vom Sonnensystem zum Rand des Universums
vom Sonnensystem zum Rand des Universums
vom Sonnensystem zum Rand des Universums
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Das Beobachtbare<br />
Universum ist endlich<br />
Max Camenzind<br />
Senioren Universität<br />
Bad Kissingen 2013
Zyklus 3 Vorträge<br />
• I. Das Beobachtbare Universum ist endlich<br />
• Weltmodelle, kosmische Distanzen, Teleskope<br />
erweitern den Horizont, Galaxien als Bausteine <strong>des</strong><br />
<strong>Universums</strong>, HUDF, XDF und CMB.<br />
• II. Rotverschiebung, Expansion und Dunkle Energie<br />
• Die kosmische Rotverschiebung, Hubble-Gesetz,<br />
relativistische Weltmodelle, Supernovae<br />
• III. Der Urknall und das Kosmische Rauschen - was<br />
lernen wir daraus?<br />
• Entdeckung 1965, Temperatur-Anisotropien,<br />
COBE, WMAP, PLANCK, Power-Spektrum und DE<br />
• Buch: Expansion <strong>des</strong> <strong>Universums</strong>, 2013<br />
• Autor: Max Camenzind, 200 S. sw gebunden;<br />
kann beim Autor bestellt werden.
Das Buch<br />
zu den<br />
Vorträgen<br />
200 Seiten<br />
Format: A4 sw<br />
gebunden<br />
Kann <strong>vom</strong><br />
Autor erworben<br />
werden<br />
Homepage <strong>des</strong> Autors:<br />
www.lsw.uni-heidelberg.de/users/mcamenzi
Unsere Themen<br />
• Das Universum <strong>des</strong> 17. Jahrhunderts<br />
• von Nikolaus Kopernikus zu Newton<br />
• Messier Nebel und das 18./19. Jahrhundert<br />
• Der Messier Katalog, William Herschel<br />
• Die Große Debatte von 1920 Cepheiden<br />
• Sind Nebel galaktisch oder extragalaktisch?<br />
• Das Universum Hubbles – bis 400 Mpc<br />
• Galaxien füllen den Kosmos, Galaxien-Typen<br />
• Das Moderne Universum mit Hubble HUdF, XdF<br />
• 100 Milliarden Galaxien, mit CMB bis <strong>zum</strong><br />
<strong>Rand</strong> <strong>des</strong> sichtbaren <strong>Universums</strong>
5 kosmische Revolutionen<br />
2. Jh.: Claudius Ptolemäus (Physik <strong>des</strong> Aristoteles)<br />
Modell: Erd-zentriertes Universum, versucht Planetenbahnen zu erkl.<br />
Absurde Idee: Erde und Kosmos gehorchen verschiedenen Gesetzen<br />
16./17. Jh.: Nicolaus Copernicus, Kepler Physik Newton<br />
Modell: Sonnen-zentriertes Universum, Gravitationskraft<br />
Idee: Universelle Physik; dieselben Gesetze Erde & Kosmos<br />
1922-1927: A. Friedmann, Georges Lemaître (Physik Einstein)<br />
Modell: “Big Bang Kosmologie”, Universum expandiert<br />
Idee: Universum entwickelt sich fortwährend<br />
1933: Fritz Zwicky Dunkle Materie im Coma-Haufen<br />
1998: Perlmutter, Riess & Schmidt (Lemaître Universum)<br />
Modell: Dunkle Energie, Universum expandiert beschleunigt<br />
Idee: Gravitatives Vakuum ist nicht trivial
Das Universum ohne Teleskop<br />
- der Eindruck täuschte die Menschheit<br />
Das Universum<br />
mit bloßem Auge<br />
Nur Sterne, Planeten<br />
& Band der Milchstraße
Warum dreht sich der Himmel über uns? 2 Lösungen
Geozentrisches Weltbild – Irreführung<br />
Geozentrisches Weltbild<br />
Claudius Ptolemäus, 100 - 170 AD<br />
Mond Erde Venus Sonne Mars Jupiter Saturn<br />
Fixstern-<br />
Sphäre<br />
