Und es werde Und es werde LichtLicht
Die kosmische Die kosmische HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung
Vermessung der Vermessung der HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung
COBCOBEE
PlanPlanckck
WMAWMAPP
PlanPlanckck
Foto des UrknallsFoto des Urknalls
COBECOBE
Foto des UrknallsFoto des Urknalls
WMAPWMAP
Foto des UrknallsFoto des Urknalls
PlancPlanckk
Was sehen wir ?Was sehen wir ?
Zustand des Universums ca 400 000 Zustand des Universums ca 400 000 Jahre nach dem UrknallJahre nach dem Urknall
Fluktuationen eines heißen PlasmasFluktuationen eines heißen Plasmas
Plasma Plasma AtomeAtome
undurchsichtigundurchsichtig
wie im Innern der wie im Innern der SonneSonne
durchsichtigdurchsichtig
Weltall heuteWeltall heute
Was ist Licht ?Was ist Licht ?
Welle – Teilchen – DualitätWelle – Teilchen – Dualität Licht-Teilchen : Licht-Teilchen : PhotonenPhotonen Ohne Behinderung : auf (fast) Ohne Behinderung : auf (fast)
geraden Bahnen: geraden Bahnen: LichtstrahlenLichtstrahlen Photonen können gestreut werden, Photonen können gestreut werden,
oder absorbiert und emittiert oder absorbiert und emittiert werdenwerden
Photon – Streuung in Photon – Streuung in Wolke oder PlasmaWolke oder Plasma
undurchsichundurchsichtig !tig !
Kann man in die Sonne Kann man in die Sonne hineinschauen ?hineinschauen ?
nur Oberfläche der Sonne sichtbar , nur Oberfläche der Sonne sichtbar , obwohl viel elektromagnetische obwohl viel elektromagnetische Strahlung im Innern !Strahlung im Innern !
Bilder nur in Bilder nur in durchsichtigem Medium durchsichtigem Medium
möglich möglich Frühes Universum bis zu 400 000 Jahre Frühes Universum bis zu 400 000 Jahre
nach Urknall ( abb : after big bang ): nach Urknall ( abb : after big bang ): Elektronen und Atomkerne getrennt, Elektronen und Atomkerne getrennt, häufige Streuung der Photonen , häufige Streuung der Photonen , undurchsichtigundurchsichtig
Spätes Universum ab 400 000 Jahre abb Spätes Universum ab 400 000 Jahre abb : : Elektronen und Atomkerne zu Elektronen und Atomkerne zu elektrisch neutralen Atomen kombiniert, elektrisch neutralen Atomen kombiniert, nur sehr seltene Streuung der nur sehr seltene Streuung der Photonen, durchsichtig , LichtstrahlenPhotonen, durchsichtig , Lichtstrahlen
Was sehen wir ?Was sehen wir ?
Zustand des Universums ca 400 000 Zustand des Universums ca 400 000 Jahre nach dem UrknallJahre nach dem Urknall
Űbergang von Plasma zu Atomen Űbergang von Plasma zu Atomen ( Die Wolke löst sich auf .) ( Die Wolke löst sich auf .)
Bedeutung der Bilder für Bedeutung der Bilder für
Urknall - TheorieUrknall - Theorie Lösung der Einstein‘schen Lösung der Einstein‘schen
Gravitationsgleichungen sagt heißes Gravitationsgleichungen sagt heißes Plasma im frühen Universum vorausPlasma im frühen Universum voraus
Beobachtung des Plasmas : Beobachtung des Plasmas : entscheidender Test des Urknallsentscheidender Test des Urknalls
Gravitation regiert Gravitation regiert die Weltdie Welt
Einsteins Gleichungen leicht Einsteins Gleichungen leicht gemachtgemacht
C. Wetterich, Mainz C. Wetterich, Mainz 27.5.27.5.
Expansion des Expansion des UniversumsUniversums
Hmm ?Hmm ?
Expansion des Expansion des UniversumsUniversums
Der Raum zwischen den Der Raum zwischen den Galaxienhaufen dehnt sich aus.Galaxienhaufen dehnt sich aus.
