Einführung in die moderne Kosmologie für Studenten der Astronomie mit Ergänzungen für Fortgeschrittene zu relativistischer Kosmologie und Neutrino-Kosmologie.
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Vorwort XI
Konstanten, Umrechnungsfaktoren und Symbole XV
1 Ein historischer Abriss kosmologischer Theorien 1
2 Beobachtungen - ein Überblick 3
2.1 Im sichtbaren Licht 4
2.2 In anderen Wellenbereichen 8
2.3 Homogenität und Isotropie 10
2.4 Die Expansion des Universums 10
2.5 Teilchen im Universum 13
2.5.1 Welche Teilchen gibt es? 13
2.5.2 Die thermische Verteilung und das Schwarzkörper-Spektrum 16
3 Newton'sche Gravitation 20
3.1 Die Friedmann-Gleichung 21
3.2 Über die Bedeutung der Expansion 24
3.3 Schneller als das Licht 25
3.4 Die Flüssigkeitsgleichung 25
3.5 Die Beschleunigungsgleichung 27
3.6 Über Masse, Energie und verschwindende (."'-Faktoren 28
4 Die Geometrie des Universums 29
4.1 Die flache Geometrie 29
4.2 Die sphärische Geometrie 30
4.3 Die hyperbolische Geometrie 33
4.4 Unendliche und beobachtbare Universell 34
4.5 Wo fand der Urknall statt? 34
4.6 Die drei Werte von k 35
5 Einfache kosmologische Modelle 38
5.1 Das Hubble-Gesetz 38
5.2 Expansion und Rotverschiebung 39
5.3 Lösen der Gleichungen 41
5.3.1 Materie 41
5.3.2 Strahlung 43
5.3.3 Gemische 44
5.4 Teilchendichten 45
5.5 Die Evolution inklusive Krümmung 46
6 Beobachtbare Parameter 53
6.1 Die Expansionsrate Ho 51
6.2 Der Dichteparameter fl0 53
6.3 Der Abbremsparameter q0 55
7 Die kosmologische Konstante 58
7.1 Die Einfuhrung der kosmologischen Konstante A 58
7.2 Die Flüssigkeitsbeschreibung von A 59
7.3 Kosmologische Modelle mit A 61
8 Das Alter des Universums 64
9 Die Dichte des Universums und die Dunkle Materie 69
9.1 Wie schwer ist das Universum? 69
9.1.1 Sterne zählen 69
9.1.2 Nukleosynthese vorweggenommen 70
9.1.3 Rotationskurven von Galaxien 71
9.1.4 Die Zusammensetzung von Galaxienhaufen 73
9.1.5 Bewegung größerer Gebiete im Universum 74
9.1.6 Die Strukturbildung 75
9.1.7 Die Geometrie des Universums und die Helligkeit von Supernovae 75
9.1.8 Überblick 76
9.2 Was könnte Dunkle Materie bloß sein? 77
9.2.1 Elementarteilchen 77
9.2.2 Kompakte Objekte 78
9.3 Die Suche nach der Dunklen Materie 80
10 Die kosmische Hintergrundstrahlung 83
10.1 Die Eigenschaften der kosmischen Hintergrundstrahlung 83
10.2 Das Verhältnis der Photonenzahl zur Baryonenzahl 85
10.3 Der Ursprung der kosmischen Hintergrundstrahlung 87
10.4 Der Ursprung der kosmischen Hintergrundstrahlung (Fakultative Betrachtung für Fortgeschrittene) 90
11 Das frühe Universum 94
12 Die Nukleosynthese: Der Ursprung der leichten Elemente 101
12.1 Wasserstoff und Helium 101
12.2 Vergleich mit Beobachtungen 104
12.3 Gegenüberstellung von Entkopplung und Nukleosynthese 107
13 Das inflationäre Universum 109
13.1 Probleme der Urknalltheorie 109
13.1.1 Das Flachheitsproblem 109
13.1.2 Das Horizontproblem 111
13.1.3 Häufigkeiten von Reliktteilchen 112
13.2 Die inflationäre Expansion 113
13.3 Die Lösung der Probleme der Urknalltheorie 115
13.3.1 Das Flachheitsproblem 115
13.3.2 Das Horizontproblem 116
13.3.3 Reliktteilchen-Häufigkeiten 117
13.4 Wie viel Inflation? 117
13.5 Die Inflationstheorie und die Teilchenphysik 118
14 Die Anfangssingularität (der Urknall) 122
15 Das Standardmodell der Kosmologie im Überblick 126
15.1 Expansion 126
15.2 Geometrie 127
15.3 Alter 127
15.4 Das Schicksal des Universums 127
15.5 Der Inhalt des Universums 128
15.6 Frühgeschichte des Universums 129
15.7 Ausblick 129
Themen für Fortgeschrittene 131
F1 Relativistische Kosmologie 131
F1.l Die Raumzeit-Metrik 131
F1.2 Die Einsteirischen Gleichungen 133
F1.3 Exkurs: Die Topologie des Universums 135
F2 Klassische Kosmologie: Abstände und Leuchtkräfte 138
F2.1 Lichtausbreitung und Rotverschiebung 138
F2.2 Das beobachtbare Universum 141
F2.3 Die Leuchtkraftentfernung 142
F2.4 Winkelabstand 146
F2.5 Die Statistik beobachteter Quellen 149
F3 Neutrino-Kosmologie 152
F3.1 Masselose Neutrinos 152
F3.2 Massive Neutrinos 154
F3.2.1 Leichte Neutrinos 155
F3.2.2 Schwere Neutrinos 156
F3.3 Neutrinos und Strukrurbilduns 356
F4 Die Baryogenese 159
F5 Strukturen im Universum 363
F5.1 Die beobachteten Strukturen 163
F5.2 Die Gravitationsinstabilitäten 165
F5.3 Die Verteilung der Galaxien 167
F5.4 Anisotropien in der kosmischen Hintergrundstrahlung 169
F5.4.1 Die statistische Beschreibung der Anisotropien 169
F5.4.2 Die Berechnung von C, 171
F5.4.3 Beobachtungen des Mikrowellenhintergrunds 173
F5.4.4 Die räumliche Geometrie 174
F5.5 Der Ursprung der Struktur 175
F6 Einschränkende kosmologische Modelle 179
F6.1 Kosmologische Modelle und Parameter 179
F6.2 Kosmologische Schlüsselbeobachtungen 380
F6.3 Kosmologische Datenanalyse 181
F6.4 Das kosmologische Standardmodell - Ausgabe 2008 183
F6.5 Die Zukunft 385
Bibliographie 187
Lösungen und Tipps zu den Aufgaben 189
Sachregister 195