rotiert –<br />
nicht die<br />
Erde !<br />
…“das ist die natürliche Bewegung der Erde ….ist in Richtung <strong>des</strong><br />
Zentrums <strong>des</strong> <strong>Universums</strong>; <strong>des</strong>halb muss die Erde das Zentrum sein.”<br />
Aristoteles, “De Caelo”
Aristoteles: Sublunare & Supralunare Welt
Ptolemäisches Weltbild<br />
• Erde ruht ihm Mittelpunkt <strong>des</strong><br />
<strong>Universums</strong>.<br />
• Durchsichtige Sphären drehen sich mit<br />
Planeten, Sonne und Fixsterne um Erde<br />
• Himmel und Erde streng durch<br />
Mondsphäre getrennt sublunare und<br />
supralunare Welt.<br />
• Kometen sind unterhalb der Mondsphäre<br />
angesiedelt!<br />
• Kein leerer Raum.<br />
• Fixsternsphäre ist ca. 20.000 Erdradien<br />
entfernt, die Fixsternsphäre rotiert!<br />
• Noch keine „Kräfte“, dafür „Prinzipien“
Paradigmen-Wechsel ~ 1600<br />
Ptolemäus Mittelalter<br />
Aristarch von Samos<br />
(310 – 230 v. Chr.)<br />
Kopernikus (1473 - 1543)
Von Aristoteles zu Newton<br />
Aristoteles führte das Abendland<br />
fast 2000 Jahre lang in die Irre.
Die Kopernikanische<br />
Fixstern-<br />
Sphäre<br />
rotiert nicht.<br />
Die Erde<br />
rotiert!<br />
Auf- und<br />
Untergang<br />
der Sterne<br />
Planeten aber<br />
immer noch<br />
Kreisbahnen!<br />
Wende > 1547
Die Erde rotiert nicht der Himmel<br />
Polaris – Nordpol Erdachse<br />
zirkumpolare Sterne<br />
- “Pol-nahe” Sterne<br />
- Gehen nie unter den Horizont <strong>des</strong><br />
<strong>des</strong> Himmels bei gegebener Breite<br />
Nicht-zirkumpolare Sterne<br />
- Gehen auf und unter im Laufe einer<br />
Nacht.<br />
Horizont – wo<br />
Himmel und Erde sich<br />
treffen<br />
Bild: http://apod.nasa.gov/apod/ap051220.html
Giordano Bruno landet<br />
1600 auf Scheiterhaufen<br />
Grund: “Das Weltall ist unendlich<br />
in Raum und Zeit”
Heutiges <strong>Sonnensystem</strong> 8 Planeten<br />
Planeten<br />
Zwerg-<br />
Planeten<br />
Johannes Kepler entdeckte 1609 die Gesetze der Planetenbewegung,<br />
die nach ihm Keplersche Gesetze genannt werden.
1687 Newton findet Gravitationsgesetz<br />
Soll für alle Körper gelten, auch jenseits Sonnensyst<br />
erklärt die Kepler-Gesetze der Planetenbewegung
Was ist jenseits der Fixsternsphäre?<br />
Camille Flammarion, 1888, Holzstich „Wanderer am Weltenrand“
Welt der Messier Nebel<br />
Charles Messier 1764 – 1782<br />
Katalog von nicht-Kometen Nebeln<br />
Frage: Was sind Spiralnebel?
19. Jh. - Was ist die Milchstraße ?
Milchstraße <strong>vom</strong> Cerro Paranal aus
Griechische<br />
Mythologie /<br />
Tintoretto<br />
Die Entstehung der Milchstrasse aus<br />
griechischer Sicht: als der Held Herakles<br />
an der Brust der Göttermutter Hera<br />
gesäugt werden soll, spritzt die Milch<br />
über den Himmel.
Staub verdeckt Sterne<br />
… durch Auszählen der Sterne<br />
Staub-Extinktion noch nicht bekannt<br />
Band der Milchstraße über der Emberger Alm
Die Milchstraße im Infraroten<br />
nicht mal die Sonne im Zentrum<br />
<strong>Sonnensystem</strong><br />
Milliarden von Sternen, Staub und Gas<br />
normale Scheibengalaxie, wie groß?
