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Astrophysik Astroteilchenphysik Kosmologie - Physikzentrum der ...

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<strong>Astrophysik</strong><br />

T.Hebbeker<br />

<strong>Astroteilchenphysik</strong><br />

<strong>Kosmologie</strong><br />

Thomas Hebbeker<br />

RWTH Aachen<br />

Seminar SS 2003<br />

2003-05-05<br />

1.0


Erforschung des Universums<br />

T.Hebbeker<br />

1) Beobachtung <strong>der</strong><br />

Teilchen/Strahlung<br />

Universum Erde<br />

2) Experimente<br />

im Labor<br />

<strong>Kosmologie</strong><br />

3) Modellbildung


Teilchen/Strahlung aus dem Universum<br />

??? unbekannte Teilchen ???<br />

T.Hebbeker<br />

Photon<br />

Z-Boson<br />

W-Boson<br />

γ<br />

Z<br />

W + W -<br />

masselos<br />

91 GeV<br />

80 GeV<br />

+ Antiteilchen !<br />

Gluon<br />

g<br />

masselos<br />

Graviton<br />

G<br />

masselos


Teilchen/Strahlung aus dem Universum<br />

T.Hebbeker<br />

o<strong>der</strong> über Teilchen !<br />

Lerne über Universum und/<br />

Kerne<br />

Photon γ<br />

masselos<br />

Z-Boson Z<br />

91 GeV<br />

W-Boson W + W - 80 GeV<br />

Gluon g<br />

masselos<br />

Graviton G<br />

masselos<br />

??? unbekannte Teilchen ???<br />

For<strong>der</strong>ung:<br />

stabil,<br />

beobachtbar!


Teilchen/Strahlung aus dem Universum<br />

T.Hebbeker<br />

Kerne<br />

??? unbekannte Teilchen ???<br />

<strong>Astroteilchenphysik</strong><br />

Photon<br />

Photon<br />

γ<br />

γ<br />

E > 1 GeV<br />

E < 1 GeV<br />

<strong>Astrophysik</strong>/<br />

Astronomie<br />

Graviton<br />

G<br />

masselos<br />

Gravitationsphysik


Rate / Energiefluss (primäre Teilchen)<br />

T.Hebbeker<br />

Photonen<br />

~ eV<br />

solar<br />

Rate<br />

2<br />

/ m / s<br />

21<br />

5⋅10<br />

solar<br />

E<br />

2<br />

J / m /<br />

3<br />

1⋅10<br />

s<br />

extrasolar<br />

Rate<br />

2<br />

/ m /<br />

14<br />

10<br />

s<br />

Atmosphäre<br />

Elektronneutrinos<br />

~ MeV<br />

an<strong>der</strong>e<br />

Neutrinos<br />

~ MeV<br />

14<br />

6 ⋅10<br />

?<br />

1<br />

2⋅10<br />

?<br />

7<br />

10<br />

7<br />

10<br />

zeitlich gemittelt<br />

van-Allan-Gürtel<br />

Kerne (p)<br />

~ keV / GeV<br />

12<br />

2 ⋅10<br />

3⋅10<br />

−4<br />

4<br />

10<br />

Elektronen<br />

~ keV / GeV<br />

12<br />

2 ⋅10<br />

3⋅10<br />

−4<br />

2<br />

10<br />

nur wenige geladene ANTIteilchen !


