Die Große Debatte und kosmische Rotverschiebung

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Die Große Debatte und kosmische Rotverschiebung

Die Große Debatte und die

Kosmische Rotverschiebung

Max Camenzind

Senioren Uni

Würzburg @ 2012


Haus der Astronomie HD

eröffnet am 16. Dez. 2011


Astronomie News Jan. 2012

5 Exoplaneten Kepler-20 / 2 erdähnlich

P = 6,1 d

P = 19,6 d


Planetensystem Kepler-20

Alle Planeten innerhalb Merkurbahn !


Erdähnliche Planeten

aber nicht in der Habitablen Zone


Unsere Themen

• Wie bestimmen wir die Distanzen zu

Galaxien und Quasaren ?

Große Debatte von 1920 Was ist der

Andromeda-Nebel M 31 ? Cepheiden

Die Kosmische Rotverschiebung z.

• Hubble-Gesetz und Hubble-Konstante:

Die Cepheiden-Methode.

Die Supernova-Methode Nobelpreis.

Rotverschiebung wichtig für Kartierung des

Universums Durchmusterungen


The „Great Debate“ 1920


Die grosse

Debatte

26.04.1920

Ist

Andromeda

galaktisch

oder

extragalaktisch?

Protagonisten:

Harold Shapley

Heber Curtis


Die Shapley-Curtis-Debatte, auch bekannt

als Die Große Debatte (The Great Debate)

bündelt die Diskussionen am Anfang des 20.

Jahrhunderts, die schließlich zu einem neuen

Verständnis der Natur von Galaxien und der

Größe des Universums führten.

Die Diskussion zwischen den Astronomen

Harlow Shapley und Heber Curtis fand am

26. April 1920 im Baird-Auditorium des

National Museum of Natural History in

Washington statt. Sie kreiste um die Größe

unserer Milchstraße und die Frage, ob die

damals als Spiralnebel bekannten

Galaxien kleine Objekte in unserer

Milchstraße oder sehr viel weiter entfernt

und von der Milchstraße getrennt sind.


Heber Curtis …………………..

Harlow Shapley


Die Shapley-Curtis Debatte (1920)

Shapley

Spiral-Nebel

Curtis

Galaxis

Galaxis

Die Debatte ergab kein brauchbares Ergebnis!

“Questions in science are not resolved by debates, but by

observations and experiments”


Distanzen von Galaxien

• Geometrische Distanzen (selten möglich, z.B.

Supernova 1987A).

• Standard-Kerzen: d² = L / 4p f

• (i) RR-Lyrae Sterne (~ 0,5 Sonnenmassen),

Riesensterne der Spektralklasse A, F,

Pulsationsveränderliche (im h Bereich)

• (ii) Delta Cephei Sterne ( < 20 Mpc)

• (iii) hellste Sterne (nicht gut definiert)

• (iv) Zentralsterne Planetarischer Nebel

• (v) Supernovae vom Typ Ia ( z < 2, ab 1989 )


Standardkerzen

Je weiter entfernt desto schwächer


Skalen des

Fixsternhimmel

Universums

1 Radian = 180/p x 60 x 60

= 206.265´´

1 Parsec = 206.265 AE

~ 3,08 x 10 16 m

~ 3,26 Lichtjahre

Naher

Stern

Scheinbare

Parallaxenbewegung

Parallaxenwinkel

= 1 Bogensekunde

1 kpc = 1000 Parsec

1 Mpc = 1 Mio. Parsec

1 Gpc = 1 Mrd. Parsec

Bewegung Erde um die Sonne


Cepheiden als Standardkerzen

Die Cepheiden sind eine Klasse von

veränderlichen Sternen, die nach dem

Stern δ Cephei im Sternbild Cepheus

benannt sind, eine Unterklasse der

Pulsationsveränderlichen.

• Cepheiden verändern ihre Leuchtkraft

streng periodisch, dabei verändert sich

auch ihre Oberflächentemperatur und

somit ihre Spektralklasse.

• Ihre Leuchtkraft korreliert mit ihrer Periode


Der Stern

d Cephei

veränderlicher

Stern im Sternbild

Cepheus, dessen

Veränderlichkeit

1784 vom

englischen

Astronomen John

Goodricke

entdeckt wurde


John Goodricke

1764 – 1786

Verstarb an

Lungenentzündung


Variable Sterne - Cepheiden

Einige Sterne zeigen intrinsische

Helligkeitsvariationen, die nicht auf

Verdunklung im Doppelsternsystem

zurückgehen Sägezahn-artig

Wichtigstes Beispiel:

d Cephei

Lichtkurve von d Cephei


Schnell veränderliche Sterne

P = 194,2 Minuten


Magnitude

Henrietta Leavitt (1868-1921) entdeckte die Cepheiden

Periode-Leuchtkraft (PL) Relation (1912)

Lichtkurve eines Cepheiden

Große (LMC) & Kleine

Magellansche Wolken

Tage

log(Tage)

Periode vs Magnitude Cepheiden in SMC


Cepheiden: Periode-Leuchtkraft

Beziehung 2 Typen !

