T.Hebbeker

AstrophysikAstroteilchenphysik

Kosmologie

Thomas HebbekerRWTH Aachen

April 2002

1.1

T.HebbekerErforschung des Universums

1) Beobachtung der Teilchen/Strahlung

Universum Erde

3) Modellbildung

2) Experimente im Labor

Kosm

olog

ie

T.HebbekerTeilchen/Strahlung aus dem Universum

+ Anti

teilch

en !

80 GeVW+ W-W-Boson

91 GeVZZ-Boson

masselosγPhoton

masselosgGluon

masselosGGraviton

??? unbekannte Teilchen ???

T.HebbekerTeilchen/Strahlung aus dem Universum

Kerne

80 GeVW+ W-W-Boson

91 GeVZZ-Boson

masselosγPhoton

masselosgGluon

Lern

e üb

er U

nive

rsum

und

/

masselosGGraviton

??? unbekannte Teilchen ???

oder

übe

r Te

ilche

n !

Forderung:

stabil, beobachtbar!

T.HebbekerTeilchen/Strahlung aus dem Universum

Kerne

Astroteilchen-physik

??? unbekannte Teilchen ???

E > 1 GeVγPhoton

Astrophysik/AstronomiePhoton E < 1 GeVγ

Gravitations-physikmasselosGGraviton

T.HebbekerRate / Energiefluss (primäre Teilchen)

Atmosphäre

Elektronen~ keV / GeV

Kerne (p)~ keV / GeV

??andereNeutrinos~ MeV

Elektron-neutrinos ~ MeV

Photonen ~ eV

extrasolarRate

solarE

solarRate

12102 ⋅

sm // 2 smJ // 2 sm // 2

14106 ⋅

12102 ⋅

3101⋅21105 ⋅1102 ⋅

4103 −⋅4103 −⋅ 210

410

1410

710

zeit

lich

gem

itte

lt

710

van-Allan-Gürtel

nur wenige geladene ANTIteilchen !

T.HebbekerRate / Energiefluss (primäre Teilchen)

Atmosphäre

Elektronen~ keV / GeV

Kerne (p)~ keV / GeV

??andereNeutrinos~ MeV

Elektron-neutrinos ~ MeV

Photonen ~ eV

extrasolarRate

solarE

solarRate

12102 ⋅

sm // 2 smJ // 2 sm // 2

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3101⋅21105 ⋅1102 ⋅

4103 −⋅4103 −⋅ 210

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710

zeit

lich

gem

itte

lt

Sternoberfläche

van-Allan-Gürtel

Kernfusion im Sternzentrum Sonnenwind Supernovae

T.HebbekerInhalt

• Einleitung

• Beobachtungen1) Astronomie/Astrophysik 2) Astroteilchenphysik3) Gravitationsphysik

• Kosmologie1) Evolution des Kosmos2) Prozesse im frühen Universum

T.Hebbeker1) Astronomie/Astrophysik

• Technische Fortschritte der klassischen Astronomie

• Interessante Objekte

• Supernovae

• Gamma Ray Burster

• Quasare, Galaxien mit Jets, ...

• Kosmische Hintergrundstrahlung

• Chemie des Universums

• Rotverschiebung der Galaxien

• Heutiges Bild des Universums

T.Hebbeker„klassische Astronomie“

Nachbargalaxie

„Andromeda“

2 Millionen Lichtjahre

„Whirlpool“ (HST)

37 Millionen Lj

Hubble Space Telescope

rasante Fortschritte:• Satelliten (HST)

• adaptive/aktive Optik

• Interferometrie

HST „deep field“

bis zu 10 Milliarden Lichtjahre

Blick in die Vergangenheit!

„Whirlpool“ (HST) 37 Millionen Lj

T.HebbekerSupernovae IaExplosion wenn Masse kritischen Wert Sonnem⋅≅ 4.1erreicht!

„Standardkerzen“

Zeitskala: einige Wochen

Helligkeit:

gleich

groß

Entfernungs-

bestimmung

T.Hebbeker

extragalaktisch ?

Quellen ?

Energie ?

10 keV – 100 MeV

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

Gamma Ray BursterGamma Ray Burstermysteriöse kurze (Sekunden - Tage) hochenergetische Ausbrüche

„Nachglühen“

(sichtbares Licht)

T.HebbekerQuasare - Jets -AGNs...