Rate / Energiefluss (primäre Teilchen)<br />

T.Hebbeker<br />

Sternoberfläche<br />

Atmosphäre<br />

van-Allan-Gürtel<br />

Kernfusion im<br />

Sternzentrum<br />

Photonen<br />

~ eV<br />

Elektronneutrinos<br />

~ MeV<br />

an<strong>der</strong>e<br />

Neutrinos<br />

~ MeV<br />

Kerne (p)<br />

~ keV / GeV<br />

Elektronen<br />

~ keV / GeV<br />

Sonnenwind<br />

solar<br />

Rate<br />

?<br />

2<br />

/ m / s<br />

21<br />

5⋅10<br />

14<br />

6 ⋅10<br />

12<br />

2 ⋅10<br />

12<br />

2 ⋅10<br />

solar<br />

E<br />

2<br />

J / m / s<br />

3<br />

1⋅10<br />

1<br />

2⋅10<br />

?<br />

3⋅10<br />

3⋅10<br />

−4<br />

−4<br />

extrasolar<br />

Rate<br />

2<br />

/ m / s<br />

14<br />

10<br />

7<br />

10<br />

7<br />

10<br />

4<br />

10<br />

2<br />

10<br />

Supernovae<br />

zeitlich gemittelt


Inhalt<br />

T.Hebbeker<br />

• Einleitung<br />

• Beobachtungen<br />

1) Astronomie/<strong>Astrophysik</strong><br />

2) <strong>Astroteilchenphysik</strong><br />

3) Gravitationsphysik<br />

•<strong>Kosmologie</strong><br />

1) Evolution des Kosmos<br />

2) Prozesse im frühen Universum


1) Astronomie/<strong>Astrophysik</strong><br />

T.Hebbeker<br />

• Technische Fortschritte <strong>der</strong> klassischen Astronomie<br />

• Interessante Objekte<br />

• Supernovae<br />

• Gamma Ray Burster<br />

• Quasare, Galaxien mit Jets, ...<br />

•Kosmische Hintergrundstrahlung<br />

•Chemie des Universums<br />

• Rotverschiebung <strong>der</strong> Galaxien<br />

• Heutiges Bild des Universums


„klassische Astronomie“<br />

T.Hebbeker<br />

rasante Fortschritte:<br />

• Satelliten (HST)<br />

• adaptive/aktive Optik<br />

•Interferometrie<br />

Nachbargalaxie<br />

„Andromeda“<br />

2 „Whirlpool“ Millionen Lichtjahre (HST) 37 Millionen Lj<br />

Hubble<br />

Space<br />

Telescope<br />

HST „deep field“<br />

bis zu 10 Milliarden Lichtjahre<br />

Blick in die Vergangenheit!<br />

„Whirlpool“ (HST)<br />

37 Millionen Lj


Supernovae Ia<br />

Explosion wenn<br />

Masse kritischen<br />

Wert ≅ 1. 4⋅ m<br />

erreicht!<br />

T.Hebbeker<br />

Sonne<br />

„Standardkerzen“<br />

Helligkeit:<br />

gleich<br />

groß<br />

Entfernungsbestimmung<br />

Zeitskala: einige Wochen


Gamma Ray Burster<br />

T.Hebbeker<br />

mysteriöse kurze<br />

(Sekunden - Tage)<br />

hochenergetische<br />

Ausbrüche<br />

10 keV – 100 MeV<br />

„Nachglühen“<br />

(sichtbares Licht)<br />

extragalaktisch ?<br />

Quellen ?<br />

Energie ?<br />

M i l c h s t r a s s e


Quasare - Jets -AGNs...<br />

Astro-Monster-Katalog:<br />

T.Hebbeker<br />

•Quasare = Quasi Stellar Radio Source<br />

•Jets (aus Galaxien)<br />

• AGN = Active Galactic Nuclei<br />

• Seyfert-Galaxien<br />

•Blazars<br />

HST: M87 in Virgo<br />

Vermutung:<br />

im Prinzip alle gleich!<br />

Zentrum: schwarzes Loch


Penzias,<br />

Wilson<br />

Die kosmische Hintergrundstrahlung<br />

T.Hebbeker<br />

1965<br />

Mikrowellenstrahlung<br />

aus allen Richtungen<br />

±100µ K<br />

COBE<br />

= „schwarzer Körper“<br />

mit T = 2.7K<br />

Kleine Temperaturunterschiede<br />

1995


Die Chemie des Universums<br />

T.Hebbeker<br />

Vor <strong>der</strong> Sternbildung:<br />

Am Ende des Sternenlebens:<br />

75 % 25 % (Masse)<br />

Wasserstoff Helium<br />

Wir bestehen aus<br />

Sternenasche !