Früher war das Universum dichter,Früher war das Universum dichter, … … und heißer.und heißer. Zurückverfolgung der Einstein’schen Zurückverfolgung der Einstein’schen
kosmologischen Gleichungen : kosmologischen Gleichungen : Urknall, extrem heißer Feuerball !Urknall, extrem heißer Feuerball ! Bis ca 400 000 Jahre nach dem Bis ca 400 000 Jahre nach dem
Urknall : heißes Plasma aus Protonen, Urknall : heißes Plasma aus Protonen, Elektronen und StrahlungElektronen und Strahlung
Entwicklung des Entwicklung des Universums Universums
Milliarden Jahre abbMilliarden Jahre abb
NASANASA
FeuerballFeuerball
heißes Plasmaheißes Plasma Elektronen und Kerne oder Elektronen und Kerne oder
Kernbestandteile getrenntKernbestandteile getrennt viel heißer und dichter als die Sonneviel heißer und dichter als die Sonne undurchsichtigundurchsichtig Licht wird fortdauernd gestreutLicht wird fortdauernd gestreut Universum kühlt abUniversum kühlt ab Ende nach 400 000 JahrenEnde nach 400 000 Jahren
Kosmische Kosmische HintergrundstahlungHintergrundstahlung
400 000 Jahre abb ist Universum 400 000 Jahre abb ist Universum genug abgekühlt, so dass sich genug abgekühlt, so dass sich neutrale Atome bilden können.neutrale Atome bilden können.
Universum wird durchsichtigUniversum wird durchsichtig Vergleich : Wolke löst sich aufVergleich : Wolke löst sich auf
Fiat lux ! Fiat lux ! Und es werde Und es werde Licht !Licht !
Schnappschuß des Schnappschuß des Universums, direkt bevor Universums, direkt bevor sich die Atome gebildet sich die Atome gebildet
habenhaben
Einfachkeit des frühen Einfachkeit des frühen Universums:Universums:
Fluktuierendes Plasma im Fluktuierendes Plasma im TemperaturgleichgewichtTemperaturgleichgewicht
Planck – Planck – SpektrumSpektrum( COBE )( COBE )
QuantenmechaQuantenmechaniknikauf auf astronomischeastronomischennSkalenSkalen
(1) Kosmische (1) Kosmische Hintergrundstrahlung Hintergrundstrahlung
bestätigt Urknall- Theorie: bestätigt Urknall- Theorie: Plasma im frühen Plasma im frühen
UniversumUniversum
Anisotropie der Anisotropie der kosmischen kosmischen
HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung
Fluktuationen in der Fluktuationen in der Temperatur der Temperatur der
HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung
StrukturbildungStrukturbildung
Aus winzigen Anisotropien wachsen Aus winzigen Anisotropien wachsen die Strukturen des Universumsdie Strukturen des Universums
Sterne , Galaxien, GalaxienhaufenSterne , Galaxien, Galaxienhaufen
Millenium simulation , VIRGO Millenium simulation , VIRGO projectproject
Simulationen im Computer :Simulationen im Computer :Verteilung der Dunklen Materie im Verteilung der Dunklen Materie im UniversumUniversum
t = 1 Milliarde Jahre ( z =5.7 )t = 1 Milliarde Jahre ( z =5.7 )
t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 )t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 )
Kosmische Strukturbildung im GrossrechnerKosmische Strukturbildung im GrossrechnerSimon White, Mainz, 1.7.Simon White, Mainz, 1.7.
Fluktuationen als KeimeFluktuationen als Keimefür Entstehung der für Entstehung der
kosmischenkosmischenStrukturen nötigStrukturen nötig
Foto des UrknallsFoto des Urknallsals sich die Atome bildeten : ca 400 000 als sich die Atome bildeten : ca 400 000 Jahre abbJahre abb
Bild einer Kugeloberfläche Bild einer Kugeloberfläche von innenvon innen
winzige Temperatur-winzige Temperatur-schwankungen der schwankungen der
HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung
(2) Anisotropie der (2) Anisotropie der Hintergrundstrahlung:Hintergrundstrahlung:Keime der kosmischen Keime der kosmischen
StrukturenStrukturen
Vermessung des Vermessung des Universums :Universums :
Woraus besteht das Woraus besteht das Universum ?Universum ?