• Quasare = Quasi Stellar Radio Source

• Jets (aus Galaxien)

• AGN = Active Galactic Nuclei

• Seyfert-Galaxien

• Blazars

HST: M87 in Virgo

Astro-Monster-Katalog:

Vermutung:

im Prinzip alle gleich!

Zentrum: schwarzes Loch

T.HebbekerDie kosmische Hintergrundstrahlung

Mikrowellenstrahlung aus allen Richtungen

= „schwarzer Körper“ mit T = 2.7K

Kleine Temperatur-unterschiede

COBEKµ100±

Penzias, Wilson

1965

1995

T.HebbekerDie Chemie des Universums

Vor der Sternbildung: Am Ende des Sternenlebens:

75 % 25 % (Masse)Wasserstoff Helium

Wir bestehen aus Sternenasche !

T.HebbekerRotverschiebung der Galaxien

nm

Hubble 1929: Universum expandiert

dHv ⋅=

v

d)1015(/1

//2//65

9aLjscmMpcskmH

⋅=

==

T.Hebbeker

Das heutige Universum

Materie:

• Galaxien1110

mit je 1110

Strahlung:

• Sternenlicht

• Hintergrundstrahlung

Sternen

T = 2.7 K

H,He

• dunkle Materie

T.Hebbeker2) Astroteilchenphysik

• Geladene Strahlung

Eigenschaften

Nachweis

Höchste Energien

•Neutrinos

aus Supernovae

solare

andere

•hochenergetische Photonen

Eigenschaften

Nachweis

T.HebbekerGeladene Strahlungprimär (p, Kerne)

sekundär

Entdeckung: V. Hess 1912

T.HebbekerEigenschaften geladener Strahlung

Energie-

Spektrum:

Chemie (bei kleinen Energien): 87% p, 12% He, 1% Rest

!Supernovae

?

E/eV

T.HebbekerNachweis primärer geladener Strahlung II) direkt: Detektoren an Ballon

oder in Satelliten

bis max. 100 TeV (Rate!)

JACEE= Japanese-American Collaborative Emulsion Exoeriment

T.HebbekerNachweis primärer geladener Strahlung IIII) indirekt (Luftschauer):• Detektor-Arrays (Szintillatoren) (ab 50 TeV)

• Cerenkov-Strahlung

• Fluoreszenzstrahlung

(ab 10 TeV)

Fly‘s Eye

T.HebbekerKosmische Teilchen bei höchsten Energienprimäre kosmische

Teilchen mit (kin.) Energie

wurden nachgewiesen !

Agasa Array (Japan):

GeV1110>= Tennisball !

Erzeugung im Weltall:

unverstanden!

ungehinderter „Transport“:

„unmöglich“ wegen Wechselwirkung mit Hintergrundstrahlung:

∆→+γp1993eV20102 ⋅

T.HebbekerAntimaterie im Universum ?Ja ! Positronen, Antiprotonen... = Sekundärprodukte von Teilchenkollisionen

Gibt es schwere Anti-Kerne im Universum (aus dem Urknall) ?

Bisher

kein

Antihelium ...

gefunden

T.HebbekerNeutrinos aus dem Universumaus Supernovae: SN 1987A (Magellansche Wolke)

aus der Sonne (s.u.)

aus anderen kosmischen Quellen (s.u.)

HST 1996

T.HebbekerSolare Neutrinos (~ MeV)Nur ~ 50% werden auf Erde nachgewiesen! ?

Homestake-Mine Supe

rkam

ioka

nde

eArCl +→+νγνν ++→+ ee

~ 1 / Tag !

Licht:Chemie:

T.HebbekerExtrasolare hochenergetische Neutrinosγµν ++→+ XKernMethode: (Cerenkov)

Amanda, Südpol, EisAmanda: Photomultiplier

500

m

noch keine Neutrino-Quellen gefunden...

T.HebbekerHochenergetische Gamma-Strahlung

synchrotron compton

nur wenige Quellen identifiziert

crab

nebula

(= SNR 1054)

T.HebbekerNachweis von Gamma-Strahlung

Luftschauer, Cerenkov-Strahlung): (ab 50 GeV)

HESS

Namibia

T.Hebbeker3) Gravitationsphysik

• Dunkle Materie

• Gravitationslinsen

• Gravitationswellen

• indirekter Nachweis

• direkte SucheBi

sher

nur L

icht/R

adiom

essu

ngen

, kein

direk

ter

is de

r Gra

vitati

onse

ffekte

!

