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KVHS Northeim 2025 : Astronomie - eine Reise durch Raum und Zeit

Mikro- und Makrostrukturen unseres Universums

Überblick

Die Mikrostrukturen unseres Universums klassifizieren die fundamentale Teilchen und ihre Wechselwirkungen als physikalischen Bausteine der RaumZeit unseres Kosmos.
Die Mikrostrukturen bilden die Grundlage der darauf aufbauenden makroskopischen kosmischen Strukturen.

Mikrostrukturen unseres Universums

1. Grundbausteine der Materie (Elementarteilchen)

Diese Teilchen sind die fundamentalen Bestandteile, aus denen alles besteht. Sie sind (nach heutigem Stand) unteilbar.

1.1 Fermionen (Materieteilchen)

Fermionen folgen der Fermi-Dirac-Statistik und dem Pauli-Prinzip - sie können nicht denselben Quantenzustand einnehmen.

a) Quarks (Bildung von Hadronen wie Protonen und Neutronen)

• Up-Quark (u)
• Down-Quark (d)
• Charm-Quark (c)
• Strange-Quark (s)
• Top-Quark (t)
• Bottom-Quark (b)

Proton = 2 Up + 1 Down,
Neutron = 1 Up + 2 Down

Eigenschaften:

• besitzen "Farbe" (Quantenzahl in der Quantenchromodynamik)
• können nicht isoliert auftreten (Confinement)
• interagieren über die starke Wechselwirkung

b) Leptonen (Teilchen mit geringer Masse)

• Elektron ($e^-$)
• Myon ($\mu^-$)
• Tau ($\tau^-$)
• Neutrinos: Elektron-Neutrino ($\nu_e$), Myon-Neutrino ($\nu_{\mu}$), Tau-Neutrino ($\nu_{\tau}$)

Eigenschaften:

• interagieren nicht über die starke Wechselwirkung
• Neutrinos haben extrem kleine Massen und kaum Wechselwirkungen

1.2 Bosonen (Wechselwirkungsträger)

Bosonen vermitteln die fundamentalen Kräfte. Sie folgen der Bose-Einstein-Statistik.

a) Photon ($\gamma$) - Vermittler der elektromagnetischen Kraft

• masselos
• Reichweite: unendlich
• verantwortlich für Licht, Elektrizität, Magnetismus

b) Gluonen (g) - Vermittler der starken Wechselwirkung

• 8 Typen
• halten Quarks in Protonen/Neutronen zusammen
• wirken nur auf Teilchen mit "Farbe"

c) $W^+$, $W^-$, $Z^{\circ}$-Bosonen - Vermittler der schwachen Wechselwirkung

• massereich (80-90 GeV)
• verantwortlich für radioaktiven Zerfall
• ermöglichen Umwandlung von Neutronen in Protonen

d) Higgs-Boson

• entdeckt 2012
• gibt Teilchen durch den Higgs-Mechanismus Masse
• Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld bestimmt Masse

e) Graviton (hypothetisch)

• postuliert als Träger der Gravitation
• noch nicht nachgewiesen

2. Wechselwirkungen (Grundkräfte)

Die vier fundamentalen Kräfte bestimmen alle physikalischen Vorgänge.

Kraft	Vermittler	Reichweite	Wirkung
Gravitation	Graviton (hyp.)	unendlich	Anziehung von Massen
Elektromagnetismus	Photon ($\gamma$)	unendlich	Ladungen, Licht, Magnetismus
Starke Wechselwirkung	Gluonen (g)	sehr kurz (1 fm)	Zusammenhalt von Atomkernen
Schwache Wechselwirkung	$W^+$, $W^-$, $Z^{\circ}$	sehr kurz (0.001 fm)	Beta-Zerfall, Kernfusion

3. Zusammengesetzte Teilchen

Diese entstehen aus Quarks und/oder Leptonen.

