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Vermessung des Universums Rotverschiebung und
Distanzen von Galaxien
Max Camenzind
Senioren Akademie
Heidelberg @ 2014
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• Aristoteles trennt Physik in „Himmel und Erde“.
• 1543: Heliozentrisch Erde rotiert, nicht die Fixsternsphäre, aber immer noch Kreisbahnen.
• 1687: Newton führt Gravitationskraft ein gültig im ganzen Universum, noch statisch.
• Seit 1920: Teleskope erweitern den Horizont.
• 1924: Hubble bestimmt Distanz zu Andromeda.
• 1922/1927: Geburt expandierendes Universum
• 2004: Hubble Ultra-deep Field Blick ins Universum bis 13 Mrd. Jahre zurück.
Meilensteine der Kosmologie
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• Wie messe ich die Distanzen zu den nächsten Galaxien, Andromeda/LMC? 1924 von Edwin Hubble entschieden / 2011 nachgemessen.
• Wie messe ich Distanzen zu Galaxien? kosmische Eichkerzen m–M = 5log(d/10 pc) RR Lyrae, Cepheiden und Supernovae Ia.
• Was ist kosmische Rotverschiebung? Hubble-Gesetz der Raum expandiert.
• Wie bestimme ich die Hubble-Konstante?
• Welche Bedeutung hat die Hubble-Konstante?
• Kosmische Distanzen Supernovae Ia
• Der Cosmic Web – Filamente, Haufen, Voids.
Distanzen und Rotverschiebung
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Distanzen von Galaxien
• Geometrische Distanzen (selten möglich, z.B. Supernova 1987A).
• Standard-Kerzen: d² = L / 4p f
• Distanzmodul: µ = m – M = 5 log(d/10 pc)
• (i) RR-Lyrae Sterne (~ 0,5 Sonnenmassen), Riesensterne der Spektralklasse A, F, Pulsationsveränderliche (h Bereich)
• (ii) Delta Cephei Sterne ( < 20 Mpc, seit 1912)
• (iii) hellste Sterne (nicht gut definiert)
• (iv) Tully-Fisher Relation für Scheibengalaxien
• (v) Supernovae vom Typ Ia ( z < 2, seit 1990 )
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Die Leuchtkraft-Distanz r Strahlung durch Fläche bleibt konstant
f = L / 4p r²
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• Parallaxe: < 500 pc (Hipparcos), < 100 kpc (GAIA)
• Spektroskopische Parallaxe (über Distanzmodul): 10 kpc
• RR Lyrae Sterne (70 LS): < 100 kpc, Kugelsternhaufen
• Cepheiden (10.000 LS): < 30 Mpc, Virgohaufen
• Typ Ia Supernovae (1 Mrd. LS): < 10.000 Mpc, z < 2
GAIA
Kosmische Distanz-Leiter
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Der Kugelsternhaufen Messier 55
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Massereiche Sterne
entwickeln sich
Richtung Riesenast
Massearme Sterne
sind immer noch
auf der Hauptreihe
Turn-off Punkt
Horizontal-Ast
RR Lyr
FH Diagramm Kugelsternhaufen M 55
RR Lyrae Sterne
<MV> = 0,65 mag
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RR Lyrae Sterne in Messier 3
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Stellare
Pulsation Instabilitäts-
streifen im HRD
Leu
ch
tkra
ft
Zeit
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Distanz zu LMC ?
mo = 18,5 +/- 0,1
(d = 50 kpc, +- 10%)
Cepheiden-Eichung
Fundamentale Limitierung der lokalen Werte von Ho
Frage wird mit GAIA
gelöst werden!
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Leavitt-Law Cepheiden 2012
Freedman et al. 2012
d = 49,6 kpc
µSN87A = 18,55 +/- 0,05 mag
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SN Ia als Standard-Kerzen
SNe werden so hell wie das Zentrum der Galaxie SN 1994D CO Weißer Zwerg
an Chandrasekhar
Massengrenze
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MB = -19,31 mag für SN Ia
d = 16,7 Mpc uncorrected
mB = 11,8 mag
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Typische
SN Ia
Lichtkurven-
Breite
(Streckung)
Maximale
Helligkeit
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Maximale
Helligkeit
Lichtkurve
Breite
(stretch)
Farbe (c)
csm BBB m )1(M
Typische
SN Ia
Methode
der
Kalibration
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B. D
ilda
y
500 spektroskopisch bestätigte SNe Ia von SDSSII
Supernovae Ia sind hell !
