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Der Anfang des Universums –Spekulation oder Wissenschaft ?
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GalaxienGalaxienHubble deep fieldHubble deep field
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WerWer weitweit hinaushinaus schautschaut ,,schautschaut weitweit zurzurüückck !!
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FotoFoto des des UrknallsUrknalls
WMAPWMAP
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schauenschauen : : nichtnicht nurnur mitmit LichtLicht !!
RRööntgenstrahlungntgenstrahlungInfrarotstrahlungInfrarotstrahlungGravitationslinsenGravitationslinsenhochenergetischehochenergetische GammastrahlenGammastrahlenNeutrinos ( ? )Neutrinos ( ? )GravitationswellenGravitationswellen ( ? )( ? )
FarbenFarben freifrei gewgewäählthlt
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bullet clusterbullet cluster
DunkleDunkle MaterieMateriein in KollisionKollision
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SimulationenSimulationen imim ComputerComputer
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MilleniumMillenium simulation , VIRGO projectsimulation , VIRGO project
t = 13.6 t = 13.6 MilliardenMilliarden JahreJahre ( z=0 )( z=0 )
VerteilungVerteilung derder DunklenDunklen MaterieMaterieimim UniversumUniversum
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t = 13.6 t = 13.6 MilliardenMilliarden JahreJahre ( z=0 )( z=0 )
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t = 1 t = 1 MilliardeMilliarde JahreJahre ( z =5.7 )( z =5.7 )
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t = 13.6 t = 13.6 MilliardenMilliarden JahreJahre ( z=0 )( z=0 )
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und und VergleichVergleich mitmit BeobachtungBeobachtung ::VerteilungVerteilung derder DunklenDunklen MaterieMaterie
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t = 13.6 t = 13.6 MilliardenMilliarden JahreJahre ( z=0 )( z=0 )
Zoom auf Zoom auf GalaxienhaufenGalaxienhaufen
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t = 13.6 t = 13.6 MilliardenMilliarden JahreJahre ( z=0 )( z=0 )
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t = 13.6 t = 13.6 MilliardenMilliarden JahreJahre ( z=0 )( z=0 )
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Eternal inflationEternal inflationA. A. LindeLinde
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Was Was istist reellreell ??Was Was istist VorstellungVorstellung ??
Was Was istist pure pure SpekulationSpekulation ??
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Die Die grogroßßenen FragenFragen
WorausWoraus bestehtbesteht das das UniversumUniversum ??WieWie sahsah das das UniversumUniversum am am AnfangAnfang ausaus ??WieWie habenhaben sichsich StrukturenStrukturen entwickeltentwickelt ??GibtGibt eses LebenLeben und und IntelligenzIntelligenz in in anderenanderen RegionenRegionen des des UniversumsUniversums ??WoherWoher kommenkommen MaterieMaterie und und StrahlungStrahlung ??Was war Was war vorvor demdem UrknallUrknall ??Was Was wirdwird ausaus unseremunserem UniversumUniversum in in derder ZukunftZukunft ??Was Was liegtliegt auaußßerhalberhalb unseresunseres HorizontsHorizonts ??
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Expansion des Expansion des UniversumsUniversums
DerDer RaumRaum zwischenzwischen den den GalaxienhaufenGalaxienhaufen dehntdehntsichsich ausaus..FrFrüüherher war das war das UniversumUniversum dichterdichter,,…… und und heisserheisser..ZurZurüückverfolgungckverfolgung derder EinsteinEinstein’’schenschenkosmologischenkosmologischen GleichungenGleichungen : : UrknallUrknall, , extremextrem heisserheisser FeuerballFeuerball !!BisBis ca 400 000 ca 400 000 JahreJahre nachnach demdem UrknallUrknall : : heissesheissesPlasma Plasma ausaus ProtonenProtonen, , ElektronenElektronen und und StrahlungStrahlung
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FeuerballFeuerball
heiheißßeses PlasmaPlasmaElektronenElektronen und und KerneKerne oderoder KernbestandteileKernbestandteilegetrenntgetrenntvielviel heiheißßerer und und dichterdichter alsals die die SonneSonneundurchsichtigundurchsichtigLichtLicht wirdwird fortdauerndfortdauernd gestreutgestreutEndeEnde nachnach 400 000 400 000 JahrenJahren
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KannKann man in die man in die SonneSonne hineinschauenhineinschauen ??
nurnur OberflOberfläächeche derder SonneSonne sichtbarsichtbar !!