Die Periode eines Cepheiden

ist mit der Leuchtkraft

korreliert.

Je heller, desto

langsamer pulsiert der

Stern.

Messen der Periode

bestimmt die Leuchtkraft !

Relation muss geeicht

werden ! (LMC)


Infrarot-Helligkeit

Cepheiden PL – Moderne Version

2 Sequenzen / Magellansche Wolken

M V = - 2,81 log(P/d) – 1,43

Feast et al., Hipparcos 1997


Leuchtkraft [Sonnen]

Die “Periode” (Dauer) der Pulsation

korreliert mit der Leuchtkraft

M V = - 2,81 log(P/d) – 1,43

1. Messe

Periode

2.

Leuchtkraft

1. Messe

scheinbare

Helligkeit

2.

Distanz !

Die Leuchtkraft

des beobachteten

Sterns ~1500L

Periode [Tagen]


1923 - Hubble

misst die Distanz

zu M 31 mittels

Cepheiden

Hubble entdeckt

Cepheiden in M 31

Debatte

gelöst!

100-inch Hooker Telescope, Mt. Wilson

Edwin Hubble


Hubble findet die Lösung 1923:

Andromeda-Nebel nicht galaktisch

1923 untersuchte Edwin Hubble

photographische Platten des Andromeda Nebels,

die mit dem 100-Zoll Teleskop aufgenommen,

um Novae zu finden – Sterne, die plötzlich ihre

Helligkeit ändern. Am 5. Oktober 1923

lokalisierte Huble 3 Novae, jede mit einem “N”

gekennzeichnet. Eine dieser Novae erwies sich

jedoch als Cepheiden Variable. Das “N” wurde

durchgestrichen und Hubble bezeichnete den

Stern als “VAR”! Diese Cepheide, und viele

andere in der Andromeda entdeckt erlaubten es

Hubble zu beweisen, dass Nebel nicht Sterne

innerhalb unserer Milchstraße sind, sondern

dass es sich dabei um Galaxien handelt, die

mehr als eine Million Lichtjahre von uns

entfernt sind. Damit war die “Große Debatte

beendet!


Hubble’s V1 ist der wichtigste Stern in der Geschichte der Kosmologie


Lichtkurve Hubble-Cepheide V1

Shapley: “Here is the letter that destroyed my universe.”


68 Cepheiden in Andromeda

Adam G. Riess et al. 2011 arXiv:1110.3769 / HST


Moderne Distanz Andromeda

Adam G. Riess et al. 2011 arXiv:1110.3769 / HST

F160W

µ 0 = 24,42(0,05) mag

D = 765 +/- 28 kpc

= 2,5 Mio. Lichtjahre

F110W

µ = m - M = 5 log(D/10 pc)


Die Kosmische Rotverschiebung

Galaxien und Quasare Rotverschiebung

Vesto Slipher 1920; Carl Wirtz 1924


Lichtbrechung im Prisma


Diese

Absorptionslinien

werden

durch die

Expansion des

Kosmos nach

rot verschoben.

• Heutige

Messungen

gehen bis zu

z ~ 7 z ~ 10

• Zukunft: z ~ 20


Wirtz 1924, …, Hubble 1929

je weiter entfernt um so stärker

- Weit

entfernte

Galaxie

- Entfernte

Galaxie

- Nachbar-

Galaxie

- Stern

- Labor: l 0

z = (l – l 0 )/l 0

Astronom: V = c z


Dig. Spektrum einer E Galaxie

dominiert durch massearme Sterne

kein UV

keine

A, B, O Sterne

TiO Banden

M Zwerge

Nicht viel Emission im Blauen!


z = 4,58

Seit 1963: Quasare haben charakteristische Emissions-Spektren

keine Standardkerzen | SDSS bis z = 6,4 | 2011 bis z = 7,1

z = 4,96


Wirtz & Hubble fanden 1920er heraus,

dass entfernte Galaxien scheinbar

größere Rotverschiebung aufweisen.

