Experimentelle Astroteilchenphysik Prof. Dr. Dieter Horns



Yüklə 472 b.
tarix18.04.2018
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#39244


Experimentelle Astroteilchenphysik


Experimentelle Astroteilchenphysik

  • Einführung und Überblick

  • Kosmische Strahlung auf der Erde

  • Kosmische Strahlung in unserer Galaxie

  • Transport kosmischer Strahlung in unserer Galaxie

  • Ursprung kosmischer Strahlung

  • Extragalaktische Beschleuniger

  • Dunkle Materie, Axionen und andere Exoten



Einführung und Überblick



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

  • Expansion des Universums

  • Kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung

  • 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



Distanzmessungen

  • Standardkerzen: Objekte mit großer, bekannter absoluten Helligkeit

    • Pulsationsveränderliche (Cepheiden)
      • Periode-Leuchtkraft-Beziehung:
      • M = − 1,67 − 2,54 * log(p)
      • r = 10 (mM + 5) / 5
      • Entfernungen bis ca. 20Mpc
    • 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



WMAP

  • Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) beobachtet „Unregelmäßigkeiten“ der kosmischen Hintergrundstrahlung

  • 73(3) km s-1 Mpc-1

  • Weltalter: 13.4 Gyr



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



3) Elementhäufigkeit im Universum

  • Primordiale

  • Nukleosynthese:

  • H, D (90%)

  • 3He, 4He (8%)

  • 7Li

  • Stellare Nukleosynthese:

  • Kernfusion im Sterninneren

  • 4He, 12C, 16O, Si, Ni und Fe

  • Höhere Elemente gebildet durch Neutroneneinfang und -Zerfall

  • Spallation (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



Dynamik des Weltalls

  • Energiebilanz einer Randgalaxie der Masse m bezüglich eines Galaxienhaufens der Masse M, Radius R und Volumen V = 4/3R3

  • Kein Ort ist besonders: Verallgemeinerung auf gesamtes Universum möglich.



Kritische Dichte c

  • Für k=0; = c=3H2/8G 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)



Friedmann-Gleichung und kosmologische Parameter

  • Materiedichte: =m = tc

  • Raumkrümmung: R =r0R

  • Kosmologische Konstante:  = /3H02



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



Friedmann-Gleichung mit kosmologischer Konstanten

  • KosmologischeDichte-Parameter:m R 

  • Es gilt:m + R +

  • WMAP:

  • R~0

  • m = 0.27(0.04), s = 0.004

  • =0.73(0.04)



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



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