Rotverschiebung <strong>der</strong> Galaxien<br />

Doppler-Effekt:<br />

T.Hebbeker<br />

Hubble 1929: Universum expandiert<br />

v<br />

nm<br />

H<br />

=<br />

65km<br />

/<br />

s<br />

/<br />

Mpc<br />

d<br />

=<br />

2cm<br />

/<br />

s<br />

/<br />

Lj<br />

v<br />

=<br />

H<br />

⋅<br />

d<br />

= 1<br />

/<br />

(15⋅10<br />

9 a<br />

)


Das heutige<br />

Universum<br />

T.Hebbeker<br />

T = 2.7 K<br />

Materie:<br />

11<br />

• 10 Galaxien<br />

10<br />

mit je 11<br />

Sternen<br />

• dunkle Materie<br />

H,He<br />

Strahlung:<br />

•Sternenlicht<br />

• Hintergrundstrahlung


Inhalt<br />

T.Hebbeker<br />

• Einleitung<br />

• Beobachtungen<br />

1) Astronomie/<strong>Astrophysik</strong><br />

2) <strong>Astroteilchenphysik</strong><br />

3) Gravitationsphysik<br />

•<strong>Kosmologie</strong><br />

1) Evolution des Kosmos<br />

2) Prozesse im frühen Universum


2) <strong>Astroteilchenphysik</strong><br />

T.Hebbeker<br />

• Geladene Strahlung<br />

Eigenschaften<br />

Nachweis<br />

Höchste Energien<br />

•Neutrinos<br />

aus Supernovae<br />

solare<br />

an<strong>der</strong>e<br />

•hochenergetische Photonen<br />

Eigenschaften<br />

Nachweis


Geladene Strahlung<br />

T.Hebbeker<br />

primär (p, Kerne)<br />

sekundär<br />

Entdeckung: V. Hess 1912


Eigenschaften geladener Strahlung<br />

T.Hebbeker<br />

Chemie (bei kleinen Energien): 87% p, 12% He, 1% Rest<br />

Energie-<br />

Spektrum:<br />

Supernovae<br />

E/eV<br />

?<br />

!


Nachweis primärer geladener Strahlung I<br />

T.Hebbeker<br />

I) direkt: Detektoren an Ballon<br />

bis max. 100 TeV (Rate!)<br />

o<strong>der</strong> in Satelliten<br />

JACEE<br />

= Japanese-American<br />

Collaborative Emulsion Exoeriment


Nachweis primärer geladener Strahlung II<br />

II) indirekt (Luftschauer):<br />

T.Hebbeker<br />

• Detektor-Arrays (Szintillatoren) (ab 50 TeV): geladene Teilchen<br />

• Cerenkov-Strahlung<br />

• Fluoreszenzstrahlung<br />

(ab 10 TeV)<br />

Fly‘s Eye


Kosmische Teilchen bei höchsten Energien<br />

T.Hebbeker<br />

Agasa Array (Japan):<br />

primäre kosmische<br />

Teilchen mit (kin.) Energie<br />

11<br />

10<br />

> GeV<br />

= Tennisball !<br />

wurden nachgewiesen !<br />

Erzeugung im Weltall:<br />

unverstanden!<br />

ungehin<strong>der</strong>ter „Transport“:<br />

20<br />

2⋅10<br />

eV<br />

1993<br />

„unmöglich“<br />

wegen Wechselwirkung mit<br />

Hintergrundstrahlung:<br />

→ ∆ p +γ


Antimaterie im Universum ?<br />

gefunden<br />

T.Hebbeker<br />

Ja ! Positronen, Antiprotonen... = Sekundärprodukte von Teilchenkollisionen<br />

Gibt es schwere Anti-Kerne im Universum (aus dem Urknall) ?<br />

Bisher<br />

kein<br />

Antihelium ...


Neutrinos aus dem Universum<br />

T.Hebbeker<br />

aus Supernovae: SN 1987A (Magellansche Wolke)<br />

HST 1996<br />

aus <strong>der</strong> Sonne<br />

(s.u.)<br />

aus an<strong>der</strong>en kosmischen Quellen (s.u.)


