vom Sonnensystem zum Rand des Universums

lsw.uni.heidelberg.de

vom Sonnensystem zum Rand des Universums

Das Beobachtbare

Universum ist endlich

Max Camenzind

Senioren Universität

Bad Kissingen 2013


Zyklus 3 Vorträge

• I. Das Beobachtbare Universum ist endlich

• Weltmodelle, kosmische Distanzen, Teleskope

erweitern den Horizont, Galaxien als Bausteine des

Universums, HUDF, XDF und CMB.

• II. Rotverschiebung, Expansion und Dunkle Energie

• Die kosmische Rotverschiebung, Hubble-Gesetz,

relativistische Weltmodelle, Supernovae

• III. Der Urknall und das Kosmische Rauschen - was

lernen wir daraus?

• Entdeckung 1965, Temperatur-Anisotropien,

COBE, WMAP, PLANCK, Power-Spektrum und DE

• Buch: Expansion des Universums, 2013

• Autor: Max Camenzind, 200 S. sw gebunden;

kann beim Autor bestellt werden.


Das Buch

zu den

Vorträgen

200 Seiten

Format: A4 sw

gebunden

Kann vom

Autor erworben

werden

Homepage des Autors:

www.lsw.uni-heidelberg.de/users/mcamenzi


Unsere Themen

• Das Universum des 17. Jahrhunderts

• von Nikolaus Kopernikus zu Newton

• Messier Nebel und das 18./19. Jahrhundert

• Der Messier Katalog, William Herschel

• Die Große Debatte von 1920 Cepheiden

• Sind Nebel galaktisch oder extragalaktisch?

• Das Universum Hubbles – bis 400 Mpc

• Galaxien füllen den Kosmos, Galaxien-Typen

• Das Moderne Universum mit Hubble HUdF, XdF

• 100 Milliarden Galaxien, mit CMB bis zum

Rand des sichtbaren Universums


5 kosmische Revolutionen

2. Jh.: Claudius Ptolemäus (Physik des Aristoteles)

Modell: Erd-zentriertes Universum, versucht Planetenbahnen zu erkl.

Absurde Idee: Erde und Kosmos gehorchen verschiedenen Gesetzen

16./17. Jh.: Nicolaus Copernicus, Kepler Physik Newton

Modell: Sonnen-zentriertes Universum, Gravitationskraft

Idee: Universelle Physik; dieselben Gesetze Erde & Kosmos

1922-1927: A. Friedmann, Georges Lemaître (Physik Einstein)

Modell: “Big Bang Kosmologie”, Universum expandiert

Idee: Universum entwickelt sich fortwährend

1933: Fritz Zwicky Dunkle Materie im Coma-Haufen

1998: Perlmutter, Riess & Schmidt (Lemaître Universum)

Modell: Dunkle Energie, Universum expandiert beschleunigt

Idee: Gravitatives Vakuum ist nicht trivial


Das Universum ohne Teleskop

- der Eindruck täuschte die Menschheit

Das Universum

mit bloßem Auge

Nur Sterne, Planeten

& Band der Milchstraße


Warum dreht sich der Himmel über uns? 2 Lösungen


Geozentrisches Weltbild – Irreführung

Geozentrisches Weltbild

Claudius Ptolemäus, 100 - 170 AD

Mond Erde Venus Sonne Mars Jupiter Saturn

Fixstern-

Sphäre

rotiert –

nicht die

Erde !

…“das ist die natürliche Bewegung der Erde ….ist in Richtung des

Zentrums des Universums; deshalb muss die Erde das Zentrum sein.”

Aristoteles, “De Caelo”


Aristoteles: Sublunare & Supralunare Welt


Ptolemäisches Weltbild

• Erde ruht ihm Mittelpunkt des

Universums.

• Durchsichtige Sphären drehen sich mit

Planeten, Sonne und Fixsterne um Erde

• Himmel und Erde streng durch

Mondsphäre getrennt sublunare und

supralunare Welt.

• Kometen sind unterhalb der Mondsphäre

angesiedelt!

• Kein leerer Raum.

• Fixsternsphäre ist ca. 20.000 Erdradien

entfernt, die Fixsternsphäre rotiert!

• Noch keine „Kräfte“, dafür „Prinzipien“


Paradigmen-Wechsel ~ 1600

Ptolemäus Mittelalter

Aristarch von Samos

(310 – 230 v. Chr.)

