Probleme des Modells

itp1.uni.stuttgart.de

Probleme des Modells

Hauptseminar: Neuere

Entwicklungen der Kosmologie

Das frühe Universum: Inflation und

Strahlungsdominanz

Thorsten Beck

Universität Stuttgart

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 1/14


Die Idee vom Urknall

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 2/14


Die Idee vom Urknall

Neues Weltbild löst Steady-State Theorie ab

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 2/14


Die Idee vom Urknall

Neues Weltbild löst Steady-State Theorie ab

Das Urknall Modell (∼1930) macht folgende Beobachtungen plausibel:

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 2/14


Die Idee vom Urknall

Neues Weltbild löst Steady-State Theorie ab

Das Urknall Modell (∼1930) macht folgende Beobachtungen plausibel:

• Die Galaxien-Rotverschiebung und damit die derzeitige Expansion des

Universums

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 2/14


Die Idee vom Urknall

Neues Weltbild löst Steady-State Theorie ab

Das Urknall Modell (∼1930) macht folgende Beobachtungen plausibel:

• Die Galaxien-Rotverschiebung und damit die derzeitige Expansion des

Universums

• Das Spektrum der Hintergrundstrahlung des Universums

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 2/14


Die Idee vom Urknall

Neues Weltbild löst Steady-State Theorie ab

Das Urknall Modell (∼1930) macht folgende Beobachtungen plausibel:

• Die Galaxien-Rotverschiebung und damit die derzeitige Expansion des

Universums

• Das Spektrum der Hintergrundstrahlung des Universums

• Die Grenze in der Altersverteilung der Sterne bei etwa 13 Milliarden

Jahren

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 2/14


Die Idee vom Urknall

Neues Weltbild löst Steady-State Theorie ab

Das Urknall Modell (∼1930) macht folgende Beobachtungen plausibel:

• Die Galaxien-Rotverschiebung und damit die derzeitige Expansion des

Universums

• Das Spektrum der Hintergrundstrahlung des Universums

• Die Grenze in der Altersverteilung der Sterne bei etwa 13 Milliarden

Jahren

• Die Häufigkeit der Elemente im All (insbesondere Wasserstoff,

Deuterium und die Isotope des Helium)

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 2/14


Der Anfang

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 3/14


Der Anfang

Idealisierung des Kosmos:

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 3/14


Der Anfang

Idealisierung des Kosmos:

• Kosmologisches Prinzip, Homogenes und isotropes Universum

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 3/14


Der Anfang

Idealisierung des Kosmos:

• Kosmologisches Prinzip, Homogenes und isotropes Universum

• → Friedmann-Modelle, konstante Krümmung

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 3/14


Der Anfang

Idealisierung des Kosmos:

• Kosmologisches Prinzip, Homogenes und isotropes Universum

• → Friedmann-Modelle, konstante Krümmung

֒→ Anfangspunkt (Singularität?!)

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 3/14


Der Anfang

Idealisierung des Kosmos:

• Kosmologisches Prinzip, Homogenes und isotropes Universum

• → Friedmann-Modelle, konstante Krümmung

֒→ Anfangspunkt (Singularität?!)

Die ersten Momente: Heisenbergsche Unschärferelation

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 3/14


Der Anfang

Idealisierung des Kosmos:

• Kosmologisches Prinzip, Homogenes und isotropes Universum

• → Friedmann-Modelle, konstante Krümmung

֒→ Anfangspunkt (Singularität?!)

Die ersten Momente: Heisenbergsche Unschärferelation

∆t∆E ≥

2

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 3/14


Der Anfang

Idealisierung des Kosmos:

• Kosmologisches Prinzip, Homogenes und isotropes Universum

• → Friedmann-Modelle, konstante Krümmung

֒→ Anfangspunkt (Singularität?!)

Die ersten Momente: Heisenbergsche Unschärferelation

∆t∆E ≥

2


G

Planck Länge: lp = c3 ≈ 1, 6 · 10−35m

G

Planck Zeit: tp = c5 ≈ 5, 4 · 10−44s Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 3/14


Der Anfang

Idealisierung des Kosmos:

• Kosmologisches Prinzip, Homogenes und isotropes Universum

• → Friedmann-Modelle, konstante Krümmung

֒→ Anfangspunkt (Singularität?!)

