T Hebbeker Astrophysik Astroteilchenphysik Kosmologie Thomas Hebbeker RWTH

T. Hebbeker Astrophysik Astroteilchenphysik Kosmologie Thomas Hebbeker RWTH Aachen Seminar SS 2003 -05 -05 1. 0

Erforschung des Universums T. Hebbeker 1) Beobachtung der Teilchen/Strahlung 2) Universum Erde Kosmologie 2) Experimente im Labor 3) Modellbildung

Teilchen/Strahlung aus dem Universum Photon g masselos Z-Boson Z 91 Ge. V W-Boson W+ W - 80 Ge. V Gluon g masselos Graviton G masselos ? ? ? unbekannte Teilchen ? ? ? n e h + A nt lc i e t i T. Hebbeker !

Lerne über Universum und/oder über Teilchen ! Teilchen/Strahlung aus dem Universum Kerne Photon g masselos Z-Boson Z 91 Ge. V W-Boson W+ W - 80 Ge. V Gluon g masselos Graviton G masselos ? ? ? unbekannte Teilchen ? ? ? T. Hebbeker Forderung: stabil, beobachtbar!

Teilchen/Strahlung aus dem Universum Astroteilchenphysik Kerne ? ? ? unbekannte Teilchen ? ? ? Photon Graviton T. Hebbeker g g G E > 1 Ge. V E < 1 Ge. V masselos Astrophysik/ Astronomie Gravitationsphysik

Rate / Energiefluss (primäre Teilchen) solar E extrasolar Rate Photonen ~ e. V Elektronneutrinos ~ Me. V Atmosphäre van-Allan-Gürtel andere Neutrinos ~ Me. V ? ? Kerne (p) ~ ke. V / Ge. V Elektronen ~ ke. V / Ge. V nur wenige geladene ANTIteilchen ! zeitlich gemittelt solar Rate T. Hebbeker

Rate / Energiefluss (primäre Teilchen) T. Hebbeker Sternoberfläche solar E Photonen ~ e. V Elektronneutrinos ~ Me. V Atmosphäre van-Allan-Gürtel andere Neutrinos ~ Me. V ? ? extrasolar Rate zeitlich gemittelt solar Rate Kerne (p) ~ ke. V / Ge. V Elektronen ~ ke. V / Ge. V Kernfusion im Sternzentrum Sonnenwind Supernovae

Inhalt • Einleitung • Beobachtungen 1) Astronomie/Astrophysik 2) Astroteilchenphysik 3) Gravitationsphysik • Kosmologie 1) Evolution des Kosmos 2) Prozesse im frühen Universum T. Hebbeker

1) 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“ T. Hebbeker rasante Fortschritte: • Satelliten (HST) • adaptive/aktive Optik Nachbargalaxie • Interferometrie „Andromeda“ (HST) 37 Millionen Lj 2„Whirlpool“ Millionen Lichtjahre Hubble Space Telescope HST „deep field“ bis zu 10 Milliarden Lichtjahre „Whirlpool“ (HST) Blick in die Vergangenheit! 37 Millionen Lj

Supernovae Ia T. Hebbeker Explosion wenn Masse kritischen Wert erreicht! „Standardkerzen“ Helligkeit: gleich groß Entfernungsbestimmung Zeitskala: einige Wochen

Gamma Ray Burster mysteriöse kurze (Sekunden - Tage) hochenergetische Ausbrüche „Nachglühen“ (sichtbares Licht) 10 ke. V – 100 Me. V extragalaktisch ? Quellen ? Energie ? M i l c h s t r a s s e T. Hebbeker

Quasare - Jets -AGNs. . . T. Hebbeker Astro-Monster-Katalog: • Quasare = Quasi Stellar Radio Source • Jets (aus Galaxien) • AGN = Active Galactic Nuclei • Seyfert-Galaxien • Blazars HST: M 87 in Virgo Vermutung: im Prinzip alle gleich! Zentrum: schwarzes Loch

Die kosmische Hintergrundstrahlung T. Hebbeker Penzias, Wilson 1965 Mikrowellenstrahlung aus allen Richtungen COBE = „schwarzer Körper“ mit T = 2. 7 K Kleine Temperaturunterschiede 1995

Die Chemie des Universums Vor der Sternbildung: 75 % Wasserstoff T. Hebbeker Am Ende des Sternenlebens: 25 % (Masse) Helium Wir bestehen aus Sternenasche !