Nachw

e

T.HebbekerDunkle Materie

v(r) ist Maß für

eingeschlossene Masse !

etwa 10 mal mehr dunkle als

leuchtende Materie !

= dunkle Materie

Spiralga

laxi

e

Rotationsgeschwindigkeit v(r)

via Doppler-Effekt:

T.HebbekerGravitationslinsenHST

VLA

Einstein-Ringe

T.HebbekerGravitationswellen

Vorhersage:

Einstein 1918

Enstehung im Universum :Urknall Supernovaezwei verschmelzende Neutronensterne

Nachweis:

schwierig wegen kleiner Leistung/Amplitude:

Erde um Sonne: P = 200 W

Supernova in Milchstrasse: auf Erde 1810~/ −∆ ll

T.HebbekerGravitationswellen: indirekter NachweisDoppelpulsar PSR1913+16:

/sErde

Umlaufzeit und Abstände

nehmen ab

wegen Abstrahlung von

GravitationswellenEntdecker: Taylor und Hulse

T.HebbekerGravitationswellen: direkte Suche

GEO600 Hannover

B) Michelson-

Interferometer

A) Zylinderantenne

T.HebbekerDas Big-Bang - ModellEinsteins allgemeine Relativitätstheorie

AstrophysikalischeBeobachtungen+Der Raum expandiert

Anfang: „Big Bang“=

Hintergrundstrahlung

Rotverschiebung

Chemie

T.HebbekerEvolution des UniversumsExpansionsgeschwindigkeit gegeben durch:

• Hubble-Konstante (kinetische Energie Expansion)

• mittlere Massendichte (potentielle Energie Kontraktion) Gravitation!

nicht genau bekannt==Ω

kritm ρ

ρ mittlere Massendichte

3/3 mAtomeH −≈kritische Massendichte

Hubble-Konstante

Skalenparameter R:

Abstand zwischen zwei

entfernten Galaxien

T.Hebbeker

Neu

e M

esse

rgeb

niss

e un

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Mod

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Er

weit

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s M

odel

l: Ei

nste

ins

„kos

mol

ogis

che

Kons

tant

e“

Λ„dunkleEnergie“

wirkt abstossend!

T.Hebbeker

Supernovae Typ Ia

= „Standardkerze“

Fluchtgeschwindigkeit

Hel

ligke

itMessung der Expansion

Entfe

rnun

g ~

Alte

r

tvdtvd

logloglog +=⋅=

T.HebbekerBerechnung der Evolution

22

2

)()(

tRMmG

dttRdm N

⋅⋅−=⋅

mit kosmologischer Konstanten :

3/)(tRm ⋅Λ⋅+

22

2

)()(

tRMmG

dttRdm N

⋅⋅−=⋅

consttRtM == )()(3

4 3ρπ

abstossendgrosse

Entferng!

Λ

ohne kosmologische Konstante:

T.HebbekerheutePr

ozes

se im

früh

en U

nive

rsum

a1010

a000300 Atome

Kernemin3

s1010−

Ladungssumme = 0

T.Hebbeker

Nukleosyntheset = 3 min T = 1 000 000 000 K E = 0.1 MeV

2 n + 2 p g He-Kern (stabil)

p = H-Kern (übriggebliebene Protonen)

Schwere Kerne (C, O, U...) entstanden erst in Sternen/Supernovae !

T.Hebbeker

Bildung von Atoment = 300 000 a T = 3000 K E = 0.3 eV

min3 Kerne

He-Kern + 2 e g He-AtomH-Kern + e g H-Atom

Weltall ohne freie Ladung!

Licht kann sich ungehindert ausbreiten!

Universum wird durchsichtig!

kosmische

Hintergrund-

strahlung !

T.HebbekerZusammenfassung

Zunehmende Verzahnung zwischen

Astrophysik und Teilchenphysik: Astroteilchenphysik

„goldenes Zeitalter der Kosmologie“

stark verbesserte und neue Beobachtungstechniken

-> viele spannende Resultate !