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SignaleSignale des des UrknallsUrknalls
HintergrundstrahlungHintergrundstrahlungEs Es werdewerde LichtLicht !!( Fiat ( Fiat luxlux ) ( 400 000 ) ( 400 000 JahreJahre nachnach UrknallUrknall))
PrimordialePrimordiale ElementsyntheseElementsynthese ((NucleosyntheseNucleosynthese))
BeginnBeginn derder ChemieChemie ( 10 ( 10 MinutenMinuten abbabb ))
abbabb : after big bang: after big bang
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FotoFoto des des UrknallsUrknallsalsals sichsich die die AtomeAtome bildetenbildeten : ca 400 000 : ca 400 000 JahreJahre abbabb
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Wilkinson Microwave Anisotropy ProbeA partnership between NASA/GSFC and Princeton
Science Team:
NASA/GSFCChuck Bennett (PI)Michael GreasonBob Hill Gary HinshawAl KogutMichele LimonNils OdegardJanet WeilandEd Wollack
BrownGreg Tucker
UCLANed Wright
PrincetonChris Barnes Norm JarosikEiichiro KomatsuMichael Nolta
ChicagoStephan Meyer
UBC Lyman PageHiranya PeirisDavid SpergelLicia Verde
Mark Halpern
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BildBild einereiner KugeloberflKugeloberfläächeche von von inneninnenwinzigewinzige TemperaturTemperatur--schwankungenschwankungen
derder HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung
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Die Die grogroßßenen FragenFragen
WorausWoraus bestehtbesteht das das UniversumUniversum ??WieWie sahsah das das UniversumUniversum am am AnfangAnfang ausaus ??Plasma ! und Plasma ! und vorhervorher ??WieWie habenhaben sichsich StrukturenStrukturen entwickeltentwickelt ??GibtGibt eses LebenLeben und und IntelligenzIntelligenz in in anderenanderen RegionenRegionen des des UniversumsUniversums ??WoherWoher kommenkommen MaterieMaterie und und StrahlungStrahlung ??Was war Was war vorvor demdem UrknallUrknall ??Was Was wirdwird ausaus unseremunserem UniversumUniversum in in derder ZukunftZukunft ??Was Was liegtliegt auaußßerhalberhalb unseresunseres HorizontsHorizonts ??
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GrenzenGrenzen derder PhysikPhysik
üüberber die die SchwierigkeitSchwierigkeit , , AntwortenAntworten zuzu findenfinden ……
ThermischeThermische GrenzeGrenzeEnergiegrenzeEnergiegrenze , , AuflAuflöösungsgrenzesungsgrenzeZeitgrenzeZeitgrenze , , RaumgrenzeRaumgrenzeKomplexitKomplexitäätsgrenzetsgrenzeGrenzenGrenzen derder jetzigenjetzigen GesetzeGesetze derder PhysikPhysik ??
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ThermischeThermische GrenzeGrenze
Das Das frfrüühehe UniversumUniversum war war imim thermischenthermischenGleichgewichtGleichgewicht ..Das Das UniversumUniversum ““ vergisstvergisst ““ !!WerfenWerfen SieSie einmaleinmal einein BuchBuch auf die auf die SonneSonne und und versuchenversuchen , , eses 10 000 10 000 JahreJahre spspääterter zuzu lesenlesen ……
andererseitsandererseits : : nurnur wenigewenige GrGrößößenen werdenwerden zurzurBeschreibungBeschreibung des des frfrüühenhen UniversumsUniversums benbenöötigttigt !!
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ThermischesThermisches GleichgewichtGleichgewicht
EnergieEnergie ~ Masse ~ ~ Masse ~ TemperaturTemperatur
WelcheWelche TeilchensortenTeilchensorten gibtgibt eses mitmitMasse Masse < < TemperaturTemperatur ??( ( ElektronenElektronen ,Quarks , ,Quarks , PhotonenPhotonen , Neutrinos , , Neutrinos , WW--BosonenBosonen , , ……???? )???? )Was Was istist ihreihre Masse ?Masse ?