Solare Neutrinos (~ MeV)<br />

Nur ~ 50% werden auf Erde nachgewiesen! ?<br />

T.Hebbeker<br />

Chemie:<br />

Cl +ν → Ar +<br />

e<br />

Licht:<br />

e + ν → e + ν + γ<br />

~ 1 / Tag !<br />

Homestake-Mine<br />

Superkamiokande


Extrasolare hochenergetische Neutrinos<br />

Methode:<br />

ν + Kern → µ + X +<br />

γ<br />

(Cerenkov)<br />

T.Hebbeker<br />

Amanda: Photomultiplier<br />

Amanda, Südpol, Eis<br />

500 m<br />

noch keine Neutrino-Quellen gefunden...


Hochenergetische Gamma-Strahlung<br />

T.Hebbeker<br />

nur wenige Quellen identifiziert<br />

crab<br />

nebula<br />

(= SNR 1054)<br />

synchrotron<br />

compton


Nachweis von Gamma-Strahlung<br />

T.Hebbeker<br />

Luftschauer, Cerenkov-Strahlung): (ab 50 GeV)<br />

HESS<br />

Namibia


Inhalt<br />

T.Hebbeker<br />

• Einleitung<br />

• Beobachtungen<br />

1) Astronomie/<strong>Astrophysik</strong><br />

2) <strong>Astroteilchenphysik</strong><br />

3) Gravitationsphysik<br />

•<strong>Kosmologie</strong><br />

1) Evolution des Kosmos<br />

2) Prozesse im frühen Universum


T.Hebbeker<br />

3) Gravitationsphysik<br />

• Dunkle Materie<br />

Bisher nur Licht/Radiomessungen, kein direkter<br />

• Gravitationslinsen<br />

Nachweis <strong>der</strong> Gravitationseffekte!<br />

•Gravitationswellen<br />

• indirekter Nachweis<br />

•direkte Suche


Rotationsgeschwindigkeit v(r)<br />

Dunkle Materie<br />

T.Hebbeker<br />

via Doppler-Effekt:<br />

Spiralgalaxie<br />

= dunkle Materie<br />

v(r) ist Maß für<br />

eingeschlossene Masse !<br />

etwa 10 mal mehr dunkle als<br />

leuchtende Materie !