Die ersten Momente: Heisenbergsche Unschärferelation

∆t∆E ≥

2


G

Planck Länge: lp = c3 ≈ 1, 6 · 10−35m

G

Planck Zeit: tp = c5 ≈ 5, 4 · 10−44s Kleinere Längen oder Zeiten entziehen sich dem derzeitigen physikalischen

Verständnis

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 3/14


Der Hochenergiekosmos

Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 4/14


Der Hochenergiekosmos

Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell

Fundamentale Kräfte, vermittelt durch Eichbosonen der Masse 0

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 4/14


Der Hochenergiekosmos

Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell

Fundamentale Kräfte, vermittelt durch Eichbosonen der Masse 0

• starke Kernkraft: hält Quarks zusammen, Quantenchromodynamik

Austauschteilchen: Gluonen, wirken zwischen Farbladungen

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 4/14


Der Hochenergiekosmos

Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell

Fundamentale Kräfte, vermittelt durch Eichbosonen der Masse 0

• starke Kernkraft: hält Quarks zusammen, Quantenchromodynamik

Austauschteilchen: Gluonen, wirken zwischen Farbladungen

• Elektroschwache Kraft: Vereinigung aus em-Kraft und schwacher Kraft

Austauschteilchen: Photonen, W + , W − , Z 0 -Bosonen

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 4/14


Der Hochenergiekosmos

Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell

Fundamentale Kräfte, vermittelt durch Eichbosonen der Masse 0

• starke Kernkraft: hält Quarks zusammen, Quantenchromodynamik

Austauschteilchen: Gluonen, wirken zwischen Farbladungen

• Elektroschwache Kraft: Vereinigung aus em-Kraft und schwacher Kraft

Austauschteilchen: Photonen, W + , W − , Z 0 -Bosonen

Bei Temperaturen kleiner 10 16 Kelvin (t = 10 −12 s) kommt es zu einer

spontanen Symmetriebrechung.

W und Z-Bosonen erhalten Masse durch das Higgs-Feld.

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 4/14


Der Hochenergiekosmos

Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell

Fundamentale Kräfte, vermittelt durch Eichbosonen der Masse 0

• starke Kernkraft: hält Quarks zusammen, Quantenchromodynamik

Austauschteilchen: Gluonen, wirken zwischen Farbladungen

• Elektroschwache Kraft: Vereinigung aus em-Kraft und schwacher Kraft

Austauschteilchen: Photonen, W + , W − , Z 0 -Bosonen

Bei Temperaturen kleiner 10 16 Kelvin (t = 10 −12 s) kommt es zu einer

spontanen Symmetriebrechung.

W und Z-Bosonen erhalten Masse durch das Higgs-Feld.

→ Elektromagnetische- und Schwache Kraft

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 4/14


Der Hochenergiekosmos

Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell

Fundamentale Kräfte, vermittelt durch Eichbosonen der Masse 0

• starke Kernkraft: hält Quarks zusammen, Quantenchromodynamik

Austauschteilchen: Gluonen, wirken zwischen Farbladungen

• Elektroschwache Kraft: Vereinigung aus em-Kraft und schwacher Kraft

Austauschteilchen: Photonen, W + , W − , Z 0 -Bosonen

Bei Temperaturen kleiner 10 16 Kelvin (t = 10 −12 s) kommt es zu einer

spontanen Symmetriebrechung.

W und Z-Bosonen erhalten Masse durch das Higgs-Feld.