Rotverschiebung der Galaxien T. Hebbeker Doppler-Effekt: Hubble 1929: Universum expandiert nm

T. Hebbeker T = 2. 7 K Das heutige Universum Materie: • Galaxien mit je Sternen • dunkle Materie Strahlung: • Sternenlicht • Hintergrundstrahlung H, He

Inhalt • Einleitung • Beobachtungen 1) Astronomie/Astrophysik 2) Astroteilchenphysik 3) Gravitationsphysik • Kosmologie 1) Evolution des Kosmos 2) Prozesse im frühen Universum T. Hebbeker

2) Astroteilchenphysik • Geladene Strahlung Eigenschaften Nachweis Höchste Energien • Neutrinos aus Supernovae solare andere • hochenergetische Photonen Eigenschaften Nachweis T. Hebbeker

Geladene Strahlung T. Hebbeker primär (p, Kerne) sekundär Entdeckung: V. Hess 1912

Eigenschaften geladener Strahlung T. Hebbeker Chemie (bei kleinen Energien): 87% p, 12% He, 1% Rest Energie. Spektrum: Supernovae ? E/e. V !

Nachweis primärer geladener Strahlung I I) direkt: Detektoren an Ballon oder in Satelliten bis max. 100 Te. V (Rate!) JACEE = Japanese-American Collaborative Emulsion Exoeriment T. Hebbeker

Nachweis primärer geladener Strahlung II II) indirekt (Luftschauer): • Detektor-Arrays (Szintillatoren) (ab 50 Te. V): geladene Teilchen • Cerenkov-Strahlung • Fluoreszenzstrahlung (ab 10 Te. V) Fly‘s Eye T. Hebbeker

Kosmische Teilchen bei höchsten Energien T. Hebbeker primäre kosmische Agasa Array (Japan): Teilchen mit (kin. ) Energie = Tennisball ! wurden nachgewiesen ! Erzeugung im Weltall: unverstanden! ungehinderter „Transport“: „unmöglich“ 1993 wegen Wechselwirkung mit Hintergrundstrahlung:

Antimaterie im Universum ? T. Hebbeker Ja ! Positronen, Antiprotonen. . . = Sekundärprodukte von Teilchenkollisionen Gibt es schwere Anti-Kerne im Universum (aus dem Urknall) ? Bisher kein Antihelium. . . gefunden

Neutrinos aus dem Universum aus Supernovae: SN 1987 A (Magellansche Wolke) HST 1996 aus der Sonne (s. u. ) aus anderen kosmischen Quellen (s. u. ) T. Hebbeker

Solare Neutrinos (~ Me. V) T. Hebbeker Nur ~ 50% werden auf Erde nachgewiesen! ? Licht: Chemie: Homestake-Mine Superkamiokande ~ 1 / Tag !

Extrasolare hochenergetische Neutrinos Methode: (Cerenkov) Photomultiplier Amanda, Südpol, Eis 500 m Amanda: T. Hebbeker noch keine Neutrino-Quellen gefunden. . .

Hochenergetische Gamma-Strahlung T. Hebbeker nur wenige Quellen identifiziert crab nebula (= SNR 1054) synchrotron compton

Nachweis von Gamma-Strahlung Luftschauer, Cerenkov-Strahlung): T. Hebbeker (ab 50 Ge. V) HESS Namibia

Inhalt • Einleitung • Beobachtungen 1) Astronomie/Astrophysik 2) Astroteilchenphysik 3) Gravitationsphysik • Kosmologie 1) Evolution des Kosmos 2) Prozesse im frühen Universum T. Hebbeker

3) Gravitationsphysik T. Hebbeker nu r. L ei ic s de ht/R r. G ad io ra m vi es ta su tio ng ns en ef fe , k kt ei e! n di re kt er • Dunkle Materie • Gravitationslinsen • Gravitationswellen • indirekter Nachweis Na Bi sh ch w er • direkte Suche

Dunkle Materie T. Hebbeker Rotationsgeschwindigkeit v(r) Spiralgalaxie via Doppler-Effekt: = dunkle Materie v(r) ist Maß für eingeschlossene Masse ! etwa 10 mal mehr dunkle als leuchtende Materie !