z l

l

• Messe die Rotverschiebung

z, leite

daraus die “Fluchtgeschwindigkeit”

her

v


c


z


Hubble 1929 cz = H 0 D

Eigenbewegung

der Galaxien im

Virgo-Haufen

Hubble

1929


morgen

Interpretation

Das

„Universum“

expandiert

Lemaitre

1927 - 1933

heute

gestern

Urknall


Rotverschiebung durch Expansion


Expansion des Universums

Georges Lemaitre 1927


“Homogeneous Universe of Constant

Mass and Increasing Radius” k=1

G. Lemaître 1927 / übersetzt von A. Eddington 1931

• „According to the theory of relativity, a

homogeneous universe may exist, …;“

• „There is no centre of gravity.“

• „Space is elliptic, i.e. of uniform positive curvature

1/R².“ Metrik Ansatz: ds² = c²dt² - R²(t)ds² (1)

• „The volume of space has a finite value p²R³.“

• „When a light source is near enough, we have the

approximate formula ( heute: „Hubble-Gesetz“)

(23) cz = (R´/R) r | z + 1 = dt 0 /dt 1 = R 0 /R 1

where r is the distance of the source.“

Heute |

Emission


Einstein, de Sitter & Lemaître 1932

… treffen sich in Kalifornien Lemaître überzeugt Einstein !


Zur Geschichte von H 0


Die 2. Große Debatte: H 0


1. Lösung

Hubble

Key-

Project

2003

publiziert

Alle

Daten

H 0 = (72 +- 8) km/s/Mpc


Entwicklung Hubble-Konstante H 0

seit Hubble-Teleskop bis heute

de Vaucouleurs

Sandage &

Tammann

arXiv:1112.3108


Cepheiden in NGC 5584

d = 23 Mpc in Virgo/HST

Hubble Key Project2: SN Ia Host


HKP2: Modern PL Relation for Cepheids: Riess et al. 2011/HST

H 0 = (73,8 +- 2,4) km/s/Mpc


Bedeutung der Hubble-Konstanten

• 1. H 0 bestimmt die Skala des Universums:

R H = c/H 0 = 4200 Mpc : Hubble-Radius

beobachtbares Universum wird damit

eingeschränkt, wahre Radius viel größer.

• 2. H 0 bestimmt das Alter des Universums:

t H = 1/H 0 = 14 Mrd. Jahre : Hubble-

Alter, effektives Alter hängt von Dichte ab.

• Beachte: Das Hubble-Alter ist nur ein Maß

für das Alter des heutigen Universums.

• 3. H 0 ist heutige Expansionsrate dR/(R dt)


Sphärisches Universum

Kosmisches Netzwerk DM

10 25 Sonnenmassen / Radius ~ 10 R H

100 Gpc

Hubble Volumen

des Universums

Wir sind hier


SN Ia als

kosmische

Standard-

Kerzen

SNe werden

so hell

wie das Zentrum

der Galaxie

SN 1994D

CO White Dwarf

at Chandrasekhar

limit


Lichtkurven von Supernovae Ia

Abfall korreliert mit Maximum M B = -19,6


SNe Typ Ia sind zunächst keine guten

Standardkerzen. Erst die Korrelation

mit dem Abfall der Lichtkurve definiert

eine gute Standardkerze.

Mark Philips 1993


Typische

Maximale

Helligkeit

SN Ia

Lichtkurven-

Breite

(Streckung)


Lichtkurven der SN Ia / Typ II

Standardkerze:

Maximum Leuchtkraft

charakteristischer Abfall

Typ II: keine Wasserstofflinien Core-Kollaps Supernova


Akkretion auf CO WZ SN Ia

Akkretionsscheibe

Weißer Zwerg

Roter Riese

oder Zwergstern

• Weißer Zwerg akkretiert H vom Roten Riesen/Zwergstern

• H fusioniert stetig zu He Bildung einer Heliumhülle

• Massenzunahme bis Chandrasekhargrenze Explosion


SN 2011fe bestätigt Modell

SN Ia in M 101 Feuerrad Galaxie 24.08.2011 PTF

Distanz: 27 Mio. LJ / Durchmesser: 170.000 LJ

Visuell: m peak = 9,9 mag M V = -19,7 mag


Lichtkurven SN 2011fe


Lichtkurven SN Ia

Absolute Helligkeit: bis -19,5 mag

10 Mrd. L

Radioaktiver Zerfall von 56 Ni zu 56 Fe verzögert Abkühlung

56 9 Tage

Ni

56 112 Tage

Co

56

Fe + e +

Ähnlicher Verlauf

Standardkerze


Überrest der SN Ia

von Tycho Brahe 1572

Chandra, Spitzer Space und Calar Alto


Distanzen im lokalen Universum

• Expansion ist linear, d.h. es gilt das

Hubble Gesetz

• v = cz = H 0·D

• Verwende Distanz-Modulus

• µ = m - M = 5 log(D/10 pc)

• Distanzen für ‘Standard Kerzen’

(M=const.)