→ Elektromagnetische- und Schwache Kraft

Higgs-Boson: Letztes fehlendes Teilchen im Standardmodell

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 4/14


Der Hochenergiekosmos

Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell

Übergang zu höheren Energien → höhere Symmetrie → GUT (SU(5))

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 5/14


Der Hochenergiekosmos

Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell

Übergang zu höheren Energien → höhere Symmetrie → GUT (SU(5))

Vereinigung aller beschriebener Wechselwirkungen

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 5/14


Der Hochenergiekosmos

Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell

Übergang zu höheren Energien → höhere Symmetrie → GUT (SU(5))

Vereinigung aller beschriebener Wechselwirkungen

SU(5) → SU(3) × SU(2) × U(1)

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 5/14


Der Hochenergiekosmos

Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell

Übergang zu höheren Energien → höhere Symmetrie → GUT (SU(5))

Vereinigung aller beschriebener Wechselwirkungen

SU(5) → SU(3) × SU(2) × U(1)

X-Kraft → starke-, schwache-, elektromagnetische WW

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 5/14


Der Hochenergiekosmos

Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell

Übergang zu höheren Energien → höhere Symmetrie → GUT (SU(5))

Vereinigung aller beschriebener Wechselwirkungen

SU(5) → SU(3) × SU(2) × U(1)

X-Kraft → starke-, schwache-, elektromagnetische WW

Wo bleibt die Gravitation ??

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 5/14


Der Hochenergiekosmos

Vereinigte Kräfte und Symmetrie: Standardmodell

Übergang zu höheren Energien → höhere Symmetrie → GUT (SU(5))

Vereinigung aller beschriebener Wechselwirkungen

SU(5) → SU(3) × SU(2) × U(1)

X-Kraft → starke-, schwache-, elektromagnetische WW

Wo bleibt die Gravitation ??

→ Stringtheorie, M-Branen-Theorie

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 5/14


Strahlungsdominanz

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 6/14


Strahlungsdominanz

Größe des Universums ∼ Krümmungsradius ∼ Skalenfaktor R(t)

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 6/14


Strahlungsdominanz

Größe des Universums ∼ Krümmungsradius ∼ Skalenfaktor R(t)

Materiedichte ρmat

V (t) ∼ R(t) 3 , ρ(t) = ρ0 · R3

0

R(t) 3 , ρmat ∼ R(t) −3

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 6/14


Strahlungsdominanz

Größe des Universums ∼ Krümmungsradius ∼ Skalenfaktor R(t)

Materiedichte ρmat

V (t) ∼ R(t) 3 , ρ(t) = ρ0 · R3

0

R(t) 3 , ρmat ∼ R(t) −3

Strahlungsdichte ρrad

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 6/14


Strahlungsdominanz

Größe des Universums ∼ Krümmungsradius ∼ Skalenfaktor R(t)

Materiedichte ρmat

V (t) ∼ R(t) 3 , ρ(t) = ρ0 · R3

0

R(t) 3 , ρmat ∼ R(t) −3

Strahlungsdichte ρrad

• Rotverschiebung z = ∆λ

λ0 ,

R(t0)

R(t)

= z + 1

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 6/14


Strahlungsdominanz

Größe des Universums ∼ Krümmungsradius ∼ Skalenfaktor R(t)

Materiedichte ρmat

V (t) ∼ R(t) 3 , ρ(t) = ρ0 · R3

0

R(t) 3 , ρmat ∼ R(t) −3

Strahlungsdichte ρrad

• Rotverschiebung z = ∆λ

λ0 ,

R(t0)

R(t)

= z + 1

• Energie eines Quants ∼ R(t) −1 ⇒ ρrad ∼ R(t) −4

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 6/14


Strahlungsdominanz

Größe des Universums ∼ Krümmungsradius ∼ Skalenfaktor R(t)

Materiedichte ρmat

V (t) ∼ R(t) 3 , ρ(t) = ρ0 · R3

0

R(t) 3 , ρmat ∼ R(t) −3

Strahlungsdichte ρrad

• Rotverschiebung z = ∆λ

λ0 ,

R(t0)

R(t)

= z + 1

• Energie eines Quants ∼ R(t) −1 ⇒ ρrad ∼ R(t) −4

Planck-Kurven

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 6/14


Strahlungsdominanz

Größe des Universums ∼ Krümmungsradius ∼ Skalenfaktor R(t)

Materiedichte ρmat

V (t) ∼ R(t) 3 , ρ(t) = ρ0 · R3

0

R(t) 3 , ρmat ∼ R(t) −3

Strahlungsdichte ρrad

• Rotverschiebung z = ∆λ

λ0 ,

R(t0)