Gravitationslinsen T. Hebbeker HST Einstein-Ringe VLA

Gravitationswellen Vorhersage: Einstein 1918 Enstehung im Universum : Urknall Supernovae zwei verschmelzende Neutronensterne Nachweis: schwierig wegen kleiner Leistung/Amplitude: Erde um Sonne: P = 200 W Supernova in Milchstrasse: auf Erde T. Hebbeker

Gravitationswellen: indirekter Nachweis /s Doppelpulsar PSR 1913+16: Erde Umlaufzeit und Abstände nehmen ab wegen Abstrahlung von Gravitationswellen Entdecker: Taylor und Hulse T. Hebbeker

Gravitationswellen: direkte Suche T. Hebbeker B) Michelson. Interferometer GEO 600 Hannover A) Zylinderantenne

Inhalt • Einleitung • Beobachtungen 1) Astronomie/Astrophysik 2) Astroteilchenphysik 3) Gravitationsphysik • Kosmologie 1) Evolution des Kosmos 2) Prozesse im frühen Universum T. Hebbeker

Das Big-Bang - Modell Einsteins allgemeine Relativitätstheorie + = Astrophysikalische Beobachtungen Der Raum expandiert Anfang: „Big Bang“ Hintergrundstrahlung Rotverschiebung Chemie T. Hebbeker

Evolution des Universums T. Hebbeker Expansionsgeschwindigkeit gegeben durch: • Hubble-Konstante (kinetische Energie • mittlere Massendichte (potentielle Energie mittlere Massendichte kritische Massendichte Hubble-Konstante Skalenparameter R: Abstand zwischen zwei entfernten Galaxien Expansion) Kontraktion) Gravitation! nicht genau bekannt

Erweitertes Modell: Einsteins „kosmologische Konstante“ Neue Messungen T. Hebbeker „dunkle Energie“ wirkt abstossend!

Inhalt • Einleitung • Beobachtungen 1) Astronomie/Astrophysik 2) Astroteilchenphysik 3) Gravitationsphysik • Kosmologie 1) Evolution des Kosmos 2) Prozesse im frühen Universum T. Hebbeker

heute Prozesse im frühen Universum T. Hebbeker Atome Kerne Ladungssumme = 0

T. Hebbeker Nukleosynthese t = 3 min T = 1 000 000 K 2 n + 2 p = He-Kern p = H-Kern E = 0. 1 Me. V (stabil) (übriggebliebene Protonen) Schwere Kerne (C, O, U. . . ) entstanden erst in Sternen/Supernovae !

T. Hebbeker Bildung von Atomen t = 300 000 a T = 3000 K E = 0. 3 e. V Kerne He-Kern + 2 e = He-Atom H-Kern + e = H-Atom Weltall ohne freie Ladung! kosmische Licht kann sich ungehindert ausbreiten! Hintergrund- Universum wird durchsichtig! strahlung !

Zusammenfassung Zunehmende Verzahnung zwischen Astrophysik und Teilchenphysik: Astroteilchenphysik stark verbesserte und neue Beobachtungstechniken -> viele spannende Resultate ! -> interessante Seminarvorträge ! T. Hebbeker

ANHANG T. Hebbeker

Messung der Expansion T. Hebbeker Helligkeit Entfernung ~ Alter Supernovae Typ Ia = „Standardkerze“ Fluchtgeschwindigkeit

Berechnung der Evolution T. Hebbeker ohne kosmologische Konstante: mit kosmologischer Konstanten abstossend : grosse Entferng!