Kopernikus (1473 - 1543)


Von Aristoteles zu Newton

Aristoteles führte das Abendland

fast 2000 Jahre lang in die Irre.


Die Kopernikanische

Fixstern-

Sphäre

rotiert nicht.

Die Erde

rotiert!

Auf- und

Untergang

der Sterne

Planeten aber

immer noch

Kreisbahnen!

Wende > 1547


Die Erde rotiert nicht der Himmel

Polaris – Nordpol Erdachse

zirkumpolare Sterne

- “Pol-nahe” Sterne

- Gehen nie unter den Horizont des

des Himmels bei gegebener Breite

Nicht-zirkumpolare Sterne

- Gehen auf und unter im Laufe einer

Nacht.

Horizont – wo

Himmel und Erde sich

treffen

Bild: http://apod.nasa.gov/apod/ap051220.html


Giordano Bruno landet

1600 auf Scheiterhaufen

Grund: “Das Weltall ist unendlich

in Raum und Zeit”


Heutiges Sonnensystem 8 Planeten

Planeten

Zwerg-

Planeten

Johannes Kepler entdeckte 1609 die Gesetze der Planetenbewegung,

die nach ihm Keplersche Gesetze genannt werden.


1687 Newton findet Gravitationsgesetz

Soll für alle Körper gelten, auch jenseits Sonnensyst

erklärt die Kepler-Gesetze der Planetenbewegung


Was ist jenseits der Fixsternsphäre?

Camille Flammarion, 1888, Holzstich „Wanderer am Weltenrand“


Welt der Messier Nebel

Charles Messier 1764 – 1782

Katalog von nicht-Kometen Nebeln

Frage: Was sind Spiralnebel?


19. Jh. - Was ist die Milchstraße ?


Milchstraße vom Cerro Paranal aus


Griechische

Mythologie /

Tintoretto

Die Entstehung der Milchstrasse aus

griechischer Sicht: als der Held Herakles

an der Brust der Göttermutter Hera

gesäugt werden soll, spritzt die Milch

über den Himmel.


Staub verdeckt Sterne

… durch Auszählen der Sterne

Staub-Extinktion noch nicht bekannt

Band der Milchstraße über der Emberger Alm


Die Milchstraße im Infraroten

nicht mal die Sonne im Zentrum

Sonnensystem

Milliarden von Sternen, Staub und Gas

normale Scheibengalaxie, wie groß?


Milchstraße von oben

28


Streitobjekt Andromeda Nebel M31


Die Shapley-Curtis Debatte von 1920

Curtis

Shapley

Spiral-Nebel

Galaxis

Galaxis

Die Debatte ergab kein brauchbares Ergebnis!

“Wissenschaftliche Fragen werden nicht in Debatten

gelöst, sondern durch Beobachtungen und Experimente”


Heber Curtis Lick Observatorium

Mount Wilson: Harlow Shapley


Lick Observatorium ~1900 UCL

Ist das älteste Bergobservatorium 1888


Mount Wilson mit Hooker-Teleskop

dominiert die Astronomie 1920 - 1948


Distanzen von Galaxien

• Geometrische Distanzen (selten möglich, z.B.

Supernova 1987A – reichen nicht aus).

• Eichkerzen: d² = L / 4p f

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

Riesensterne der Spektralklasse A, F,

Pulsationsveränderliche (h Bereich)

• (ii) Delta Cephei Sterne ( < 30 Mpc, seit 1912)

• (iii) hellste Sterne (nicht gut definiert, Hubble)

• (iv) Zentralsterne Planetarischer Nebel

• (v) Supernovae vom Typ Ia (z < 2, seit 1995)


Kosmische Eichkerzen

Je weiter entfernt, umso schwächer


Cepheiden als Eichkerzen

• 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 Pulsationen

mit Perioden von Tagen - Wochen.


Der Stern

d Cephei

veränderlicher

Stern im Sternbild

Cepheus, dessen

Veränderlichkeit

1784 vom

englischen

Astronomen John

Goodricke

entdeckt wurde


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


SMC

1912

Henrietta Leavitt

1868 - 1921


Helligkeit (mag)

Leavitt-Gesetz – im IR @ 3,6 µm

Spitzer-HST / Magellansche Wolken 2012

Periode (Tagen)


Die “Periode” (Dauer) der Pulsation

korreliert mit der Leuchtkraft

M V = - 3,09 log(P/d) – 0,91

1. Messe

Perioden

2. absolute

Leuchtkraft

1. Messe

scheinbare

Helligkeit

2. µ=m-M

Distanz !

