Die Urknalltheorie

Die UrknalltheorieKIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaftwww.kit.edu

Überblick➔ Allgemeine Relativitätstheorie➔ Die Väter der Urknalltheorie➔ Rotverschiebung der Galaxien➔ Kosmische Hintergrundstrahlung➔ Nukleosynthese2 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

Allgemeine RelativitätstheorieDie 1915 von Albert Einstein (1879-1955) veröffentlichte Theoriebeschreibt die Wechselwirkungzwischen der Raum-Zeit undMaterie.Die Gravitation ist eineScheinkraft, die von derKrümmung der Raumzeitherrührt.Die Gravitation kann elektromagnetische Wellen beeinflussen.3 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

Väter der UrknalltheorieAlexander Friedmann löst 1922 dieFeldgleichungen der ART und zeigt,dass sich das Universum ausdehnenoder zusammenziehen kann.Abbé Georges Lemaître entwickelt 1927eine Theorie, derzufolge das Universumeinst als einziges Teilchen begann.George Gamow zeigt 1948 auf, wiesich der Kosmos aus einem heißenAnfangszustand entwickelt habenkönnte und sagt die kosmischeHintergrundstrahlung vorraus.4 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

Die Säulen der UrknalltheorieUrknalltheorieNukleosyntheseHintergrundstrahlungRotverschiebung5 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

Ausdehnung und TemperaturGeht man bei der Expansion des Universums von einem adiabatischenProzess aus, so lassen sich die Energiedichten für Strahlung und Materiewie folgt beschreiben:In Folge der Ausdehnung des Universums müssen also zwangsläufig auchdie Energiedichte und die Temperatur abnehmen.6 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

Die Nukleosynthese7 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

Die Entstehung des Universums8 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

NukleosyntheseCa. 10 Sekunden nach dem Urknall, bei weniger als 10 9 Kelvin, setzt dieNukleosynthese ein. Protonen und Neutronen verschmelzen zuHeliumkernen.Ungefähr 3-5 Minuten später kommt auch dieser Prozess wieder zumerliegen. Die dann noch freien Neutronen zerfallen über einen β−-Prozess inProtonen, Elektronen und Antineutrino.Nach Ende der Nukleosynthese ist das Universum erfüllt von einem Plasmaaus Atomkernen, Protonen und Elektronen, sowie thermischer Strahlung imRöntgenbereich.9 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

NukleosyntheseDas frühe Universum war extrem dicht, heiß und erfüllt von Strahlung undPlasma.Ab einer bestimmten Temperatur setzt die Nukleosynthese ein. Ist dieTemperatur zu niedrig kann die Coulomb-Schwelle nicht überwunden werden,ist die Temperatur zu hoch zerfallen die Kerne wieder.Entgegen der erstenVermutungen, entstanden damalsnicht alle Elemente sondernhauptsächlich Wasserstoff- undHeliumisotope.10 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

NukleosyntheseBei der Nukleosynthese werden zunächst Deuterium undspäter He 3 -Kerne erzeugt.Kerne mit 5 Nukleonen sind nicht stabil und zerfallen daherschnell wieder. Energiereiche Photonen spalten Kerne mitniedriger Bindungsenergie sofort wieder. Daher entstehenvor allem He 4 -Kerne.11 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

NukleosyntheseEntstehung der ersten Atomkerne:Im heißen Plasma treten, bei ca. 10 10 Kelvin, eine Vielzahl anVeilchenreaktionen auf:Es stellt sich ein Gleichgewichtszustand zwischen Protonenund Neutronen, gemäß ihrem Massenunterschied ein:12 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

NukleosyntheseDurch die Expansion des Universums verringert sich seineTemperatur. In Folge hören auch die Veilchenreaktionen auf.In der Zeit, bis die Kernfusion, bei ca. 10 ⁹ Kelvin, einsetztzerfallen einige der Neutronen wieder. (Halbwertzeit eines freienNeutrons beträgt ca. 10 min.)Zu Beginn der Kernfusion liegt das folgende Neutronen zuProtonen Verhältnis vor:Für den Relativen Anteil an Hellium nach der Kernfusionsphaseerrechnet die Urknalltheorie:13 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

NukleosyntheseNebenstehendes Diagramm, gibtden Masseanteil der Isotope, inAbhängigkeit von η an.η ist das Verhältnis zwischenBaryonen (Neutronen &Protonen) und Photonen imUniversum.14 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

NukleosyntheseDie Häufigkeit, mit der im heutigen Universum die verschiedenen Elementerelativ zueinander auftreten lässt sich mit der Urknalltheorie exaktnachrechnen.Diese Übereinstimmung zwischen Realität und Theorie ist einer derstärksten Stützpfeiler, auf denen die Urknalltheorie ruht.15 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

NukleosyntheseElemente bis zu einerKerngröße von ca. Eisenentstanden im Inneren vongroßen Sternen.16 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