3.1 Hadronen

• Baryonen: 3 Quarks (z. B. Proton, Neutron)
• Mesonen: Quark + Antiquark (z. B. Pionen)

3.2 Atome

• Kern (Protonen + Neutronen)
• Hülle (Elektronen)

Physik: Quantenmechanik (Orbitale, Energieniveaus)

3.3 Moleküle

• Zusammenschluss mehrerer Atome über chemische Bindungen

Makrostrukturen unseres Universums

4. Makroskopische Materie

4.1 Planeten, Sterne, Monde

• bestehen aus kondensierter Materie
• unterliegen Gravitation, Thermodynamik

4.2 Schwarze Löcher

• extrem komprimierte Masse (Singularität)
• Ereignishorizont: Grenze ohne Wiederkehr

4.3 Galaxien

• Zusammenschluss von Milliarden Sternen
• Gravitation bestimmt Dynamik

4.4 Galaxienhaufen

• Gruppen von hunderten bis tausenden Galaxien, die gravitativ gebunden sind
• Enthalten grosse Mengen heisses Gas und dunkle Materie
• Bekannte Galaxienhaufen: Virgo-Haufen, Coma-Haufen, Perseus-Haufen

4.5 Superhaufen

• Ansammlungen von mehreren Galaxienhaufen
• Beispiele:
  • Laniakea-Superhaufen (unsere Milchstrasse gehört dazu!)
  • Shapley-Superhaufen - einer der massereichsten bekannten

4.6 Grosse Leere und Voids

• Voids sind riesige, fast leere Regionen zwischen den Filamenten
• Beispiel: Boötes-Leere - eine gigantische, fast sternenlose Region

4.7 Die Sloan-Grosse-Wand

• Eine riesige Mauer aus Galaxien, ca. 1.4 Milliarden Lichtjahre lang
• Eine der grössten bekannten Strukturen im Universum

4.8 Die Grosse Mauer von Hercules-Corona Borealis

• Die grösste bekannte Struktur des Universums, ca. 10 Milliarden Lichtjahre gross!

4.9 Der Grosse Attraktor

• Eine mysteriöse, massereiche Region, die unsere Galaxie und viele andere anzieht
• Liegt im Centaurus-Haufen, etwa 250 Millionen Lichtjahre entfernt

Die grossen Strukturen im Universum sind gigantische, zusammenhängende Systeme aus Galaxien, Gas und dunkler Materie. Sie zeigen, dass das Universum nicht gleichmässig, sondern in einer netzartigen Struktur verteilt ist - dem sogenannten kosmischen Netz.

4.10 Das kosmische Netz

• Das Universum besteht aus Filamenten (dichten Regionen mit Galaxien), Voids (leere Bereiche) und Superhaufen
• Entstanden durch die Gravitation nach dem Urknall

5. Dunkle Materie

• Unsichtbare, aber gravitativ wirkende Materie
• macht 27 % der Gesamtmasse-Energie des Universums aus
• keine elektromagnetische Wechselwirkung $\rightarrow$ unsichtbar
• nur durch Gravitation nachweisbar (z. B. durch Rotationskurven von Galaxien)
• mögliche Kandidaten: WIMPs, Axionen

6. Dunkle Energie

• macht etwa 68 % des Gesamtenergie Universums aus
• wirkt als "antigravitative" Kraft $\rightarrow$ beschleunigt Expansion des Universums
• Natur unbekannt, beschrieben durch kosmologische Konstante (Λ) in Einsteins Gleichungen

7. Raum-Zeit

• Das Universum besteht aus Raum und Zeit (Raumzeit), die durch die
  Allgemeine Relativitätstheorie (ART) beschrieben wird:
  4D-Kontinuum: 3 Raumdimensionen + 1 Zeitdimension
• durch Masse/Energie gekrümmt $\rightarrow$ Gravitation (Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie)
• Der Urknall vor etwa 13,8 Milliarden Jahren markiert den Beginn des Universums.
• Quantengravitation noch ungelöst

8. Felder

Jedes Teilchen ist eine Anregung eines zugrunde liegenden Feldes.

Feld	Teilchen
Elektrisches Feld	Elektron
Quantenchromodynamik-Feld	Gluonen, Quarks
Higgs-Feld	Higgs-Boson

9. Kosmologische Bestandteile (nach aktuellen Messungen)

• Normale (baryonische) Materie: 5 %
• Dunkle Materie: 27 %
• Dunkle Energie: 68 %

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