ElementarteilchenElementarteilchen -- PhysikPhysik
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NNääherher an den an den UrknallUrknall
JeJe nnääherher an den an den UrknallUrknall, , destodesto hhööherher die die TemperaturTemperatur und und EnergieEnergie derder TeilchenTeilchenPhysikPhysik beibei hohenhohen EnergienEnergien wenigerweniger gut gut bekanntbekanntErstErst abab 1010--10 10 SekundenSekunden abbabb : : ImIm wesentlichenwesentlichenbekanntebekannte PhysikPhysik
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TeilchenphysikTeilchenphysik nnääherthert sichsich UrknallUrknall
vorvor ZeitenZeiten von 10von 10--1212 SekundenSekunden abbabb sindsind die die TeilchenTeilchen mitmit Masse < Masse < TemperaturTemperatur nichtnichtexperimentellexperimentell bekanntbekanntLHC LHC erforschterforscht PhysikPhysik , die , die ffüürr 1010--1212 SekundenSekundenabbabb wichtigwichtig ististspontanespontane SymmetriebrechungSymmetriebrechung , , PhasenPhasenüübergangbergang
EnergiegrenzeEnergiegrenze ……
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EnergiegrenzeEnergiegrenze
LHC , CERN , LHC , CERN , GenfGenf
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KomplexitKomplexitäätsgrenzetsgrenze
GalaxienGalaxien--EntstehungEntstehung
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KomplexitKomplexitäätsgrenzetsgrenze ::Quark Quark –– Gluon Gluon -- PlasmaPlasma
experimentelleexperimentelle UntersuchungUntersuchung des Plasmas in des Plasmas in ZustandZustand MikrosekundenMikrosekunden abbabb
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KomplexitKomplexitäätsgrenzetsgrenze ::
Details Details derder GalaxienentstehungGalaxienentstehung oderoder des des QuarkQuark--GluonplasmasGluonplasmas vermutlichvermutlich nichtnicht wichtigwichtigffüürr VerstVerstäändnisndnis derder EntwicklungEntwicklung des des UniversumsUniversums alsals GanzemGanzem
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KomplexitKomplexitäätsgrenzetsgrenze : : WarenWaren die die NaturkonstantenNaturkonstanten konstantkonstant ??
GeltenGelten die die GesetzeGesetze derder PhysikPhysik auchauch nochnoch eineeineMinute Minute abbabb ??Oder Oder hattenhatten dada NaturkonstantenNaturkonstanten andereandere WerteWerte ??
anderesanderes VerhVerhäältnisltnis Elektronmasse/ProtonmasseElektronmasse/Protonmasseoderoder andereandere GravitationskonstanteGravitationskonstante , , oderoder ??????
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ΩΩbb = 0.045= 0.045
nur 4,5 % des Universumsbestehen aus Atomen :
bekannt vonHintergrundstahlung , Nucleosynthese400 000 400 000 JahreJahre abbabbAtomphysikAtomphysik
Minute Minute abbabbKernphysikKernphysik
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A.CocA.Coc
AnteilAnteil derder AtomeAtomeimim UniversumUniversum
WMAPWMAP
Elem
enthE
lementh ää ufigkeiten
ufigkeitenPrimordialePrimordialeHHääufigkeitenufigkeiten derderleichtenleichten ElementeElementeausaus derderNukleosyntheseNukleosynthese
verglichenverglichen mitmitkosmischerkosmischerHintergrundstrahlungHintergrundstrahlungundundBeobachtungBeobachtung
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PrPrääzisezise BestBestäätigungtigung unseresunseresVerstVerstäändnissesndnisses derder PhysikPhysik
und und KosmologieKosmologie
BeispielBeispiel : : auchauch vorvor 13.7 13.7 MilliardenMilliarden JahrenJahrenhattenhatten die die KonstantenKonstanten derder PhysikPhysik die die
( fast ) ( fast ) gleichengleichen WerteWerte
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typischetypische mmööglichegliche WerteWerte derderVariation Variation derder FeinstrukturkonstantenFeinstrukturkonstanten::
∆α∆α//αα ( z=10( z=1010 10 ) = ) = --1.0 101.0 10--3 3 GUT 1GUT 1∆α∆α//αα ( z=10( z=1010 10 ) = ) = --2.7 102.7 10--4 4 GUT 2GUT 2
C.MuellerC.Mueller , , G.SchaeferG.Schaefer,,……
winzigwinzig ! ! kleinerkleiner alsals einein TausendstelTausendstel !!
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WirWir verfverfüügengen üüberberzuverlzuverläässigesssiges WissenWissen üüberber die die EntwicklungEntwicklung des des UniversumsUniversumsseitseit den den erstenersten 10 10 --10 10 SekundenSekunden !!
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AbenteuerreiseAbenteuerreise an den an den AnfangAnfang derder WeltWelt
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Explosion des Explosion des RaumsRaums
das das inflationinflationäärere UniversumUniversumam am AnfangAnfang warenwaren RaumRaum und und ZeitZeit und Felderund Felderwwäährendhrend derder Inflation Inflation istist UniversumUniversum leerleerMaterieMaterie und und StrahlungStrahlung werdenwerden am am EndeEnde derderInflation Inflation erzeugterzeugt
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InflationInflationääresres UniversumUniversum
Ca 10 Ca 10 --3030 -- 10 10 --40 40 SekundenSekunden abbabbEntstehungEntstehung derder primordialenprimordialen FluktuationenFluktuationenausaus QuantenfluktuationenQuantenfluktuationen
SignaleSignale vomvom UrknallUrknall !!
