Die Große Debatte und kosmische Rotverschiebung
Die Große Debatte und kosmische Rotverschiebung
Die Große Debatte und kosmische Rotverschiebung
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<strong>Die</strong> <strong>Große</strong> <strong>Debatte</strong> <strong>und</strong> die<br />
Kosmische <strong>Rotverschiebung</strong><br />
Max Camenzind<br />
Senioren Uni<br />
Würzburg @ 2012
Haus der Astronomie HD<br />
eröffnet am 16. Dez. 2011
Astronomie News Jan. 2012<br />
5 Exoplaneten Kepler-20 / 2 erdähnlich<br />
P = 6,1 d<br />
P = 19,6 d
Planetensystem Kepler-20<br />
Alle Planeten innerhalb Merkurbahn !
Erdähnliche Planeten<br />
aber nicht in der Habitablen Zone
Unsere Themen<br />
• Wie bestimmen wir die Distanzen zu<br />
Galaxien <strong>und</strong> Quasaren ?<br />
• <strong>Große</strong> <strong>Debatte</strong> von 1920 Was ist der<br />
Andromeda-Nebel M 31 ? Cepheiden<br />
• <strong>Die</strong> Kosmische <strong>Rotverschiebung</strong> z.<br />
• Hubble-Gesetz <strong>und</strong> Hubble-Konstante:<br />
• <strong>Die</strong> Cepheiden-Methode.<br />
• <strong>Die</strong> Supernova-Methode Nobelpreis.<br />
• <strong>Rotverschiebung</strong> wichtig für Kartierung des<br />
Universums Durchmusterungen
The „Great Debate“ 1920
„<strong>Die</strong> grosse<br />
<strong>Debatte</strong>“<br />
26.04.1920<br />
Ist<br />
Andromeda<br />
galaktisch<br />
oder<br />
extragalaktisch?<br />
Protagonisten:<br />
Harold Shapley<br />
Heber Curtis
• <strong>Die</strong> Shapley-Curtis-<strong>Debatte</strong>, auch bekannt<br />
als <strong>Die</strong> <strong>Große</strong> <strong>Debatte</strong> (The Great Debate)<br />
bündelt die Diskussionen am Anfang des 20.<br />
Jahrh<strong>und</strong>erts, die schließlich zu einem neuen<br />
Verständnis der Natur von Galaxien <strong>und</strong> der<br />
Größe des Universums führten.<br />
• <strong>Die</strong> Diskussion zwischen den Astronomen<br />
Harlow Shapley <strong>und</strong> Heber Curtis fand am<br />
26. April 1920 im Baird-Auditorium des<br />
National Museum of Natural History in<br />
Washington statt. Sie kreiste um die Größe<br />
unserer Milchstraße <strong>und</strong> die Frage, ob die<br />
damals als Spiralnebel bekannten<br />
Galaxien kleine Objekte in unserer<br />
Milchstraße oder sehr viel weiter entfernt<br />
<strong>und</strong> von der Milchstraße getrennt sind.
