bewegten Uhr ändert sich

→ Zeitdilatation, Längenkontraktion

'Gegenwart' ist relativ

Die Lichtgeschwindigkeit ist immer gleich

→ unser 'Horizont' ist endlich

E = mc2

Die Maßstäbe für Raum und Zeit werdenabhängig vom Bezugssystem

....es gibt mehr Myonen auf der Erde,als unsere Schulweisheit sich

träumen lässt...

(fast) Hamlet

1916 Allgemeine Relativitätstheorie:1916 Allgemeine Relativitätstheorie:Raum und ZeitRaum und Zeit sind sind keine leeren 'Gefäße' leeren 'Gefäße'

Materie und Energie erzeugen erst die Geometrie der Raumzeit

Rμν – 1/2 R gμν – Λ gμν = 8π G/c4 Tμν

Die Allgemeine Relativitätstheorie von 1916 verlangt die Invarianz der Naturgesetze in allen Bezugssystemen

die 'Metrik' der Raum-Zeit, d.h. die Geometrie des Raums

und der Gang von Uhren ergibt sich aus der Verteilung von

Masse und Energie; Licht wird von Materie abgelenkt.

die Zeit hängt von der jeweiligen Schwerkraft ab; für extreme

Dichten 'hört sie auf' : 'Schwarzes Loch' bzw. 'Ereignishorizont'

die vierdimensionale Raumzeit ist endlich, aber grenzenlos

sie hat für uns einen 'Horizont'

Im Zentrum der Milchstraße (Sternbild des Schützen = sagittarius, Sgr ) befindet sich

bei Sgr A* ein riesiges Schwarzes Loch von etwa vier Millionen Sonnenmassen.

M21

M20 TrifidnebelM8 Lagunennebelδ = - 240 23', α = 18h 03m

ε Sgr Kaus Australis, 145 Lj.δ = - 340 23', α = 18h 24m

Kaus Borealis

δ Sgr

● Sgr A* δ = - 290 00'

α = 17h 46m

25 000 Lj.

γ Sgr

σ Sgr

τ Sgr

ζ Sgr

φ Sgr

II Die Hinweise auf einen Anfang der Welt: 1. Hubbles Entdeckung der Hubbles Entdeckung der universellen 'Rotverschiebung' 1929

Spektrallinien sind rotverschoben proportional zur Geschwindigkeit 'von uns weg'

Wellenlänge λ

Dopplereffektλ' = λ (1 + v/c)(λ' – λ) / λ = v/c

An diese Daten eine Geradeanzupassen, war sehr mutig

- oder genial – oder:

"Scharlatan", "Ignorant","Phantast", "Nikotinsüchtiger","Alkoholiker im Delirium"...

Hubbles kühne Deutung 1929 :

1. Man würde an jeder Stelle dasselbe beobachten

2. Der Raum (die Raumzeit) selbst dehnt sich aus

Zweidimensionale Mathematiker könnten das Analoge auf einem Luftballonbeobachten –aber nicht erklären, was die "dritte Dimension" ist

Expansionsgeschwindigkeit pro Entfernung = 'H'

seit dem Beginn abgelaufene Zeit : TU = 1/H = 14 Milliarden J.

eine 1 Million pc ( 1 Mpc) entfernte Galaxie bewegt sich mit 70 km/s von uns weg→ H = "Hubblekonstante" = 70 km/ [s Mpc]

lässt man den Ballon nun wieder gleichförmig "schrumpfen", dann ist die

"Eigenbewegungen" :

Erdrotation 300 m/s; Erde um Sonne Erdrotation 300 m/s; Erde um Sonne 30 km/s; Sonne um Zentrum ; Sonne um Zentrum der Milchstraße der Milchstraße 200 km/s; Milchstraße in Richtung Virgo ; Milchstraße in Richtung Virgo 350 km/s

Man muss viele Millionen Lichtjahre weit weggehen, um die "kosmische Expansion" zu messen

Virgo-Haufen

1994 entdeckte W.L. Freedman mit dem Hubble-Teleskop1994 entdeckte W.L. Freedman mit dem Hubble-Teleskop

50 Millionen Lichtjahre entfernte Delta-Cepheiden in M100

Periode = 27 Tage20 000 – fache Leuchtkraft

der Sonne

Aus der bekannten Leuchtkraft → Entfernung = 15 Megaparsec

Aus der Rotverschiebung → Expansionsgeschwindigkeit

= 1080 km/s

H = 72 km/s pro Megaparsec

1/H = TU = Alter der Welt :

13,4 Milliarden Jahre

Konstante Expansion vorausgesetzt

H = 72 km/s pro MegaparsecW.L. Freedman, Nature 371 (1994) 757

M100 im Virgohaufen

II.2 Die Entdeckung der II.2 Die Entdeckung der 33 Kelvin Hintergrundstrahlung 1963

Bei der Untersuchungder Milchstraße

entdeckten Arno Penziasund Robert Wilson eine

absolut gleichförmige,isotrope Strahlung im Mikrowellenbereich

Physik-Nobelpreis 1978

Hornantenne

COBE – Cosmic Background Explorer Far Infrared Absolute Spectrometer

Diffuse Microwave Radiometer

10. November 1989 NASA Goddard SFC

Flüssiges Helium 2 K = - 271 0C

Das älteste "Photo" der Welt Das älteste "Photo" der Welt

rot = mehr als 1 Promille "heißer" blau = mehr als 1 Promille "kälter" als der Mittelwert von 2, 735 K

Milchstraße rast Richtung Leo/Virgo mit ≈ 350 km/s: "Doppler-Effekt"

