Kosmologie und Strukturbildung
Cosmology and Structure Formation

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.

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

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

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.

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

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