Heber Curtis …………………..<br />
Harlow Shapley
<strong>Die</strong> Shapley-Curtis <strong>Debatte</strong> (1920)<br />
Shapley<br />
Spiral-Nebel<br />
Curtis<br />
Galaxis<br />
Galaxis<br />
<strong>Die</strong> <strong>Debatte</strong> ergab kein brauchbares Ergebnis!<br />
“Questions in science are not resolved by debates, but by<br />
observations and experiments”
Distanzen von Galaxien<br />
• Geometrische Distanzen (selten möglich, z.B.<br />
Supernova 1987A).<br />
• Standard-Kerzen: d² = L / 4p f <br />
• (i) RR-Lyrae Sterne (~ 0,5 Sonnenmassen),<br />
Riesensterne der Spektralklasse A, F,<br />
Pulsationsveränderliche (im h Bereich)<br />
• (ii) Delta Cephei Sterne ( < 20 Mpc)<br />
• (iii) hellste Sterne (nicht gut definiert)<br />
• (iv) Zentralsterne Planetarischer Nebel<br />
• (v) Supernovae vom Typ Ia ( z < 2, ab 1989 )
Standardkerzen<br />
Je weiter entfernt desto schwächer
Skalen des<br />
Fixsternhimmel<br />
Universums<br />
1 Radian = 180/p x 60 x 60<br />
= 206.265´´<br />
1 Parsec = 206.265 AE<br />
~ 3,08 x 10 16 m<br />
~ 3,26 Lichtjahre<br />
Naher<br />
Stern<br />
Scheinbare<br />
Parallaxenbewegung<br />
Parallaxenwinkel<br />
= 1 Bogensek<strong>und</strong>e<br />
1 kpc = 1000 Parsec<br />
1 Mpc = 1 Mio. Parsec<br />
1 Gpc = 1 Mrd. Parsec<br />
Bewegung Erde um die Sonne
Cepheiden als Standardkerzen<br />
• <strong>Die</strong> Cepheiden sind eine Klasse von<br />
veränderlichen Sternen, die nach dem<br />
Stern δ Cephei im Sternbild Cepheus<br />
benannt sind, eine Unterklasse der<br />
Pulsationsveränderlichen.<br />
• Cepheiden verändern ihre Leuchtkraft<br />
streng periodisch, dabei verändert sich<br />
auch ihre Oberflächentemperatur <strong>und</strong><br />
somit ihre Spektralklasse.<br />
• Ihre Leuchtkraft korreliert mit ihrer Periode
Der Stern<br />
d Cephei<br />
veränderlicher<br />
Stern im Sternbild<br />
Cepheus, dessen<br />
Veränderlichkeit<br />
1784 vom<br />
englischen<br />
Astronomen John<br />
Goodricke<br />
entdeckt wurde
John Goodricke<br />
1764 – 1786<br />
Verstarb an<br />
Lungenentzündung
Variable Sterne - Cepheiden<br />
Einige Sterne zeigen intrinsische<br />
Helligkeitsvariationen, die nicht auf<br />
Verdunklung im Doppelsternsystem<br />
zurückgehen Sägezahn-artig<br />
Wichtigstes Beispiel:<br />
d Cephei<br />
Lichtkurve von d Cephei
Schnell veränderliche Sterne<br />
P = 194,2 Minuten
Magnitude<br />
Henrietta Leavitt (1868-1921) entdeckte die Cepheiden<br />
Periode-Leuchtkraft (PL) Relation (1912)<br />
Lichtkurve eines Cepheiden<br />
<strong>Große</strong> (LMC) & Kleine<br />
Magellansche Wolken<br />
Tage<br />
log(Tage)<br />
Periode vs Magnitude Cepheiden in SMC
Cepheiden: Periode-Leuchtkraft<br />
Beziehung 2 Typen !<br />
<strong>Die</strong> Periode eines Cepheiden<br />
ist mit der Leuchtkraft<br />
korreliert.<br />
Je heller, desto<br />
langsamer pulsiert der<br />
Stern.<br />
Messen der Periode<br />
bestimmt die Leuchtkraft !<br />
Relation muss geeicht<br />
werden ! (LMC)
Infrarot-Helligkeit<br />