Milchstraße von oben<br />
28
Streitobjekt Andromeda Nebel M31
Die Shapley-Curtis Debatte von 1920<br />
Curtis<br />
Shapley<br />
Spiral-Nebel<br />
Galaxis<br />
Galaxis<br />
Die Debatte ergab kein brauchbares Ergebnis!<br />
“Wissenschaftliche Fragen werden nicht in Debatten<br />
gelöst, sondern durch Beobachtungen und Experimente”
Heber Curtis Lick Observatorium<br />
Mount Wilson: Harlow Shapley
Lick Observatorium ~1900 UCL<br />
Ist das älteste Bergobservatorium 1888
Mount Wilson mit Hooker-Teleskop<br />
dominiert die Astronomie 1920 - 1948
Distanzen von Galaxien<br />
• Geometrische Distanzen (selten möglich, z.B.<br />
Supernova 1987A – reichen nicht aus).<br />
• Eichkerzen: d² = L / 4p f<br />
• (i) RR-Lyrae Sterne (~ 0,5 Sonnenmassen),<br />
Riesensterne der Spektralklasse A, F,<br />
Pulsationsveränderliche (h Bereich)<br />
• (ii) Delta Cephei Sterne ( < 30 Mpc, seit 1912)<br />
• (iii) hellste Sterne (nicht gut definiert, Hubble)<br />
• (iv) Zentralsterne Planetarischer Nebel<br />
• (v) Supernovae <strong>vom</strong> Typ Ia (z < 2, seit 1995)
Kosmische Eichkerzen<br />
Je weiter entfernt, umso schwächer
Cepheiden als Eichkerzen<br />
• Die 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 und<br />
somit ihre Spektralklasse Pulsationen<br />
mit Perioden von Tagen - Wochen.
Der Stern<br />
d Cephei<br />
veränderlicher<br />
Stern im Sternbild<br />
Cepheus, <strong>des</strong>sen<br />
Veränderlichkeit<br />
1784 <strong>vom</strong><br />
englischen<br />
Astronomen John<br />
Goodricke<br />
entdeckt wurde
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
SMC<br />
1912<br />
Henrietta Leavitt<br />
1868 - 1921
Helligkeit (mag)<br />
Leavitt-Gesetz – im IR @ 3,6 µm<br />
Spitzer-HST / Magellansche Wolken 2012<br />
Periode (Tagen)
Die “Periode” (Dauer) der Pulsation<br />
korreliert mit der Leuchtkraft<br />
M V = - 3,09 log(P/d) – 0,91<br />
1. Messe<br />
Perioden<br />
2. absolute<br />
Leuchtkraft<br />
1. Messe<br />
scheinbare<br />
Helligkeit<br />
2. µ=m-M<br />
Distanz !<br />
µ = 5 log(d 10 )<br />
Die Leuchtkraft<br />
<strong>des</strong> beobachteten<br />
Sterns ~1500L
1923 - Hubble<br />
misst die Distanz<br />
zu M 31 mittels<br />
Cepheide V1<br />
Hubble entdeckt<br />
Cepheiden in M 31<br />
Debatte<br />
gelöst!<br />
100-inch Hooker Telescope, Mt. Wilson<br />
Edwin Hubble
1924 löst Edwin Hubble die Debatte auf<br />
Andromeda ist 1 Mio. Lichtjahre entfernt !<br />
Cepheide V1
Hubble hat 1924 die Debatte entschieden mittels Cepheide V1 in M31<br />
“Hubble’s V1 der wichtigste Stern in der Geschichte der Kosmologie”
Lichtkurve Hubble-Cepheide V1<br />
Shapley: “Here is the letter that <strong>des</strong>troyed my universe.”