R(t)

= z + 1

• Energie eines Quants ∼ R(t) −1 ⇒ ρrad ∼ R(t) −4

Planck-Kurven

• uν · dν = 8·πν2

c 3

h·ν

exp(hν/kBT)−1

· dν

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 6/14


Strahlungsdominanz

Größe des Universums ∼ Krümmungsradius ∼ Skalenfaktor R(t)

Materiedichte ρmat

V (t) ∼ R(t) 3 , ρ(t) = ρ0 · R3

0

R(t) 3 , ρmat ∼ R(t) −3

Strahlungsdichte ρrad

• Rotverschiebung z = ∆λ

λ0 ,

R(t0)

R(t)

= z + 1

• Energie eines Quants ∼ R(t) −1 ⇒ ρrad ∼ R(t) −4

Planck-Kurven

• uν · dν = 8·πν2

c 3

h·ν

exp(hν/kBT)−1

· dν

• Was passiert beim Übergang zu anderem Skalenfaktor R’?

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 6/14


Strahlungsdominanz

Größe des Universums ∼ Krümmungsradius ∼ Skalenfaktor R(t)

Materiedichte ρmat

V (t) ∼ R(t) 3 , ρ(t) = ρ0 · R3

0

R(t) 3 , ρmat ∼ R(t) −3

Strahlungsdichte ρrad

• Rotverschiebung z = ∆λ

λ0 ,

R(t0)

R(t)

= z + 1

• Energie eines Quants ∼ R(t) −1 ⇒ ρrad ∼ R(t) −4

Planck-Kurven

• uν · dν = 8·πν2

c 3

h·ν

exp(hν/kBT)−1

· dν

• Was passiert beim Übergang zu anderem Skalenfaktor R’?

• Planck-Spektrum bleibt erhalten, bei geänderter Temperatur

T ′ = T · R/R ′ ⇒ T ∼ R(t) −1

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 6/14


Die Quark-Ära

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 7/14


Die Quark-Ära

[Zeit: kleiner 10 −5 s, Temperatur: größer 10 15 K]

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 7/14


Die Quark-Ära

[Zeit: kleiner 10 −5 s, Temperatur: größer 10 15 K]

• Quarks, Leptonen, Eichbosonen seit Anbeginn

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 7/14


Die Quark-Ära

[Zeit: kleiner 10 −5 s, Temperatur: größer 10 15 K]

• Quarks, Leptonen, Eichbosonen seit Anbeginn

• Durch Paarerzeugung bilden sich weitere Teilchen und deren

Antiteilchen

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 7/14


Die Quark-Ära

[Zeit: kleiner 10 −5 s, Temperatur: größer 10 15 K]

• Quarks, Leptonen, Eichbosonen seit Anbeginn

• Durch Paarerzeugung bilden sich weitere Teilchen und deren

Antiteilchen

• Hierzu muss die Strahlungsenergie von der Größenordnung der

Teilchen-Ruheenergie sein.

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 7/14


Die Quark-Ära

[Zeit: kleiner 10 −5 s, Temperatur: größer 10 15 K]

• Quarks, Leptonen, Eichbosonen seit Anbeginn

• Durch Paarerzeugung bilden sich weitere Teilchen und deren

Antiteilchen

• Hierzu muss die Strahlungsenergie von der Größenordnung der

Teilchen-Ruheenergie sein.

• Teilchen und Antiteilchen zerstrahlen und bilden sich wieder.

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 7/14


Die Quark-Ära

[Zeit: kleiner 10 −5 s, Temperatur: größer 10 15 K]

• Quarks, Leptonen, Eichbosonen seit Anbeginn

• Durch Paarerzeugung bilden sich weitere Teilchen und deren

Antiteilchen

• Hierzu muss die Strahlungsenergie von der Größenordnung der

Teilchen-Ruheenergie sein.

• Teilchen und Antiteilchen zerstrahlen und bilden sich wieder.

• Viel mehr passiert nicht → Die große Wüste

• Mit Absinken der Temperatur hören die Teilchenbildungsprozesse

sukzessive auf.