Cepheiden PL – Moderne Version<br />
2 Sequenzen / Magellansche Wolken<br />
M V = - 2,81 log(P/d) – 1,43<br />
Feast et al., Hipparcos 1997
Leuchtkraft [Sonnen]<br />
<strong>Die</strong> “Periode” (Dauer) der Pulsation<br />
korreliert mit der Leuchtkraft<br />
M V = - 2,81 log(P/d) – 1,43<br />
1. Messe<br />
Periode<br />
2. <br />
Leuchtkraft<br />
1. Messe<br />
scheinbare<br />
Helligkeit<br />
2. <br />
Distanz !<br />
<strong>Die</strong> Leuchtkraft<br />
des beobachteten<br />
Sterns ~1500L <br />
Periode [Tagen]
1923 - Hubble<br />
misst die Distanz<br />
zu M 31 mittels<br />
Cepheiden<br />
Hubble entdeckt<br />
Cepheiden in M 31<br />
<strong>Debatte</strong><br />
gelöst!<br />
100-inch Hooker Telescope, Mt. Wilson<br />
Edwin Hubble
Hubble findet die Lösung 1923:<br />
Andromeda-Nebel nicht galaktisch<br />
1923 untersuchte Edwin Hubble<br />
photographische Platten des Andromeda Nebels,<br />
die mit dem 100-Zoll Teleskop aufgenommen,<br />
um Novae zu finden – Sterne, die plötzlich ihre<br />
Helligkeit ändern. Am 5. Oktober 1923<br />
lokalisierte Huble 3 Novae, jede mit einem “N”<br />
gekennzeichnet. Eine dieser Novae erwies sich<br />
jedoch als Cepheiden Variable. Das “N” wurde<br />
durchgestrichen <strong>und</strong> Hubble bezeichnete den<br />
Stern als “VAR”! <strong>Die</strong>se Cepheide, <strong>und</strong> viele<br />
andere in der Andromeda entdeckt erlaubten es<br />
Hubble zu beweisen, dass Nebel nicht Sterne<br />
innerhalb unserer Milchstraße sind, sondern<br />
dass es sich dabei um Galaxien handelt, die<br />
mehr als eine Million Lichtjahre von uns<br />
entfernt sind. Damit war die “<strong>Große</strong> <strong>Debatte</strong>”<br />
beendet!
Hubble’s V1 ist der wichtigste Stern in der Geschichte der Kosmologie
Lichtkurve Hubble-Cepheide V1<br />
Shapley: “Here is the letter that destroyed my universe.”
68 Cepheiden in Andromeda<br />
Adam G. Riess et al. 2011 arXiv:1110.3769 / HST
Moderne Distanz Andromeda<br />
Adam G. Riess et al. 2011 arXiv:1110.3769 / HST<br />
F160W<br />
µ 0 = 24,42(0,05) mag<br />
D = 765 +/- 28 kpc<br />
= 2,5 Mio. Lichtjahre<br />
F110W<br />
µ = m - M = 5 log(D/10 pc)
<strong>Die</strong> Kosmische <strong>Rotverschiebung</strong><br />
Galaxien <strong>und</strong> Quasare <strong>Rotverschiebung</strong><br />
Vesto Slipher 1920; Carl Wirtz 1924
Lichtbrechung im Prisma
• <strong>Die</strong>se<br />
Absorptionslinien<br />
werden<br />
durch die<br />
Expansion des<br />
Kosmos nach<br />
rot verschoben.<br />
• Heutige<br />
Messungen<br />
gehen bis zu<br />
z ~ 7 z ~ 10<br />
• Zukunft: z ~ 20
Wirtz 1924, …, Hubble 1929<br />
je weiter entfernt um so stärker<br />
- Weit<br />
entfernte<br />
Galaxie<br />
- Entfernte<br />
Galaxie<br />
- Nachbar-<br />
Galaxie<br />
- Stern<br />
- Labor: l 0<br />
z = (l – l 0 )/l 0<br />
Astronom: V = c z
Dig. Spektrum einer E Galaxie<br />
dominiert durch massearme Sterne<br />
kein UV<br />
keine<br />
A, B, O Sterne<br />
TiO Banden<br />
M Zwerge<br />
Nicht viel Emission im Blauen!