68 Cepheiden in Andromeda<br />
Adam G. Riess et al. 2011 arXiv:1110.3769 / HST
Aktuelle Distanz zu 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)
Andromeda außerhalb Galaxis<br />
Lokale Gruppe = Galaxis + M31 + …
Kosmische<br />
Distanz-Leiter<br />
Skala: Megaparsec<br />
= 3,26 Mio. Lichtjahre
Kosmische Distanz-Leiter<br />
• Parallaxe: < 500 pc (Hipparcos), bis zu 100 kpc (GAIA)<br />
• [Spektroskopische Parallaxe (über Distanzmodul): 10 kpc]<br />
• RR Lyrae Sterne: bis zu 0,1 Mpc<br />
• Cepheiden (10.000 L S ): bis zu 30 Mpc<br />
• Typ Ia Supernovae (1 Mrd. L S ): bis zu 10.000 Mpc<br />
GAIA
100 Jahre tiefer Blick ins Universum<br />
ab 1917: Teleskope eröffnen neue Einsichten
Grundlage ~ 1610<br />
Galilei – Kepler Teleskope
Erste Spiegel-Teleskope<br />
Primär-, Sekundärspiegel, Detektor<br />
Newton Fokus (1668)<br />
Cassegrain Fokus (1672)
14” Cassegrain Spiegel-Teleskop<br />
Modernes (Carbon)<br />
Cassegrain (RC)<br />
14 Zoll Teleskop<br />
(hyperbol. Spiegel)<br />
Preis: € 20.000
Aufbau Spiegelteleskop<br />
Primär-, Casegrain-, Nasmyth-Fokus<br />
Moderne Spektrografen werden<br />
heute oft im Primärfokus montiert<br />
Primary:<br />
8,2 m /<br />
20 cm dick<br />
22,8 t
Amerika dominiert die Astronomie von 1918 - 1980<br />
60 Zoll 1908 auf 1700 m Höhe !<br />
100 Zoll 1917 2,54 m Hooker-Teleskop<br />
Amerika dominiert die Astronomie Hubble
Hale-Teleskop<br />
Mount Palomar<br />
200 Zoll (5 m)<br />
(1948)
Keck-Teleskope seit 1993 auf<br />
Mauna Kea (Hawaii) + Subaru
50 Jahre ESO in La Silla<br />
Europa hat die Entwicklung verschlafen
Europa holt auf<br />
ESO 3,6 m (1976)<br />
La Silla
Observatorien der Südsternwarte<br />
ESO ALMA<br />
ESO VLT<br />
ESO E-ELT<br />
ESO
Paranal ESO-Plattform 1998<br />
• 4 x 8,2-m-VLT Teleskope<br />
• 1-m Hilfsteleskope (Interferometrie)<br />
• Survey Teleskope VISTA & VST
FORS<br />
am VLT<br />
Cassegrain
Spiegeldurchmesser [m]<br />
Spiegelteleskope 2012<br />
In Betrieb
TMT<br />
Observatory<br />
Corporation<br />
Proposal 2003<br />
West Küste<br />
„30 Meter<br />
Telescope TMT“<br />
30 m, 492 Segment<br />
Hawaii ~ 2020
TMT Spiegel<br />
Nasmyth Focus
E-ELT / ESO<br />
Konzept 2011:<br />
‣ In Betrieb ~ 2020<br />
‣ 39,4 m Primary<br />
‣ 6m Secondary !<br />
‣ 798 Segmente
Hubble<br />
Weltraum<br />
Teleskop<br />
1990-2015
Hubble Deep Field 1995<br />
~ 5.000 Galaxien bis z ~ 6<br />
Kantenlänge = 144 arcsec
Hubble Deep Field 1995<br />
Unterschiedliche<br />
Galaxienformen je nach Alter
Wide Field Camera 3 – WFC3
Die SM4 Repair Mission 2009
Hubble XDF 2012<br />
Kleiner Ausschnitt 3 arcmin<br />
1/30 Mio. <strong>des</strong> gesamten Himmels<br />
100 Mrd. Galaxien sichtbar
Hubble HUdF-XdF 2012
Hubble HUdF-XdF 2012<br />
~ 5.600 Galaxien bis zu 13 Mrd. LJ
Galaxie UDFy-38135539 z=8,6<br />
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<br />
Camera (NIRCam,<br />
MPIA beteiligt);<br />
Infrarot-<br />
Spectrograph;<br />
• MIRI: Mid-Infrarot<br />
Instrument;<br />
• Fine Guidance<br />
Sensoren.<br />
JWST Instrumente
Das Universum der Galaxien<br />
M 88<br />
M 86<br />
M 84<br />
M 91<br />
NGC 4477<br />
NGC 4473<br />
NGC 4438/Augen<br />
M 87<br />
M 90<br />
Image: Rogelio Bernal Andreo<br />
Virgo-Haufen 16 Mpc entfernt<br />
M 89
4. Revolution: Dunkle Materie<br />
J. Oort (1933): z-Bewegung der Sterne<br />
F. Zwicky<br />
K. Freeman (1970):<br />
(1933): Galaxiengeschwindigkeiten im Comahaufen<br />
sichtbare Materie erklärt Gravitation nicht!<br />
Rotation exponentieller Galaxienscheiben<br />
J. Ostriker (1973): Galaxienscheiben stabilisiert durch massive Halos<br />
J. Peebles<br />
V. Rubin (1980): Konstante Rotationskurven der Scheiben-Galaxien
Coma Haufen<br />
Distanz: 100 Mpc<br />
~ 10.000 Galaxien<br />
Von 2 Ellipsen dominiert<br />
Durch Dunkle Materie<br />
zusammengehalten!