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 7/14


Die Quark-Ära

[Zeit: kleiner 10 −5 s, Temperatur: größer 10 15 K]

• Quarks, Leptonen, Eichbosonen seit Anbeginn

• Durch Paarerzeugung bilden sich weitere Teilchen und deren

Antiteilchen

• Hierzu muss die Strahlungsenergie von der Größenordnung der

Teilchen-Ruheenergie sein.

• Teilchen und Antiteilchen zerstrahlen und bilden sich wieder.

• Viel mehr passiert nicht → Die große Wüste

• Mit Absinken der Temperatur hören die Teilchenbildungsprozesse

sukzessive auf.

• Ein Überschuss an Materie blieb bei diesem Prozess übrig.

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 7/14


Nukleosynthese

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 8/14


Nukleosynthese

[Zeit: ∼ 1 − 2 min, Temperatur: ∼ 10 10 − 10 8 K]

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 8/14


Nukleosynthese

[Zeit: ∼ 1 − 2 min, Temperatur: ∼ 10 10 − 10 8 K]

Zusammensetzung des Universums heute:

• 75 % Wasserstoff, 23 % Helium, 2 % Rest

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 8/14


Nukleosynthese

[Zeit: ∼ 1 − 2 min, Temperatur: ∼ 10 10 − 10 8 K]

Zusammensetzung des Universums heute:

• 75 % Wasserstoff, 23 % Helium, 2 % Rest

Bei Temperaturen über 10 10 K sind die gebildeten Kerne nicht stabil

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 8/14


Nukleosynthese

[Zeit: ∼ 1 − 2 min, Temperatur: ∼ 10 10 − 10 8 K]

Zusammensetzung des Universums heute:

• 75 % Wasserstoff, 23 % Helium, 2 % Rest

Bei Temperaturen über 10 10 K sind die gebildeten Kerne nicht stabil

Kernreaktionen:

p + ¯νe ⇆ n + e +

p + e − ⇆ n + νe

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 8/14


Nukleosynthese

[Zeit: ∼ 1 − 2 min, Temperatur: ∼ 10 10 − 10 8 K]

Zusammensetzung des Universums heute:

• 75 % Wasserstoff, 23 % Helium, 2 % Rest

Bei Temperaturen über 10 10 K sind die gebildeten Kerne nicht stabil

Kernreaktionen:

im thermischen Gleichgewicht:

nn

np

p + ¯νe ⇆ n + e +

p + e − ⇆ n + νe

≈ exp(− (mn − mp)c 2

kT

) ≈ 1

5

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 8/14


Nukleosynthese

[Zeit: ∼ 1 − 2 min, Temperatur: ∼ 10 10 − 10 8 K]

Zusammensetzung des Universums heute:

• 75 % Wasserstoff, 23 % Helium, 2 % Rest

Bei Temperaturen über 10 10 K sind die gebildeten Kerne nicht stabil

Kernreaktionen:

im thermischen Gleichgewicht:

nn

np

p + ¯νe ⇆ n + e +

p + e − ⇆ n + νe

≈ exp(− (mn − mp)c 2

kT

) ≈ 1

5

Dieses Verhältnis blieb nach Abkühlung unter 10 10 K und ’Ausfrieren’ von

Protonen und Neutronen erhalten.

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 8/14


Nukleosynthese

Bei Temperaturen um 10 9 K beginnen die Kerne zu fusionieren

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 9/14


Nukleosynthese

Bei Temperaturen um 10 9 K beginnen die Kerne zu fusionieren

n + p → H 2 + γ

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 9/14


Nukleosynthese

Bei Temperaturen um 10 9 K beginnen die Kerne zu fusionieren

n + p → H 2 + γ

Mit der Existenz von Deuterium gings erst richtig los:

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 9/14


Nukleosynthese

Bei Temperaturen um 10 9 K beginnen die Kerne zu fusionieren

n + p → H 2 + γ

Mit der Existenz von Deuterium gings erst richtig los:

H 2 + H 2 → He 2 + n

H 2 + H 2 → H 3 + p

H 3 + H 2 → He 4 + n

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 9/14


Nukleosynthese

Bei Temperaturen um 10 9 K beginnen die Kerne zu fusionieren

n + p → H 2 + γ

Mit der Existenz von Deuterium gings erst richtig los:

Häufigkeit von Helium: 4·(nn/2)

nn+np

H 2 + H 2 → He 2 + n

H 2 + H 2 → H 3 + p

H 3 + H 2 → He 4 + n

= 2·(nn/np)

1+(nn/np)

= 0.33

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 9/14


Nukleosynthese

Bei Temperaturen um 10 9 K beginnen die Kerne zu fusionieren

n + p → H 2 + γ

Mit der Existenz von Deuterium gings erst richtig los:

Häufigkeit von Helium: 4·(nn/2)

nn+np

H 2 + H 2 → He 2 + n

H 2 + H 2 → H 3 + p

H 3 + H 2 → He 4 + n

= 2·(nn/np)

1+(nn/np)

= 0.33

Grund für Abweichung vom heutigen Wert: Zerfallszeit des Neutrons.

n → p + e − + ¯νe

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 9/14


Die ersten Jahre

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 10/14


Die ersten Jahre

[Temperatur: ∼ 10 7 − 10 4 K]

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 10/14


Die ersten Jahre

[Temperatur: ∼ 10 7 − 10 4 K]

• Stark gekoppeltes System aus Elektronen, Protonen, Neutronen, und vor

allem Strahlung

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 10/14


Die ersten Jahre

[Temperatur: ∼ 10 7 − 10 4 K]

• Stark gekoppeltes System aus Elektronen, Protonen, Neutronen, und vor

allem Strahlung

• Verhält sich bei hohen Energien wie ein Fluid (Kontinuumsmechanik)

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 10/14


Die ersten Jahre

[Temperatur: ∼ 10 7 − 10 4 K]

• Stark gekoppeltes System aus Elektronen, Protonen, Neutronen, und vor

allem Strahlung

• Verhält sich bei hohen Energien wie ein Fluid (Kontinuumsmechanik)

• Dichtefluktuationen, Schallwellen im Plasma

Hauptsächlich ermöglicht durch Photonendruck p = 1 1

3u = 3ρc2 .

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 10/14


Die ersten Jahre

[Temperatur: ∼ 10 7 − 10 4 K]

• Stark gekoppeltes System aus Elektronen, Protonen, Neutronen, und vor

allem Strahlung

• Verhält sich bei hohen Energien wie ein Fluid (Kontinuumsmechanik)

• Dichtefluktuationen, Schallwellen im Plasma

Hauptsächlich ermöglicht durch Photonendruck p = 1 1

3u = 3ρc2 .

vS =


∂p

∂ρ =

c 2

3

= c

√ 3

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 10/14


Die ersten Jahre

[Temperatur: ∼ 10 7 − 10 4 K]

• Stark gekoppeltes System aus Elektronen, Protonen, Neutronen, und vor

allem Strahlung

• Verhält sich bei hohen Energien wie ein Fluid (Kontinuumsmechanik)

• Dichtefluktuationen, Schallwellen im Plasma

Hauptsächlich ermöglicht durch Photonendruck p = 1 1

3u = 3ρc2 .

vS =


∂p

∂ρ =

c 2

3

= c

√ 3

• Dichtezunahmen erhitzen das Fluid, Dichteabnahmen kühlen

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 10/14


Die ersten Jahre

[Temperatur: ∼ 10 7 − 10 4 K]

• Stark gekoppeltes System aus Elektronen, Protonen, Neutronen, und vor

allem Strahlung

• Verhält sich bei hohen Energien wie ein Fluid (Kontinuumsmechanik)

• Dichtefluktuationen, Schallwellen im Plasma

Hauptsächlich ermöglicht durch Photonendruck p = 1 1

3u = 3ρc2 .

vS =


∂p

∂ρ =

c 2

3

= c

√ 3

• Dichtezunahmen erhitzen das Fluid, Dichteabnahmen kühlen

• Temperaturschwankungen

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 10/14


Die ersten Jahre

[Temperatur: ∼ 10 7 − 10 4 K]