z = 4,58<br />
Seit 1963: Quasare haben charakteristische Emissions-Spektren<br />
keine Standardkerzen | SDSS bis z = 6,4 | 2011 bis z = 7,1<br />
z = 4,96
Wirtz & Hubble fanden 1920er heraus,<br />
dass entfernte Galaxien scheinbar<br />
größere <strong>Rotverschiebung</strong> aufweisen.<br />
z l<br />
l<br />
• Messe die <strong>Rotverschiebung</strong><br />
z, leite<br />
daraus die “Fluchtgeschwindigkeit”<br />
her<br />
v<br />
<br />
c<br />
<br />
z
Hubble 1929 cz = H 0 D<br />
Eigenbewegung<br />
der Galaxien im<br />
Virgo-Haufen<br />
Hubble<br />
1929
morgen<br />
Interpretation<br />
Das<br />
„Universum“<br />
expandiert<br />
Lemaitre<br />
1927 - 1933<br />
heute<br />
gestern<br />
Urknall
<strong>Rotverschiebung</strong> durch Expansion
Expansion des Universums<br />
Georges Lemaitre 1927
“Homogeneous Universe of Constant<br />
Mass and Increasing Radius” k=1<br />
G. Lemaître 1927 / übersetzt von A. Eddington 1931<br />
• „According to the theory of relativity, a<br />
homogeneous universe may exist, …;“<br />
• „There is no centre of gravity.“<br />
• „Space is elliptic, i.e. of uniform positive curvature<br />
1/R².“ Metrik Ansatz: ds² = c²dt² - R²(t)ds² (1)<br />
• „The volume of space has a finite value p²R³.“<br />
• „When a light source is near enough, we have the<br />
approximate formula ( heute: „Hubble-Gesetz“)<br />
(23) cz = (R´/R) r | z + 1 = dt 0 /dt 1 = R 0 /R 1<br />
where r is the distance of the source.“<br />
Heute |<br />
Emission
Einstein, de Sitter & Lemaître 1932<br />
… treffen sich in Kalifornien Lemaître überzeugt Einstein !
Zur Geschichte von H 0
<strong>Die</strong> 2. <strong>Große</strong> <strong>Debatte</strong>: H 0
1. Lösung<br />
Hubble<br />
Key-<br />
Project<br />
2003<br />
publiziert<br />
Alle<br />
Daten<br />
H 0 = (72 +- 8) km/s/Mpc
Entwicklung Hubble-Konstante H 0<br />
seit Hubble-Teleskop bis heute<br />
de Vaucouleurs<br />
Sandage &<br />
Tammann<br />
arXiv:1112.3108
Cepheiden in NGC 5584<br />
d = 23 Mpc in Virgo/HST<br />
Hubble Key Project2: SN Ia Host
HKP2: Modern PL Relation for Cepheids: Riess et al. 2011/HST<br />
H 0 = (73,8 +- 2,4) km/s/Mpc
Bedeutung der Hubble-Konstanten<br />
• 1. H 0 bestimmt die Skala des Universums:<br />
R H = c/H 0 = 4200 Mpc : Hubble-Radius<br />
beobachtbares Universum wird damit<br />
eingeschränkt, wahre Radius viel größer.<br />
• 2. H 0 bestimmt das Alter des Universums:<br />
t H = 1/H 0 = 14 Mrd. Jahre : Hubble-<br />
Alter, effektives Alter hängt von Dichte ab.<br />
• Beachte: Das Hubble-Alter ist nur ein Maß<br />
für das Alter des heutigen Universums.<br />
• 3. H 0 ist heutige Expansionsrate dR/(R dt)
Sphärisches Universum<br />
Kosmisches Netzwerk DM<br />
10 25 Sonnenmassen / Radius ~ 10 R H<br />
100 Gpc<br />
Hubble Volumen<br />
des Universums<br />
Wir sind hier
SN Ia als<br />