Gravitationslinsen<br />

HST<br />

T.Hebbeker<br />

Einstein-Ringe<br />

VLA


Gravitationswellen<br />

T.Hebbeker<br />

Vorhersage:<br />

Einstein 1918<br />

Enstehung im Universum :<br />

Urknall<br />

Supernovae<br />

zwei verschmelzende Neutronensterne<br />

Nachweis:<br />

schwierig wegen kleiner Leistung/Amplitude:<br />

Erde um Sonne: P = 200 W<br />

Supernova in Milchstrasse: auf Erde<br />

∆l<br />

/<br />

l<br />

~10<br />

−18


Gravitationswellen: indirekter Nachweis<br />

Doppelpulsar PSR1913+16:<br />

T.Hebbeker<br />

/s<br />

Erde<br />

Umlaufzeit und Abstände<br />

nehmen ab<br />

wegen Abstrahlung von<br />

Gravitationswellen<br />

Entdecker: Taylor und Hulse


Gravitationswellen: direkte Suche<br />

T.Hebbeker<br />

B) Michelson-<br />

Interferometer<br />

GEO600 Hannover<br />

A) Zylin<strong>der</strong>antenne


Inhalt<br />

T.Hebbeker<br />

• Einleitung<br />

• Beobachtungen<br />

1) Astronomie/<strong>Astrophysik</strong><br />

2) <strong>Astroteilchenphysik</strong><br />

3) Gravitationsphysik<br />

•<strong>Kosmologie</strong><br />

1) Evolution des Kosmos<br />

2) Prozesse im frühen Universum


Das Big-Bang - Modell<br />

T.Hebbeker<br />

Einsteins<br />

allgemeine<br />

Relativitätstheorie<br />

+<br />

<strong>Astrophysik</strong>alische<br />

Beobachtungen<br />

=<br />

Der Raum expandiert<br />

Anfang: „Big Bang“<br />

Hintergrundstrahlung<br />

Rotverschiebung<br />

Chemie


Evolution des Universums<br />

T.Hebbeker<br />

Expansionsgeschwindigkeit gegeben durch:<br />

• Hubble-Konstante (kinetische Energie Expansion)<br />

• mittlere Massendichte (potentielle Energie Kontraktion) Gravitation!<br />

Ω<br />

m<br />

=<br />

ρ<br />

ρ<br />

krit<br />

=<br />

mittlere Massendichte<br />

kritische Massendichte<br />

≈<br />

nicht genau bekannt<br />

3 H − Atome / m<br />

3<br />

Hubble-Konstante<br />

Skalenparameter R:<br />

Abstand zwischen zwei<br />

entfernten Galaxien


T.Hebbeker<br />

Λ<br />

„dunkle<br />

Energie“<br />

wirkt<br />

abstossend!<br />

Erweitertes Modell: Einsteins<br />

„kosmologische Konstante“<br />

Neue Messungen


Inhalt<br />

T.Hebbeker<br />

• Einleitung<br />

• Beobachtungen<br />

1) Astronomie/<strong>Astrophysik</strong><br />

2) <strong>Astroteilchenphysik</strong><br />

3) Gravitationsphysik<br />

•<strong>Kosmologie</strong><br />

1) Evolution des Kosmos<br />

2) Prozesse im frühen Universum


Prozesse im frühen Universum<br />

10<br />

10<br />

a<br />

T.Hebbeker<br />

heute<br />

300000 a Atome<br />

3min<br />

10 −10<br />

s<br />

Kerne<br />

Ladungssumme = 0


Nukleosynthese<br />

t = 3 min T = 1 000 000 000 K E = 0.1 MeV<br />

T.Hebbeker<br />

2 n + 2 p = He-Kern (stabil)<br />

p = H-Kern<br />

(übriggebliebene Protonen)<br />

Schwere Kerne (C, O, U...) entstanden<br />

erst in Sternen/Supernovae !


Bildung von Atomen<br />

T.Hebbeker<br />

t = 300 000 a T = 3000 K E = 0.3 eV<br />

He-Kern + 2 e = He-Atom<br />

H-Kern + e = H-Atom<br />

Weltall ohne freie Ladung!<br />

Licht kann sich ungehin<strong>der</strong>t ausbreiten!<br />

Universum wird durchsichtig!<br />

3min<br />

Kerne<br />

kosmische<br />

Hintergrundstrahlung<br />

!


Zusammenfassung<br />

T.Hebbeker<br />

Zunehmende Verzahnung zwischen<br />

<strong>Astrophysik</strong> und Teilchenphysik: <strong>Astroteilchenphysik</strong><br />

stark verbesserte und neue Beobachtungstechniken<br />

-> viele spannende Resultate !<br />

-> interessante Seminarvorträge !


ANHANG<br />

T.Hebbeker


Messung <strong>der</strong> Expansion<br />

T.Hebbeker<br />

Supernovae Typ Ia<br />

Entfernung ~ Alter<br />

= „Standardkerze“<br />

d = v ⋅t<br />

log d = log v +<br />

logt<br />

Helligkeit<br />

Fluchtgeschwindigkeit


Berechnung <strong>der</strong> Evolution<br />

T.Hebbeker<br />

ohne kosmologische Konstante:<br />

d<br />

m⋅<br />

2<br />

R(<br />

t)<br />

dt<br />

2<br />

= −G<br />

N<br />

⋅<br />

m⋅<br />

M<br />

R(<br />

t)<br />

2<br />

M = 4 π<br />

ρ(<br />

t)<br />

R<br />

3 ( t)<br />

= const<br />

3<br />

mit kosmologischer Konstanten :<br />

d<br />

m⋅<br />

2<br />

R(<br />

t)<br />

dt<br />

2<br />

= −G<br />

N<br />

⋅<br />

m⋅<br />

M<br />

R(<br />

t)<br />

2<br />

abstossend<br />

Λ<br />

+<br />

m⋅Λ⋅<br />

R(t) / 3<br />

grosse<br />

Entferng!

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