• Stark gekoppeltes System aus Elektronen, Protonen, Neutronen, und vor

allem Strahlung

• Verhält sich bei hohen Energien wie ein Fluid (Kontinuumsmechanik)

• Dichtefluktuationen, Schallwellen im Plasma

Hauptsächlich ermöglicht durch Photonendruck p = 1 1

3u = 3ρc2 .

vS =


∂p

∂ρ =

c 2

3

= c

√ 3

• Dichtezunahmen erhitzen das Fluid, Dichteabnahmen kühlen

• Temperaturschwankungen

• Akustische Phänomene in der Hintergrundstrahlung auffindbar !

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 10/14


Probleme des Modells

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 11/14


Probleme des Modells

Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 11/14


Probleme des Modells

Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in

Verbindung stehen können.

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 11/14


Probleme des Modells

Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in

Verbindung stehen können.

Es bleiben viele offene Fragen:

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 11/14


Probleme des Modells

Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in

Verbindung stehen können.

Es bleiben viele offene Fragen:

• Flachheitsproblem

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 11/14


Probleme des Modells

Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in

Verbindung stehen können.

Es bleiben viele offene Fragen:

• Flachheitsproblem

• Horizontproblem

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 11/14


Probleme des Modells

Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in

Verbindung stehen können.

Es bleiben viele offene Fragen:

• Flachheitsproblem

• Horizontproblem

• Was bewirkte die Asymmetrie im Teilchen-Antiteilchen Verhältnis

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 11/14


Probleme des Modells

Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in

Verbindung stehen können.

Es bleiben viele offene Fragen:

• Flachheitsproblem

• Horizontproblem

• Was bewirkte die Asymmetrie im Teilchen-Antiteilchen Verhältnis

• Fehlen der Gravitation im Standard-Modell

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 11/14


Probleme des Modells

Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in

Verbindung stehen können.

Es bleiben viele offene Fragen:

• Flachheitsproblem

• Horizontproblem

• Was bewirkte die Asymmetrie im Teilchen-Antiteilchen Verhältnis

• Fehlen der Gravitation im Standard-Modell

• Zu wenig sichere empirische Daten

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 11/14


Probleme des Modells

Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in

Verbindung stehen können.

Es bleiben viele offene Fragen:

• Flachheitsproblem

• Horizontproblem

• Was bewirkte die Asymmetrie im Teilchen-Antiteilchen Verhältnis

• Fehlen der Gravitation im Standard-Modell

• Zu wenig sichere empirische Daten

• ...

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 11/14


Probleme des Modells

Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in

Verbindung stehen können.

Es bleiben viele offene Fragen:

• Flachheitsproblem

• Horizontproblem

• Was bewirkte die Asymmetrie im Teilchen-Antiteilchen Verhältnis

• Fehlen der Gravitation im Standard-Modell

• Zu wenig sichere empirische Daten

• ...

• ...

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 11/14


Probleme des Modells

Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in

Verbindung stehen können.

Es bleiben viele offene Fragen:

• Flachheitsproblem

• Horizontproblem

• Was bewirkte die Asymmetrie im Teilchen-Antiteilchen Verhältnis

• Fehlen der Gravitation im Standard-Modell

• Zu wenig sichere empirische Daten

• ...

• ...

Vorstellung vom Urknall keineswegs eine "Theory of everything"

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 11/14


Probleme des Modells

Gemessene Hintergrundstrahlung isotrop obwohl Quellen kausal nicht in

Verbindung stehen können.

Es bleiben viele offene Fragen:

• Flachheitsproblem

• Horizontproblem

• Was bewirkte die Asymmetrie im Teilchen-Antiteilchen Verhältnis

• Fehlen der Gravitation im Standard-Modell

• Zu wenig sichere empirische Daten

• ...

• ...

Vorstellung vom Urknall keineswegs eine "Theory of everything"

Weiterentwicklung der Theorie

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 11/14


Die Inflation

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 12/14


Die Inflation

[Zeit: ∼ 10 −35 s, Temperatur: ∼ 10 20 K]

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 12/14


Die Inflation

[Zeit: ∼ 10 −35 s, Temperatur: ∼ 10 20 K]

• X-Kraft zerfällt in Starke und elektro-schwache Wechselwirkung.