<strong>kosmische</strong><br />
Standard-<br />
Kerzen<br />
SNe werden<br />
so hell<br />
wie das Zentrum<br />
der Galaxie<br />
SN 1994D<br />
CO White Dwarf<br />
at Chandrasekhar<br />
limit
Lichtkurven von Supernovae Ia<br />
Abfall korreliert mit Maximum M B = -19,6<br />
<br />
SNe Typ Ia sind zunächst keine guten<br />
Standardkerzen. Erst die Korrelation<br />
mit dem Abfall der Lichtkurve definiert<br />
eine gute Standardkerze.<br />
Mark Philips 1993
Typische<br />
Maximale<br />
Helligkeit<br />
SN Ia<br />
Lichtkurven-<br />
Breite<br />
(Streckung)
Lichtkurven der SN Ia / Typ II<br />
Standardkerze:<br />
Maximum Leuchtkraft<br />
charakteristischer Abfall<br />
Typ II: keine Wasserstofflinien Core-Kollaps Supernova
Akkretion auf CO WZ SN Ia<br />
Akkretionsscheibe<br />
Weißer Zwerg<br />
Roter Riese<br />
oder Zwergstern<br />
• Weißer Zwerg akkretiert H vom Roten Riesen/Zwergstern<br />
• H fusioniert stetig zu He Bildung einer Heliumhülle<br />
• Massenzunahme bis Chandrasekhargrenze Explosion
SN 2011fe bestätigt Modell<br />
SN Ia in M 101 Feuerrad Galaxie 24.08.2011 PTF<br />
Distanz: 27 Mio. LJ / Durchmesser: 170.000 LJ<br />
Visuell: m peak = 9,9 mag M V = -19,7 mag
Lichtkurven SN 2011fe
Lichtkurven SN Ia<br />
Absolute Helligkeit: bis -19,5 mag<br />
10 Mrd. L<br />
Radioaktiver Zerfall von 56 Ni zu 56 Fe verzögert Abkühlung<br />
56 9 Tage<br />
Ni<br />
56 112 Tage<br />
Co<br />
56<br />
Fe + e +<br />
Ähnlicher Verlauf<br />
Standardkerze
Überrest der SN Ia<br />
von Tycho Brahe 1572<br />
Chandra, Spitzer Space <strong>und</strong> Calar Alto
Distanzen im lokalen Universum<br />
• Expansion ist linear, d.h. es gilt das<br />
Hubble Gesetz<br />
• v = cz = H 0·D<br />
• Verwende Distanz-Modulus<br />
• µ = m - M = 5 log(D/10 pc)<br />
• Distanzen für ‘Standard Kerzen’<br />
(M=const.)<br />
• m = 5 log(z) + b<br />
• b = M + 25 – 5 log([c/H 0 ] / Mpc)
Hubble Gesetz mit SNe 1995<br />
• H 0 ist die “Hubble<br />
Konstante”,<br />
Einheiten:<br />
km/s/Mpc<br />
Calan-Tololo<br />
Daten 1995
Hubble-Diagramm der SN Ia<br />
m = 5 log 10 (cz) + b<br />
H<br />
0<br />
70 10<br />
km<br />
s Mpc
Supernova<br />
Projekte<br />
Palomar Tra Factory<br />
Carnegie SN Project<br />
SDSSII (Apachen)<br />
SNLS =<br />
CFHT Legacy Survey<br />
Higher-z SN Search<br />
(GOODS, HST)<br />
Euclid / WFIRST<br />
Satelliten > 2019<br />
<strong>Rotverschiebung</strong><br />
Plus lokale Projekte:<br />
LOTOSS, CfA, ESC
Typ Ia SNe Standardkerzen z < 2<br />
Satelliten HST<br />
EUCLID, …<br />
2011<br />
Conley et al. 2011
2. Revolution<br />
1998 (SCP & Hz):<br />
Entfernte<br />
Supernovae sind<br />
weiter entfernt als<br />
in einem frei<br />
expandierenden<br />
Einstein-de-Sitter<br />
Universum. <strong>Die</strong>s<br />
kann nur durch<br />
eine abstossende<br />
Kompente erzeugt<br />