Häufigkeitsverteilung der Elemente17 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

Nukleosynthese18 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

Die kosmische Hintergrundstrahlung19 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

Die Entstehung des Universums20 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

Ende der Strahlungs-ÄraDie kosmische Rotverschiebung, als Folge der Raumausdehnung, sorgt dafür,dass etwa 10.000 Jahren nach dem Urknall die Energiedichte der Strahlungunter die der Materie fällt. Von nun an bestimmt die Verteilung der Materiemaßgeblich die Dynamik des Universums.Entkopplung der Hintergrundstrahlung400.000 Jahre nach dem Urknall liegt die Temperatur des Universums beiungefähr 3.000 K. Atomkerne beginnen freie Elektronen einzufangen und esbilden sich Atome mit neutraler Ladung. Die Hintergrundstrahlung hat nunnicht mehr genügend Energie um Atome zu ionisieren. Weil dieHintergrundstrahlung nur noch selten mit den Atomen wechselwirkt könnensich die Photonen frei ausbreiten. Es kommt zur Entkopplung, das Universumwird „transparent“.21 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

Kosmische HintergrundstrahlungWenn das Universum in seinen Anfangszeiträumen noch extrem dicht undheiß gewesen sein soll, so muss es zu dieser Zeit eine Menge Strahlunggegeben haben. Diese Strahlung kann heute noch gemessen werden.Die kosmische Hintergrundstrahlung wurde bereits 1948 von George Gamowvorhergesagt werden. Die experimentelle Bestätigung lies allerdings noch bis1965 auf sich warten. Arno Penzias und Robert Wilson entdeckten dieStrahlung zufällig bei der Kalibrierung einer Antenne.22 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

Kosmische HintergrundstrahlungEntstanden ist die kosmischeHintergrundstrahlung beietwas 3000 Kelvin.Durch die Expansion desUniversums hat sich ihrSpektrum bis heute in denMikrowellenbereichverschoben.Die Hintergrundstrahlungentspricht heute demSpektrum eines schwarzenStrahlers bei 2,7 Kelvin.Im Durchschnitt finden sich injedem cm³ des Weltalls nochca. 400 Photonen dieserHintergrundstrahlung.23 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

Kosmische HintergrundstrahlungMessungen der Richtungsabhängigkeit der Hintergrundstrahlungergaben maximale Abweichungen von 0,1%. Diese sind durch dieBewegungen der Milchstraße zu erklären. Kleinere Abweichungenrühren von Dichteschwankungen und Gravitationsverschiebungen her.24 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

Die Rotverschiebung25 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

Rotverschiebung1929 entdeckte Ewdin Hubble dieRotverschiebung von Galaxien, welche erauf die Expansion des Universumszurückführt. Die Rotverschiebung istproportional zum Abstand zwischen derErde und den beobachteten Galaxien.Der Proportionalitätsfaktor zwischenRotverschiebung und Entfernungwird Hubble-Konstante genannt.26 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

RotverschiebungUm das Hubble-Gesetz verifizieren zu können, kann man dieGeschwindigkeit und den Abstand entfernter Galxien messen. DieGeschwindigkeit einer Galaxie ergibt sich aus der Rotverschiebung derWasserstoffspektrallinien.27 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

RotverschiebungDie Abstandsmessung gestalltet sichdeutlich schwieriger als die Messungder Geschwindigkeit.Entfernungsmessungen beruhendarauf, dass man gemesseneHelligkeit mit ihrer Strahlungsleistungvergleicht.Als Referenz können hierzubestimmte Himmelskörper oderEreignisse dienen, deren Entfernungbekannt ist.Beispiele für sogenannte„Standardkerzen“:•RR-Lyrae-Sterne•Cepheiden (pulsierende Sterne)•Supernovae vom Typ la28 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

RotverschiebungDie absolute Helligkeit von Cepheiden lässt sich durch die Perioden-Leuchtkraft-Beziehung herleiten:Supernovae vom Typ 1a sindan ihrer charakteristischenLichtkurve zu identifizieren.Da alle Supernovae diesn Typseine vergleichbare Helligkeitaufweißen, sind sie idealeStandardkerzen.29 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

Rotverschiebung30 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

RotverschiebungMessungen ergeben, dass sichscheinbar alle Galxien von unswegbewegen.RosinenkuchenmodellGalaxien bewegensich nicht selbst,sondern werden mitder Raum-Zeitmitgetragen.Da sich alle Galaxien voneinanderentfernen ist keine Aussage zu treffen,wo sich der Mittelpunkt des Universumsbefindet31 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

ZusammenfassungRotverschiebung → Das Universum expandiertNukleosynthese, Hintergrundstrahlung → Das Universum war heiß und dicht32 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit33 13.05.2011 Die Urknalltheorie, Stefan Beyl