EnergiedichteEnergiedichte
Energiedichte = Energie/VolumenEnergiedichte = Energie/Volumen Energie = Masse ( E=mcEnergie = Masse ( E=mc22 , c=1 ) , c=1 ) Einheit : kritische EnergiedichteEinheit : kritische Energiedichte Symbol für Energiedichte : Symbol für Energiedichte : ρρ
Kritische DichteKritische Dichte ρρcc =3 H² M² =3 H² M² Kritische Energiedichte des Kritische Energiedichte des
Universums Universums ( M : reduzierte Planck-Masse , M( M : reduzierte Planck-Masse , M-2-2=8 =8 ππ G ; G ; H : Hubble Parameter )H : Hubble Parameter )
ΩΩbb==ρρbb//ρρcc
Anteil der Atome ( Baryonen ) Anteil der Atome ( Baryonen ) an der (kritischen) an der (kritischen) EnergiedichteEnergiedichte
Kritische DichteKritische Dichte
ΩΩtot tot bestimmt die Geometrie des bestimmt die Geometrie des Universums : kann vermessen Universums : kann vermessen werdenwerden
ΩΩtot tot =1 flaches Universum=1 flaches Universum
ΩΩtot tot >1 Geometrie wie Kugeloberfläche>1 Geometrie wie Kugeloberfläche
ΩΩtot tot <1 hyperbolische Geometrie<1 hyperbolische Geometrie
Kritische DichteKritische Dichte
ΩΩtot tot =1 =1
flaches flaches UniversumUniversum
ΩΩtot tot >1 >1
KugeloberflächeKugeloberfläche
ΩΩtot tot <1 <1
hyperbolische hyperbolische
GeometrieGeometrie
gekrümmte Bahnen der gekrümmte Bahnen der LichtstrahlenLichtstrahlen
Zur Vermessung der Zur Vermessung der Geometrie:Geometrie:
charakteristischer Abstand charakteristischer Abstand ( Lineal) und Winkel( Lineal) und Winkel
Abstand : Größe des Horizonts Abstand : Größe des Horizonts zum Zeitpunkt der Emission zum Zeitpunkt der Emission der Hintergrundstrahlung : der Hintergrundstrahlung : berechenbar aus Einstein berechenbar aus Einstein GleichungGleichung
( Horizont : Wie weit Signale ( Horizont : Wie weit Signale sich seit dem Urknall sich seit dem Urknall ausbreiten konnten )ausbreiten konnten )
Winkel : aus beobachteten Winkel : aus beobachteten AnisotropienAnisotropien
Anisotropie der Anisotropie der HintergrundstahlungHintergrundstahlung ::
FleckengrößeFleckengröße
Stärke der TemperaturschwankungStärke der Temperaturschwankungin Abhängigkeit von Fleckengröße in Abhängigkeit von Fleckengröße
( im Winkel )( im Winkel )
ca 1 ca 1 GradGrad
ca 10 Gradca 10 Grad
KontraKontrastst
WinkelWinkel
Schallwellen im frühen Schallwellen im frühen Universum Universum
LängeLängeberechberechen-en-barbar
Schallwellen im PlasmaSchallwellen im Plasma
ca 1 Gradca 1 Gradca 10 Gradca 10 Grad
ΩΩtottot=1=1
Räumlich flaches Räumlich flaches UniversumUniversum
ΩΩtottot = = 11
ΩΩtottot=0.25=0.25ΩΩtottot = 1 = 1
(3) Vermessung des Universums: (3) Vermessung des Universums: Räumliche Geometrie ist nicht Räumliche Geometrie ist nicht
gekrümmt.gekrümmt.
Zusammensetzung des Zusammensetzung des UniversumsUniversums
Frequenzpektrum der Frequenzpektrum der MusikinstrumenteMusikinstrumente
gibt Details gibt Details über über Eigenschaften Eigenschaften desdesInstruments Instruments
Winkelspektrum der Winkelspektrum der HintergrundstahlungHintergrundstahlung
gibt Details über Eigenschaften gibt Details über Eigenschaften des Universumsdes Universums
Zusammensetzung des Zusammensetzung des UniversumsUniversums
AtomeAtome : : 5 %5 %
Dunkle Materie : 25 %Dunkle Materie : 25 %
Dunkle Energie : 70 %Dunkle Energie : 70 %
Anteil AtomeAnteil Atome
Bestimmung Bestimmung kosmologischer kosmologischer
Parameter ( Planck )Parameter ( Planck )Ωtot =0.999 ±0.006
Materie :
Ωm =0.31±0.01 Atome :
Ωb =0.048±0.005 Dunkle Materie :
Ωdm=0.26±0.01
Dunkle Energie :
Ωde =0.69 ±0.01
Alter =13.80±0.05 Milliarden Jahre
NukleosyntheseNukleosynthese
Eine Sekunde nach dem Urknall war das Eine Sekunde nach dem Urknall war das Universum so heiß, dass keine Atomkerne Universum so heiß, dass keine Atomkerne existieren konnten.existieren konnten.
nur Protonen , Neutronennur Protonen , Neutronen bei Abkühlung : Entstehung der leichten bei Abkühlung : Entstehung der leichten
AtomkerneAtomkerne Beginn der ChemieBeginn der Chemie
Chemie stimmt, wenn Atome 5% der kritischeChemie stimmt, wenn Atome 5% der kritischen n Energiedichte des Universums ausmachen.Energiedichte des Universums ausmachen.
NukleosyntheseNukleosynthese
Signale des UrknallsSignale des Urknalls HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung
Es werde Licht !Es werde Licht !