werden<br />
Dunkle Energie
Entdeckung – 1998 !<br />
Hat Europa geschlafen ?<br />
Nobelpreis in Physik 2011 !<br />
Hi z Supernova Team<br />
2006<br />
2011<br />
Supernova Cosmology Project<br />
Nobelpreisträger 2011<br />
Mark Philips
Abweichungen<br />
vom Hubble-Gesetz<br />
kosmolog. Modell<br />
z = 2<br />
z = 1<br />
µ = m - M = 5 log(D/10 pc)<br />
Distanz D in 1000 Mpc
DE Spekulationen - ungelöst<br />
Einstein’s Kosmologische Konstante L<br />
Unwahrscheinlich! Da keine natürliche<br />
Größe ! w DE = -1 , w´ = 0<br />
Relikt aus Inflation Dilaton Feld<br />
Skaleninvarianz der Gravitation gebrochen<br />
Higgs-Dilaton Feld 0 < 1 + w DE < 0,02<br />
Anzeichen einer höheren Dimension ?<br />
3+1 Gravitation kann eingebettet werden in<br />
einer Theorie mit mehr als vier Dimensionen<br />
Vakuum Energie (Vakuum ist nicht leer!)<br />
Energie des leeren Raumes, Vakuum lebt –<br />
Teilchen werden erzeugt <strong>und</strong> vernichtet.
Mike Turner
Supernovae & Dunkle Energie<br />
Dark Energy Survey > 2012?<br />
ESA M-Mission<br />
Start 2019<br />
MPIA HD, Bonn, MPIeX M<br />
WFIRST / NASA<br />
Finanzierung ?<br />
LSST / 8-m Survey Chile<br />
250.000 SNe Ia/Jahr<br />
Überwachung SHimmel 5 d
The Dark Energy Survey<br />
Future prospects<br />
4-m CTIO Blanco / 5000 Quadratgrad / 2012 - 2017<br />
Survey 300 Mio. Galaxien | 3000 Supernovae<br />
• Cosmic microwave backgro<strong>und</strong> radiation<br />
– Distribution of dark matter at early times<br />
• Distribution of galaxies<br />
– Some clues to distribution of matter<br />
• Galaxy velocities<br />
– Galaxies fall towards dark matter clumps<br />
• Gravitational lensing
Dark Energy Survey | 570 MPixel<br />
1 GByte pro Bild | 400 Bilder pro Nacht
8-m Large Synoptic Survey<br />
Telescope LSST / Chile 2019<br />
250.000 SNe Ia pro Jahr !
LSST Teleskop<br />
Neuartige Konstruktion
LSST Primär-Spiegel
LSST – Detektor<br />
9 QuadratGrad
LSST Zeitplan
1 4K x 4K CCD<br />
von 189 CCDs<br />
13 x 13 arcmin<br />
Simulation<br />
Mit LSST<br />
erscheint der<br />
Himmel dicht<br />
mit Galaxien<br />
bepflastert!
Zusammenfassung<br />
• <strong>Große</strong> <strong>Debatte</strong> von 1920 wurde 1923 durch Hubble<br />
entschieden: M 31 extragalaktisch! D = 2,5 Mio LJ<br />
• Entscheidender Beitrag kam von der Cepheiden-<br />
Methode von Henrietta Leavitt (1912).<br />
• 1912 – 1925 erste Messungen von<br />
<strong>Rotverschiebung</strong>en z an Galaxien (Slipher, Wirtz<br />
Hubble, Humason) heute bis z = 10 möglich!<br />
• 1929: Wirtz & Hubble entdecken die <strong>kosmische</strong><br />
<strong>Rotverschiebung</strong>srelation cz = H 0 D z < 0,1!<br />
• Bereits 1927 durch Lemaître theoretisch postuliert<br />
• Heutige Standardkerzen: Supernovae Ia bis z < 2.
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