µ = 5 log(d 10 )

Die Leuchtkraft

des beobachteten

Sterns ~1500L


1923 - Hubble

misst die Distanz

zu M 31 mittels

Cepheide V1

Hubble entdeckt

Cepheiden in M 31

Debatte

gelöst!

100-inch Hooker Telescope, Mt. Wilson

Edwin Hubble


1924 löst Edwin Hubble die Debatte auf

Andromeda ist 1 Mio. Lichtjahre entfernt !

Cepheide V1


Hubble hat 1924 die Debatte entschieden mittels Cepheide V1 in M31

“Hubble’s V1 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


Aktuelle Distanz zu 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)


Andromeda außerhalb Galaxis

Lokale Gruppe = Galaxis + M31 + …


Kosmische

Distanz-Leiter

Skala: Megaparsec

= 3,26 Mio. Lichtjahre


Kosmische Distanz-Leiter

• Parallaxe: < 500 pc (Hipparcos), bis zu 100 kpc (GAIA)

• [Spektroskopische Parallaxe (über Distanzmodul): 10 kpc]

• RR Lyrae Sterne: bis zu 0,1 Mpc

• Cepheiden (10.000 L S ): bis zu 30 Mpc

• Typ Ia Supernovae (1 Mrd. L S ): bis zu 10.000 Mpc

GAIA


100 Jahre tiefer Blick ins Universum

ab 1917: Teleskope eröffnen neue Einsichten


Grundlage ~ 1610

Galilei – Kepler Teleskope


Erste Spiegel-Teleskope

Primär-, Sekundärspiegel, Detektor

Newton Fokus (1668)

Cassegrain Fokus (1672)


14” Cassegrain Spiegel-Teleskop

Modernes (Carbon)

Cassegrain (RC)

14 Zoll Teleskop

(hyperbol. Spiegel)

Preis: € 20.000


Aufbau Spiegelteleskop

Primär-, Casegrain-, Nasmyth-Fokus

Moderne Spektrografen werden

heute oft im Primärfokus montiert

Primary:

8,2 m /

20 cm dick

22,8 t


Amerika dominiert die Astronomie von 1918 - 1980

60 Zoll 1908 auf 1700 m Höhe !

100 Zoll 1917 2,54 m Hooker-Teleskop

Amerika dominiert die Astronomie Hubble


Hale-Teleskop

Mount Palomar

200 Zoll (5 m)

(1948)


Keck-Teleskope seit 1993 auf

Mauna Kea (Hawaii) + Subaru


50 Jahre ESO in La Silla

Europa hat die Entwicklung verschlafen


Europa holt auf

ESO 3,6 m (1976)

La Silla


Observatorien der Südsternwarte

ESO ALMA

ESO VLT

ESO E-ELT

ESO


Paranal ESO-Plattform 1998

• 4 x 8,2-m-VLT Teleskope

• 1-m Hilfsteleskope (Interferometrie)

• Survey Teleskope VISTA & VST


FORS

am VLT

Cassegrain


Spiegeldurchmesser [m]

Spiegelteleskope 2012

In Betrieb


TMT

Observatory

Corporation

Proposal 2003

West Küste

„30 Meter

Telescope TMT“

30 m, 492 Segment

Hawaii ~ 2020


TMT Spiegel

Nasmyth Focus


E-ELT / ESO

Konzept 2011:

‣ In Betrieb ~ 2020

‣ 39,4 m Primary

‣ 6m Secondary !

‣ 798 Segmente


Hubble

Weltraum

Teleskop

1990-2015


Hubble Deep Field 1995

~ 5.000 Galaxien bis z ~ 6

Kantenlänge = 144 arcsec


Hubble Deep Field 1995

Unterschiedliche

Galaxienformen je nach Alter


Wide Field Camera 3 – WFC3


Die SM4 Repair Mission 2009


Hubble XDF 2012

Kleiner Ausschnitt 3 arcmin

1/30 Mio. des gesamten Himmels

100 Mrd. Galaxien sichtbar


Hubble HUdF-XdF 2012


Hubble HUdF-XdF 2012

~ 5.600 Galaxien bis zu 13 Mrd. LJ


Galaxie UDFy-38135539 z=8,6

noch in der Reionisations-Epoche


James Webb Space Telescope (2018?)