Gravitation der Dunklen Materie<br />
hält heißes Röntgengas gefangen<br />
ROSAT Bild<br />
Coma Haufen
Dunkle Materie Gravitationslinse
Scheiben-Galaxien<br />
rotieren schnell
Balken-Spirale
Elliptische Galaxien<br />
~ riesige Sternhaufen
Irreguläre Galaxien
Hubble Ultra-Deep Field<br />
Galaxien sind die sichtbaren<br />
Bausteine <strong>des</strong> <strong>Universums</strong><br />
100 Mrd. Galaxien im sichtbaren Universum
Mikrowellenstrahlung <strong>vom</strong><br />
<strong>Rand</strong> <strong>des</strong> sichtbaren <strong>Universums</strong><br />
Raum um<br />
uns ist mit<br />
Galaxien<br />
aufgefüllt.<br />
Weiter außen<br />
vor allem<br />
Quasare<br />
(Punktquellen)<br />
und Galaxien<br />
sichtbar.<br />
Photosphäre<br />
(2,725 Grad K)<br />
13,7 Mrd. LJ<br />
entfernt.<br />
Mikrowellenstrahlung
Penzias & Wilson 1965<br />
1978<br />
Kosmisches Rauschen<br />
zu Temperatur von 5 K<br />
COBE: T 0 = 2,725 K
Kosmische Hintergrundstrahlung – CMB 1965-2012<br />
Die ältesten Photonen<br />
im Universum<br />
Entdeckten das Nachglühen <strong>vom</strong><br />
Big Bang.<br />
3,0 K Rayleigh-Jeans<br />
1989-1992<br />
2001-2010<br />
2009 - 2012 Planck<br />
Schwarzer Körper 2,725 K,<br />
Entdeckte Strukturen<br />
(Anisotropien) im Nachglühen.<br />
Winkelskala ~ 7° im Bereich<br />
ΔT/T ~ 10 -5<br />
(Wilkinson Microwave Anisotropy<br />
Probe): Anisotropien auf<br />
Winkelskala ~ 14’<br />
Resultate WMAP7 2011<br />
Parameter <strong>des</strong> <strong>Universums</strong><br />
Winkelskala ~ 5’,<br />
ΔT/T > 2x10 -6 , 30 - 867 GHz<br />
Resultate ~ 2013 erwartet<br />
Zum ersten Male sub-mm!
Lokale Gruppe bewegt sich<br />
gegenüber CMB Dipol
????<br />
2006<br />
1978<br />
Isotropie der<br />
Photosphäre<br />
Penzias & Wilson 1965<br />
COBE 1989-1993 (NASA)<br />
WMAP 2001-2010 (NASA)<br />
Planck 2009-2012 (ESA)
Zusammenfassung<br />
• Erst Spiegelteleskope gewährten einen tieferen Blick<br />
ins Universum – Hubble-Teleskop tiefste Einblicke.<br />
• 1687: Isaac Newton findet die Gravitationskraft<br />
Universum wird durch Gravitation beherrscht.<br />
• 1925: Edwin Hubble Andromeda gehört nicht zur<br />
Milchstraße, ist außergalaktisch Cepheiden-<br />
Methode (1912 von Henrietta Leavitt entdeckt).<br />
• Spiralnebel im Messier-Katalog sind alle<br />
extragalaktisch Vorstoß ins benachbarte Universum.<br />
• Hubble-Teleskop vermittelt im XDF tiefsten Einblick<br />
ins Universum ~100 Milliarden Galaxien!<br />
• Kosmische Hintergrundstrahlung <strong>vom</strong> <strong>Rand</strong> <strong>des</strong><br />
beobachtbaren <strong>Universums</strong> abgestrahlt.
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