( Fiat lux ) ( 400 000 Jahre abb)( Fiat lux ) ( 400 000 Jahre abb)
Primordiale Elementsynthese Primordiale Elementsynthese (Nukleosynthese)(Nukleosynthese)
Beginn der Chemie ( 10 Minuten abb )Beginn der Chemie ( 10 Minuten abb )
Űbereinstimmung ! Űbereinstimmung ! abb : after big abb : after big bangbang
Nur 5% des Universums bestehen aus Atomen : bekannt von
Hintergrundstahlung Nukleosynthese
400 000 400 000 JJahre abbahre abbAtomphysikAtomphysik
10 Minuten 10 Minuten abbabbKernphysikKernphysik
Materie :
Alles , was klumpt
Dunkle MaterieDunkle Materie
Anteil der “Materie” insgesamt : 30 %Anteil der “Materie” insgesamt : 30 %
Die meiste Materie ist dunkel !Die meiste Materie ist dunkel !
Bisher nur durch Gravitation spürbarBisher nur durch Gravitation spürbar
Alles was klumpt! Alles was klumpt! GravitationspotentialGravitationspotential
Dunkle Energie :
homogen verteilt
(4) Das Universum besteht zu 70% aus Dunker Energie
Dunkle Energie – ein kosmisches Rätsel
C.Wetterich, Mainz 13.5.
Statistische Verteilung Statistische Verteilung von Fluktuationen :von Fluktuationen :viele unabhängige viele unabhängige
MessungenMessungen
Präzisions - KosmologiePräzisions - Kosmologie
Korrelations-FunktionKorrelations-Funktion
(5) „Probabilistisches (5) „Probabilistisches Universum“ erlaubt Universum“ erlaubt
Präzisions-KosmologiePräzisions-Kosmologie
Woher kommen die Woher kommen die Temperatur - Temperatur -
Fluktuationen ?Fluktuationen ?
PlanPlanckck
Inflationäres UniversumInflationäres Universum
Ca 10 Ca 10 -30-30 - 10 - 10 -40 -40 Sekunden abbSekunden abb Entstehung der primordialen Entstehung der primordialen
FluktuationenFluktuationen aus Quantenfluktuationenaus Quantenfluktuationen
Signale vom Urknall !Signale vom Urknall !
Quantenfluktuationen Quantenfluktuationen in der Anfangsphase des in der Anfangsphase des
Universums Universums werden heute beobachtbar !werden heute beobachtbar !
Vorhersagen der Vorhersagen der InflationInflation
Universum hat kritische Dichte ☺Universum hat kritische Dichte ☺
Quantenfluktuationen aus der Zeit der Quantenfluktuationen aus der Zeit der Inflation werden zu “Schallwellen“ zum Inflation werden zu “Schallwellen“ zum Zeitpunkt der Entstehung der kosmischen Zeitpunkt der Entstehung der kosmischen Hintergrundstrahlung ☺Hintergrundstrahlung ☺
Primordiale Gravitationswellen : vielleicht Primordiale Gravitationswellen : vielleicht gefunden ! (BICEP)gefunden ! (BICEP)
Der UrknallDer UrknallWie unser Universum Wie unser Universum
aus fast nichts aus fast nichts entstandentstand
C. C. WetterichWetterich,,Mainz, Mainz, 24.6.24.6.
(6) Beobachtung der (6) Beobachtung der Anisotropien der kosmischen Anisotropien der kosmischen Hintergrundsstrahlung testen Hintergrundsstrahlung testen
Modelle der inflationären Modelle der inflationären Kosmologie unmittelbar am Kosmologie unmittelbar am
UrknallUrknall
ZusammenfassungZusammenfassung
(1) Kosmische (1) Kosmische Hintergrundstrahlung Hintergrundstrahlung
bestätigt Urknall- Theorie: bestätigt Urknall- Theorie: Plasma im frühen Plasma im frühen
UniversumUniversum
(2) Anisotropie der (2) Anisotropie der Hintergrundstrahlung:Hintergrundstrahlung:Keime der kosmischen Keime der kosmischen
StrukturenStrukturen
(3) Vermessung des Universums: (3) Vermessung des Universums: Räumliche Geometrie ist nicht Räumliche Geometrie ist nicht
gekrümmt.gekrümmt.
Dunkle Energie :
homogen verteilt
(4) Das Universum besteht (4) Das Universum besteht zu 70% aus Dunker Energie zu 70% aus Dunker Energie
(5) „Probabilistisches (5) „Probabilistisches Universum“ erlaubt Universum“ erlaubt
Präzisions-KosmologiePräzisions-Kosmologie
(6) Beobachtung der (6) Beobachtung der Anisotropien der kosmischen Anisotropien der kosmischen Hintergrundsstrahlung testen Hintergrundsstrahlung testen
Modelle der inflationären Modelle der inflationären Kosmologie unmittelbar am Kosmologie unmittelbar am
UrknallUrknall
endend
Mittelwerte WMAP 2003
Ωtot
=1.02
Ωm =0.27
Ωb =0.045
Ωdm=0.225
Bestimmung kosmologischer Bestimmung kosmologischer ParameterParameter
ca 1 Gradca 1 Gradca 10 Gradca 10 Grad
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