← Strahlung aus der Milchstraße

Es gibt eine gleichförmigeMikrowellenstrahlung

mit dem Maximum bei einerWellenlänge von 1 mm

Sie ist

(nahezu) isotrop

entspricht perfekteinem 'Schwarzen

Strahler' mit T = 2,735 K

ist dopplerverschobenin Richtung Leo/Virgo

entsprechend der 'Reise'unserer Milchstraße mit

350 km/s

Physik - Nobelpreis 2006 für die "Väter" von COBE Physik - Nobelpreis 2006 für die "Väter" von COBE

John C. Mather NASA Goddard SFC

George F. Smoot Univ. of Berkeley

(David T. WilkinsonUniv. of Princeton)

Die Abkopplung von Strahlung und Materie

bei ca. 3000 K:

Wasserstoffatomewerden neutralLicht wird 'frei'

Wellenlänge wird bis heute1000-mal größerTemperatur wird1000-mal kleiner

Da schied Gott das Licht von der Finsternis undnannte das Licht 'Tag' und die Finsternis 'Nacht'

Genesis 1,4

Die vor 13 Milliarden Jahren freigewordene Strahlung erreicht uns heute

Das Universum ist heute tausendmal größer: Wellenlänge von 0.001 mm → 1mm; Temperatur von 3000 K → 3 K

••

•• •

WMAP

Lagrangepunkt L2: WMAP bleibt immer auf der Verbindunslinie Erde-Sonne, d.h. er kreist synchron mit der Erde um die Sonne

Die heute erreichte Auflösung der 3K Strahlung (WMAP)

Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (2001) am "Lagrangepunkt L2"

Die Messwerte WMAPs deuten auf ein 'flaches' Universum

III Vom Urknall bis heute – und von heute bis ??

Vor etwa 13,7 Milliarden Jahren war der "Anfang" (was war vorher ?) Das Universum ist unvorstellbar klein, dicht und heiß (die Physiker schweigen)

Nach etwa 10-35 s riesenhafte Ausdehnung

von 10-25 m auf 1025 m

"Inflation"

Vom Anfang bis heute – im Zeitraffer

Zeit Temperatur Ereignisse

< 10-5 s > 1012 K Quarks/Antiquarks, Strahlung

< 100 s > 1010 K Primordiales Deuterium, Helium...

3 x 105 J. 3.5 103 K Neutrale Atome, 3 K-Strahlung frei 3 x 108 J. 35 K Erste Galaxien und Sterne Synthese der Elemente in den Sternen 9 x 109 J. 3.6 K Bildung unseres Sonnensystems

14 x 109 J. 2.7 K heute

Bildung eines Elektron –Positron -Paars durch ein hochenergetisches Lichtquant

Ungelöstes Rätsel: Warum gibt es uns überhaupt ?Warum wurden nicht alle Teilchen mit ihren Antiteilchen "zerstrahlt" ?

"Größe" des Universums

gegen die Zeit seit dem "Anfang"

für ein homogenes, isotropes Universum nach den

Friedmann-Lemaitre-Gleichungen

Bis 1998 galt das Standard Modell:

'Kritische' Massendichte Ωm

abbremsende Expansion keine 'kosmologische Konstante'

Alter des Universums (2/3 x1/H0)

TU = 10 - 11 Milliarden Jahre

Die 'Revolution' von 1998:

Messung des Hubble-Parameters zu einer Zeit, als

das Universum

2/3 der heutigen Größe hatte

S. Perlmutter, Berkeley,B. Schmidt, B. Leibundgut, ESO

Wie findet man Milliarden von Lichtjahren entfernte Eichkerzen, die man noch sehen kann ??

Supernova Ia :ein 'weißer Zwerg' erreicht die kritische Masse für explosive Kohlenstoff-Fusion. Leuchtkraft und 'Lichtkurve' sind bekannt (?)

Die Augen der Unendlichkeit: auf der Suche nach den entferntesten Supernovae Ia : KECK und VLT

Keck I/II des Caltech auf dem Mauna Kea in Hawaii

Zwei 10-Meter-Spiegel

Very Large Telescope der ESO auf dem Cerro Paranál in Chile :

Vier verbundene 8,2-Meter-Spiegel

Der Hubbleparameter bei

a = 2/3 ist kleiner

als er nach dem'Standardmodell' (grün)

sein sollte!

Es gibt eine rätselhafte

'kosmologische Konstante Λ'

☻

2/3

Das Universum ist

13,7 Milliarden Jahre alt

'flach' (euklidisch)

expandiert immer schneller,

getrieben von einerrätselhaften

kosmologischen Konstanten(dunklen Energie)

Unsere Heimat aus einer Entfernung von einer Lichtsekunde

Apollo 17 am 7. Dezember 1972

Die Bedeutung der Erde im Universum

•

1 LS

5 LS

25 LS

125 LS

. 625 LS

10 Milliarden Lichtjahre = 500 000 000 000 000 x 625 LichtSekunden

Die Weltzeit ist ein Kind...'Mühle' spielend

Von unseren GrenzenWir haben Zettel gefunden, auf denen das Kind einige seiner Züge

aufgeschrieben hat und versuchen mühsam, die Handschrift zu entziffern...

Wir wissen nicht, wer das Kind ist, woher es das Spiel bekommen hat und schon gar nicht, wer die Regeln dieses Spiels gemacht hat...

Wir wissen nicht, ob es auch andere Spielregeln geben könnte...

Wir wissen nicht, warum wir mit der (von uns erfundenen??) Mathematik die Wirklichkeit beschreiben können...

Wir kennen nicht mehr als gerade 4% von dem, was 'ist'

Wir wissen nicht, warum es eine Symmetrieverletzung zwischen Materie und Antimaterie gegeben hat (sonst gäbe es uns nicht)

Wir wissen nicht, was vor dem 'Anfang' war und was nach dem 'Ende' sein wird