(Symmetriebrechung)

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 12/14


Die Inflation

[Zeit: ∼ 10 −35 s, Temperatur: ∼ 10 20 K]

• X-Kraft zerfällt in Starke und elektro-schwache Wechselwirkung.

(Symmetriebrechung)

• Ähnlich Phasenübergang bei realem Gas, nicht spontan.

Unterkühlung, latente Wärme.

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 12/14


Die Inflation

[Zeit: ∼ 10 −35 s, Temperatur: ∼ 10 20 K]

• X-Kraft zerfällt in Starke und elektro-schwache Wechselwirkung.

(Symmetriebrechung)

• Ähnlich Phasenübergang bei realem Gas, nicht spontan.

Unterkühlung, latente Wärme.

• Latente Wärme ist zeitlich konstant.

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 12/14


Die Inflation

[Zeit: ∼ 10 −35 s, Temperatur: ∼ 10 20 K]

• X-Kraft zerfällt in Starke und elektro-schwache Wechselwirkung.

(Symmetriebrechung)

• Ähnlich Phasenübergang bei realem Gas, nicht spontan.

Unterkühlung, latente Wärme.

• Latente Wärme ist zeitlich konstant.

Falls latente Wärme die anderen Energiedichten dominiert:

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 12/14


Die Inflation

[Zeit: ∼ 10 −35 s, Temperatur: ∼ 10 20 K]

• X-Kraft zerfällt in Starke und elektro-schwache Wechselwirkung.

(Symmetriebrechung)

• Ähnlich Phasenübergang bei realem Gas, nicht spontan.

Unterkühlung, latente Wärme.

• Latente Wärme ist zeitlich konstant.

Falls latente Wärme die anderen Energiedichten dominiert:


8πG

(t)/R(t) = σ = H

3

R ˙ (t) = Ha ⇒ R(t) = R0(t) · exp(Ht)

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 12/14


Die Inflation

[Zeit: ∼ 10 −35 s, Temperatur: ∼ 10 20 K]

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 13/14


Die Inflation

[Zeit: ∼ 10 −35 s, Temperatur: ∼ 10 20 K]

• Exponentielles Anwachsen des Skalenfaktors

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 13/14


Die Inflation

[Zeit: ∼ 10 −35 s, Temperatur: ∼ 10 20 K]

• Exponentielles Anwachsen des Skalenfaktors

• Erklärt den kausalen Zusammenhang der Hintergrundstrahlungen aus

entgegengesetzten Raumrichtungen

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 13/14


Die Inflation

[Zeit: ∼ 10 −35 s, Temperatur: ∼ 10 20 K]

• Exponentielles Anwachsen des Skalenfaktors

• Erklärt den kausalen Zusammenhang der Hintergrundstrahlungen aus

entgegengesetzten Raumrichtungen

• Inflation glättet den Raum

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 13/14


Die Inflation

[Zeit: ∼ 10 −35 s, Temperatur: ∼ 10 20 K]

• Exponentielles Anwachsen des Skalenfaktors

• Erklärt den kausalen Zusammenhang der Hintergrundstrahlungen aus

entgegengesetzten Raumrichtungen

• Inflation glättet den Raum

• Kleinste Quantenfluktuationen konnten sich zu makroskopischen

Störungen aufblähen

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 13/14


Schluss

... to be continued..

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 14/14


Schluss

... to be continued..

Literatur- und Bild-Quellen:

• 1. Weigert & Wendker: Astronomie und Astrophysik

• 2. Scientific American: Edition February 2004

• 3. Bild der Wissenschaft: Ausgabe November 1996

• 4. http://drfreund.bei.t-online.de/astronomy_glossary.htm

• 5. http://wikipedia.org

• 6. Hauptseminarvortrag Uni-Karlsruhe, Die Grundlagen der

Urknall-Theorie, Michael-Ralph Pape

Hauptseminar: Neuere Entwicklungen der Kosmologie – p. 14/14

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