• m = 5 log(z) + b

• b = M + 25 – 5 log([c/H 0 ] / Mpc)


Hubble Gesetz mit SNe 1995

• H 0 ist die “Hubble

Konstante”,

Einheiten:

km/s/Mpc

Calan-Tololo

Daten 1995


Hubble-Diagramm der SN Ia

m = 5 log 10 (cz) + b

H

0

70 10

km

s Mpc


Supernova

Projekte

Palomar Tra Factory

Carnegie SN Project

SDSSII (Apachen)

SNLS =

CFHT Legacy Survey

Higher-z SN Search

(GOODS, HST)

Euclid / WFIRST

Satelliten > 2019

Rotverschiebung

Plus lokale Projekte:

LOTOSS, CfA, ESC


Typ Ia SNe Standardkerzen z < 2

Satelliten HST

EUCLID, …

2011

Conley et al. 2011


2. Revolution

1998 (SCP & Hz):

Entfernte

Supernovae sind

weiter entfernt als

in einem frei

expandierenden

Einstein-de-Sitter

Universum. Dies

kann nur durch

eine abstossende

Kompente erzeugt

werden

Dunkle Energie


Entdeckung – 1998 !

Hat Europa geschlafen ?

Nobelpreis in Physik 2011 !

Hi z Supernova Team

2006

2011

Supernova Cosmology Project

Nobelpreisträger 2011

Mark Philips


Abweichungen

vom Hubble-Gesetz

kosmolog. Modell

z = 2

z = 1

µ = m - M = 5 log(D/10 pc)

Distanz D in 1000 Mpc


DE Spekulationen - ungelöst

Einstein’s Kosmologische Konstante L

Unwahrscheinlich! Da keine natürliche

Größe ! w DE = -1 , w´ = 0

Relikt aus Inflation Dilaton Feld

Skaleninvarianz der Gravitation gebrochen

Higgs-Dilaton Feld 0 < 1 + w DE < 0,02

Anzeichen einer höheren Dimension ?

3+1 Gravitation kann eingebettet werden in

einer Theorie mit mehr als vier Dimensionen

Vakuum Energie (Vakuum ist nicht leer!)

Energie des leeren Raumes, Vakuum lebt –

Teilchen werden erzeugt und vernichtet.


Mike Turner


Supernovae & Dunkle Energie

Dark Energy Survey > 2012?

ESA M-Mission

Start 2019

MPIA HD, Bonn, MPIeX M

WFIRST / NASA

Finanzierung ?

LSST / 8-m Survey Chile

250.000 SNe Ia/Jahr

Überwachung SHimmel 5 d


The Dark Energy Survey

Future prospects

4-m CTIO Blanco / 5000 Quadratgrad / 2012 - 2017

Survey 300 Mio. Galaxien | 3000 Supernovae

• Cosmic microwave background radiation

– Distribution of dark matter at early times

• Distribution of galaxies

– Some clues to distribution of matter

• Galaxy velocities

– Galaxies fall towards dark matter clumps

• Gravitational lensing


Dark Energy Survey | 570 MPixel

1 GByte pro Bild | 400 Bilder pro Nacht


8-m Large Synoptic Survey

Telescope LSST / Chile 2019

250.000 SNe Ia pro Jahr !


LSST Teleskop

Neuartige Konstruktion


LSST Primär-Spiegel


LSST – Detektor

9 QuadratGrad


LSST Zeitplan


1 4K x 4K CCD

von 189 CCDs

13 x 13 arcmin

Simulation

Mit LSST

erscheint der

Himmel dicht

mit Galaxien

bepflastert!


Zusammenfassung

Große Debatte von 1920 wurde 1923 durch Hubble

entschieden: M 31 extragalaktisch! D = 2,5 Mio LJ

• Entscheidender Beitrag kam von der Cepheiden-

Methode von Henrietta Leavitt (1912).

• 1912 – 1925 erste Messungen von

Rotverschiebungen z an Galaxien (Slipher, Wirtz

Hubble, Humason) heute bis z = 10 möglich!

• 1929: Wirtz & Hubble entdecken die kosmische

Rotverschiebungsrelation cz = H 0 D z < 0,1!

• Bereits 1927 durch Lemaître theoretisch postuliert

• Heutige Standardkerzen: Supernovae Ia bis z < 2.

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