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Kosmologie und Strukturbildung
Cosmology and Structure Formation

Modul PH2248

Diese Modulbeschreibung enthält neben den eigentlichen Beschreibungen der Inhalte, Lernergebnisse, Lehr- und Lernmethoden und Prüfungsformen auch Verweise auf die aktuellen Lehrveranstaltungen und Termine für die Modulprüfung in den jeweiligen Abschnitten.

Modulversion vom SS 2018 (aktuell)

Von dieser Modulbeschreibung gibt es historische Versionen. Eine Modulbeschreibung ist immer so lange gültig, bis sie von einer neuen abgelöst wird.

verfügbare Modulversionen
SS 2018SS 2017

Basisdaten

PH2248 ist ein Semestermodul in Deutsch oder Englisch auf Master-Niveau das im Sommersemester angeboten wird.

Das Modul ist Bestandteil der folgenden Kataloge in den Studienangeboten der Physik.

  • Allgemeiner Spezialfachkatalog Physik
  • Spezifischer Spezialfachkatalog Kern-, Teilchen- und Astrophysik
  • Spezialisierung im Elitemasterstudiengang Theoretische und Mathematische Physik (TMP)

Soweit nicht beim Export in einen fachfremden Studiengang ein anderer studentischer Arbeitsaufwand ("Workload") festgelegt wurde, ist der Umfang der folgenden Tabelle zu entnehmen.

GesamtaufwandPräsenzveranstaltungenUmfang (ECTS)
300 h 90 h 10 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH2248 ist Mathias Garny.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

Grundlagen der modernen Kosmologie: Friedmann-Robertson-Walker Metrik, Friedmann Gleichungen, Expansion, frühes Universum, störungstheoretische Entwicklung um die homogene Lösung, Kosmische Hintergrundstrahlung (CMB), akkustische Oszillationen, Strukturbildung, Powerspektrum, Einfluss des Neutrinohintergrunds und Neutrinomassen, Ursprung der Dichtefluktuationen und Inflation.

Lernergebnisse

Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden in
der Lage:

  • aktuelle Fragestellungen der Kosmologie zu verstehen
  • die Friedmann-Gleichung zu lösen
  • den Einfluss von Dunkler Materie, Dunkler Energie, und Neutrinos auf
      Anisotropien in der kosmischen Hintergrundstrahlung und
      Strukturbildung zu kennen
  • theoretische Werkzeuge anzuwenden, um die Dynamik des Baryon-Photon
      Plasma im frühen Universum zu berechnen
  • Dichteschwankungen in verschiedenen Epochen (Materiedominiert,
      Strahlungsdominiert) und auf verschiedenen Skalen zu berechnen
  • theoretische Beschreibungen (linearisierte Einsteingleichungen,
      Boltzmanngleichungen, Comptonstreuung) zu verstehen und anzuwenden
  • die Prozesse, welche die beobachteten Temperaturschwankungen in der
      kosmischen Hintergrundstrahlung beeinflussen (Sachs-Wolfe Effekt,
      Doppler, Integrierter SW Effekt), zu verstehen
  • Hinweise auf eine inflationäre Expansion im frühen Universum,
      theoretische Beschreibung von Skalarfeldmodellen und den Ursprung der
      Dichtefluktuationen zu kennen
  • Quantitative Vorhersagen der Inflation zu machen und mit Beobachtungen
      zu vergleichen

Voraussetzungen

Keine Vorkenntnisse nötig, die über die Zulassungsvoraussetzungen zum Masterstudium hinausgehen. Vorkenntnisse in allg. Relativitätstheorie sind hilfreich, aber nicht zwingend erforderlich.

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

ArtSWSTitelDozent(en)Termine
VO 4 Kosmologie und Strukturbildung Garny, M. Mo, 12:00–14:00, PH 3344
Mi, 12:00–14:00, PH 3344
UE 2 Übung zu Kosmologie und Strukturbildung Garny, M. Termine in Gruppen

Lern- und Lehrmethoden

Das Modul besteht aus einer Vorlesung und einer Übung.

In der Vorlesung werden ausgehend von allgemeinen physikalischen Prinzipien (Bewegungsgleichungen durch Variation der Wirkung, Thermodynamik, Boltzmann-Gleichungen) die für die Kosmologie relevanten physikalischen Prozesse systematisch und nachvollziehbar diskutiert und durch Beispiele und einen Überblick über moderne Fragestellungen und Methoden vertieft. Der Vortrag erfolgt hauptsächlich mit Tafelanschrieb.

In der Übung werden anhand von Problembeispielen und (Rechen-)Aufgaben die Lerninhalte vertieft und eingeübt, sodass die Studierenden das Gelernte selbständig erklären und anwenden können.

Medienformen

keine Angabe

Literatur

  • Dodelson, Modern Cosmology
  • Weinberg, Gravitation and Cosmology
  • Kolb, Turner, The early universe
  • Lesgourgues, Pastor, Neutrino cosmology

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

Es findet eine schriftliche Klausur von 60 Minuten Dauer statt. Darin wird exemplarisch das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe durch Rechenaufgaben und Verständnisfragen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

  • Erklärung der physikalischen Prozesse welche für die Strukturbildung und kosmische Hintergrundstrahlung
  • Einfluss von Dunkler Materie, Dunkler Energie, Neutrinos auf Strukturbildung
  • Einfluss verschiedener kosmologischer Parameter auf die kosmische Hintergrundstrahlung
  • Entwicklung von Dichtestörungen in verschiedenen Epochen, relevante Skalen und Prozesse, theoretische Beschreibung
  • Hinweise auf Inflation, Vorhersagen, theoretische Beschreibung
  • Linearisierte Einstein und Boltzmann-Gleichungen, relevante Prozesse, Näherungen
  • Reionisation

Wiederholbarkeit

Eine Wiederholungsmöglichkeit wird am Semesterende angeboten.

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