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VorhersagenVorhersagen derder InflationInflation
UniversumUniversum hat hat kritischekritische DichteDichte
QuantenfluktuationenQuantenfluktuationen ausaus derder ZeitZeit derder Inflation Inflation werdenwerden zuzu ““SchallwellenSchallwellen““ zumzum ZeitpunktZeitpunkt derderEntstehungEntstehung derder kosmischenkosmischenHintergrundstrahlungHintergrundstrahlung
-- das das UniversumUniversum alsals MusikinstrumentMusikinstrument --
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StStäärkerke derder TemperaturschwankungTemperaturschwankungin in AbhAbhäängigkeitngigkeit von von FleckengrFleckengrößößee ( ( imim WinkelWinkel ))
MittelwerteWMAP 2003
Ωtot =1.02
Ωm =0.27
Ωb =0.045
Ωdm=0.225ca 1 Gradca 1 Gradca 10 Gradca 10 Grad
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FotoFoto des des UrknallsUrknalls
WMAPWMAP
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Was Was istist UrsacheUrsache derder Inflation ?Inflation ?
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SpekulativeSpekulative PhysikPhysik ....
ZusZusäätzlichetzliche RaumdimensionenRaumdimensionenSuperstringtheorienSuperstringtheorien““KosmologieKosmologie vorvor demdem UrknallUrknall””MultiversumMultiversum
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ChancenChancen derder VerifizierungVerifizierung ??
Es Es fehltfehlt vereinheitlichtevereinheitlichte TheorieTheorie allerallerWechselwirkungenWechselwirkungen !!
DennochDennoch : : BeobachtungenBeobachtungen gebengebenAufschlussAufschluss üüberber extreme extreme frfrüüheheEpochenEpochen derder kosmologischenkosmologischenEntwicklungEntwicklung !!
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DunkleDunkle EnergieEnergienurnur einein ViertelViertel derder EnegiedichteEnegiedichte des des UniversumsUniversumsbestehtbesteht ausaus MaterieMateriedreidrei ViertelViertel sindsind vvöölligllig gleichmgleichmäßäßigig verteilteverteilteDunkleDunkle EnergieEnergie
WorausWoraus bestehtbesteht das das UniversumUniversum ??
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VorhersagenVorhersagen ffüürr KosmologieKosmologie mitmit DunklerDunkler EnergieEnergie
Die Expansion des Universumsbeschleunigt sich heute !
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StrukturbildungStrukturbildung
Aus Aus winzigenwinzigen AnisotropienAnisotropien wachsenwachsen die die StrukturenStrukturen des des UniversumsUniversums
Sterne , Sterne , GalaxienGalaxien, , GalaxienhaufenGalaxienhaufen
EinEin primordialesprimordiales FluktuationsspektrumFluktuationsspektrum beschreibtbeschreibtallealle KorrelatonsfunktionenKorrelatonsfunktionen !!
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StrukturbildungStrukturbildung : : EinEin primordialesprimordiales FluktuationsspektrumFluktuationsspektrum
CMB passt mit
Galaxienverteilung
Lyman – α
und
Gravitationslinsen-Effekt ! Waerbeke
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DunkleDunkle EnergieEnergie ::die die BeobachtungenBeobachtungen passenpassen zusammenzusammen !!
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Kosm. Konst. | Quintessenzstatisch | dynamisch
IstIst DunkleDunkle Energie
Energie
statischstatisch
oderoder dynamisch
dynamisch??
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EigenschaftenEigenschaften derder DunklenDunklenEnergieEnergie bestimmenbestimmen die die
ZukunftZukunft des des UniversumsUniversums
VorhersagbarkeitVorhersagbarkeit ffüürr die die nnäächstenchsten100 100 MilliardenMilliarden JahreJahre……
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ΩΩmm + X = 1+ X = 1
ΩΩmm : 25%: 25%
ΩΩhh : 75%: 75%DunkleDunkle EnergieEnergie
Vereinheitlichungaller Wechselwirkungen
Superstrings
ZusätzlicheDimensionen
FundamentalerUrsprung derMassenskalen
?
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ZusammenfassungZusammenfassung
PhysikPhysik des des UniversumsUniversums in in wesentlichenwesentlichen ZZüügengenbekanntbekannt vonvon 10 10 --10 10 SekundenSekunden abbabb bisbis10 10 MilliardenMilliarden JahreJahre abb.abb.
VorhersagenVorhersagen üüberber ZukunftZukunft benbenöötigentigenquantitativesquantitatives VerstVerstäändnisndnis derder DunklenDunklen EnergieEnergie
FrFrüüheshes UniversumUniversum : : ElementarteilchenphysikElementarteilchenphysik
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EndeEnde