Die 2 Weltraumteleskope im Vergleich


JWST Animation / ESA


Be-Spiegel / 15 kg/m²


• Nah-Infrarot

Camera (NIRCam,

MPIA beteiligt);

Infrarot-

Spectrograph;

• MIRI: Mid-Infrarot

Instrument;

• Fine Guidance

Sensoren.

JWST Instrumente


Das Universum der Galaxien

M 88

M 86

M 84

M 91

NGC 4477

NGC 4473

NGC 4438/Augen

M 87

M 90

Image: Rogelio Bernal Andreo

Virgo-Haufen 16 Mpc entfernt

M 89


4. Revolution: Dunkle Materie

J. Oort (1933): z-Bewegung der Sterne

F. Zwicky

K. Freeman (1970):

(1933): Galaxiengeschwindigkeiten im Comahaufen

sichtbare Materie erklärt Gravitation nicht!

Rotation exponentieller Galaxienscheiben

J. Ostriker (1973): Galaxienscheiben stabilisiert durch massive Halos

J. Peebles

V. Rubin (1980): Konstante Rotationskurven der Scheiben-Galaxien


Coma Haufen

Distanz: 100 Mpc

~ 10.000 Galaxien

Von 2 Ellipsen dominiert

Durch Dunkle Materie

zusammengehalten!


Gravitation der Dunklen Materie

hält heißes Röntgengas gefangen

ROSAT Bild

Coma Haufen


Dunkle Materie Gravitationslinse


Scheiben-Galaxien

rotieren schnell


Balken-Spirale


Elliptische Galaxien

~ riesige Sternhaufen


Irreguläre Galaxien


Hubble Ultra-Deep Field

Galaxien sind die sichtbaren

Bausteine des Universums

100 Mrd. Galaxien im sichtbaren Universum


Mikrowellenstrahlung vom

Rand des sichtbaren Universums

Raum um

uns ist mit

Galaxien

aufgefüllt.

Weiter außen

vor allem

Quasare

(Punktquellen)

und Galaxien

sichtbar.

Photosphäre

(2,725 Grad K)

13,7 Mrd. LJ

entfernt.

Mikrowellenstrahlung


Penzias & Wilson 1965

1978

Kosmisches Rauschen

zu Temperatur von 5 K

COBE: T 0 = 2,725 K


Kosmische Hintergrundstrahlung – CMB 1965-2012

Die ältesten Photonen

im Universum

Entdeckten das Nachglühen vom

Big Bang.

3,0 K Rayleigh-Jeans

1989-1992

2001-2010

2009 - 2012 Planck

Schwarzer Körper 2,725 K,

Entdeckte Strukturen

(Anisotropien) im Nachglühen.

Winkelskala ~ 7° im Bereich

ΔT/T ~ 10 -5

(Wilkinson Microwave Anisotropy

Probe): Anisotropien auf

Winkelskala ~ 14’

Resultate WMAP7 2011

Parameter des Universums

Winkelskala ~ 5’,

ΔT/T > 2x10 -6 , 30 - 867 GHz

Resultate ~ 2013 erwartet

Zum ersten Male sub-mm!


Lokale Gruppe bewegt sich

gegenüber CMB Dipol


????

2006

1978

Isotropie der

Photosphäre

Penzias & Wilson 1965

COBE 1989-1993 (NASA)

WMAP 2001-2010 (NASA)

Planck 2009-2012 (ESA)


Zusammenfassung

• Erst Spiegelteleskope gewährten einen tieferen Blick

ins Universum – Hubble-Teleskop tiefste Einblicke.

• 1687: Isaac Newton findet die Gravitationskraft

Universum wird durch Gravitation beherrscht.

• 1925: Edwin Hubble Andromeda gehört nicht zur

Milchstraße, ist außergalaktisch Cepheiden-

Methode (1912 von Henrietta Leavitt entdeckt).

• Spiralnebel im Messier-Katalog sind alle

extragalaktisch Vorstoß ins benachbarte Universum.

• Hubble-Teleskop vermittelt im XDF tiefsten Einblick

ins Universum ~100 Milliarden Galaxien!

• Kosmische Hintergrundstrahlung vom Rand des

beobachtbaren Universums abgestrahlt.

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