Moderne Standardkerzen
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SDSS SN Ia in Redshift Space
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• Weißer Zwerg akkretiert H vom Roten Riesen
• H fusioniert stetig zu He Bildung einer Heliumhülle
• Massenzunahme bis Chandrasekhargrenze Explosion
Akkretion auf WZ SN Ia
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Hubble-Gesetz mit Supernovae
• H0 ist die “Hubble Konstante”,
• H0 = 63 +/- 6
km/s/Mpc
Calán-Tololo Daten 1989 - 1995
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Distanzen im lokalen Universum
• Expansion ist linear, d.h. es gilt das
Hubble-Gesetz
• v = cz = H0·D
• Verwende Distanz-Modulus
• µ = m - M = 5 log(D/10 pc)
• Hubble-Konstante aus ‘Standard Kerzen’ (M=const.)
• m = 5 log(z) + b
• b = M + 25 – 5 log([c/H0] / Mpc)
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Typ Ia SNe gute Standardkerzen z<2
2011
Conley et al. 2011
Satelliten HST EUCLID, …
Wichtig: Fehler bleibt
konstant mit z !
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Abweichungen vom Hubble-Gesetz kosm. Expansion
z = 1
z = 2
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Entdeckung – 1998 ! Hat Europa geschlafen ?
Nobelpreis in Physik 2011 !
Supernova Cosmology Project
Mark Philips
Hi z Supernova Team
Nobelpreisträger 2011
2006
2011
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WFIRST / NASA
1,5 m Spiegel
Finanzierung ?
Supernovae Programme > 2012
LSST / 8-m Survey Tel Chile
250.000 SNe Ia/Jahr
Überwachung SHimmel 5 d
ESA M-Mission
Start 2019
MPIA HD, Bonn, MPIeX Garching
Dark Energy Survey Chile > 2012
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Future prospects
• Cosmic microwave background radiation
– Distribution of dark matter at early times
• Distribution of galaxies
– Some clues to distribution of matter
• Galaxy velocities
– Galaxies fall towards dark matter clumps
• Gravitational lensing
The Dark Energy Survey CTIO Blanco / 5000 Quadratgrad / 2012 - 2017
Survey 300 Mio. Galaxien | 3000 Supernovae
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Dark Energy Survey | 570 MPixel GBytes pro Bild | 400 Bilder pro Nacht TBs
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ESA/EUCLID
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Wir sind
scheinbar
im Zentrum
des
Universums
r = 0
Jede
Kugel-
Schale:
r = const
Kugel-
schalen
expandieren
mit der Zeit
r a(t)r
Photosphäre
Universum
3000 K
2,725 K
Galaxien-
Sphäre
Big Bang
Das Beobachtbare Universum ist endlich
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Ph
oto
sph
äre
Un
iversu
m
C
MB
Alter des Universums in Mrd. Jahren
Stra
hlu
ngs-S
ph
äre
381.000 a 0
r = 0
?
Das Universum ist
isotrop Sphären Je weiter entfernt umso jünger
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Michael S Turner
Das Moderne Universum
Du
nkle
Mate
rie
Du
nkle
En
erg
ie
Infl
ati
on
… ruht auf drei Säulen Jede bedeutet neue Physik!
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Sonne mit Universum
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„Grand Universe“ by Antifan-Real
Künstlerische Annäherung
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Der Mikrowellenhintergrund isotrop
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Penzias & Wilson 1965
1978
Kosmisches Rauschen
zu Temperatur von 5 K
COBE: T0 = 2,725 K
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Kosmische Hintergrundstrahlung – CMB 1965-2012
Die ältesten Photonen
im Universum
2009 - 2012 Planck
Entdeckten das Nachglühen vom
Big Bang.
3,0 K Rayleigh-Jeans
Schwarzer Körper 2,725 K,
Entdeckte Strukturen
(Anisotropien) im Nachglühen.
Winkelskala ~ 7° im Bereich
ΔT/T ~ 10-5
(Wilkinson Microwave Anisotropy
Probe): Anisotropien auf
Winkelskala ~ 14’
Resultate WMAP7 2011
Parameter des Universums
Winkelskala ~ 5’,
ΔT/T > 2x10-6, 30 - 867 GHz
Resultate ~ 2013 erwartet
Zum ersten Male sub-mm!
1989-1992
2001-2010
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Lokale Gruppe bewegt sich
gegenüber CMB Dipol
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Isotropie der
Photosphäre Penzias & Wilson 1965
COBE 1989-1993 (NASA)
WMAP 2001-2010 (NASA)
Planck 2009-2012 (ESA)
1978 2006 ????
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Fluktuationsgenerator Expansion
Fluktuationsverstärker
Cosmological
functions (z), G(z,k), Ps(k), Pt(k)
(Graphics from Gary Hinshaw/WMAP team)
400
381