Urknall und Dunkle Energieüber. des Universums. Dunkle Energie Ein kosmisches Raetsel

Transkript

1 Urknall und Dunkle Energieüber Anfang und Ende des Universums Dunkle Energie Ein kosmisches Raetsel

2 Expansion des Universums Der Raum zwischen den Galaxienhaufen dehnt sich aus. Früher war das Universum dichter, und heisser. Zurückverfolgung der Einstein schen schen kosmologischen Gleichungen : Urknall, extrem heisser Feuerball! Bis ca Jahre nach dem Urknall : heisses Plasma aus Protonen, Elektronen und Strahlung

3 Signale des Urknalls Hintergrundstrahlung Fiat lux ( Jahre nach Urknall) Primordiale Elementsynthese (Nucleosynthese) Beginn der Chemie ( 10 Minuten ab )

4 Primordiale Häufigkeiten der leichten Elemente aus der Nukleosynthese Baryondichte A.Coc WMAP

5 Präzise Bestätigung tigung unseres Verständnisses der Physik und Kosmologie Beispiel : auch vor 13.7 Milliarden Jahren hatten die Konstanten der Physik die ( fast ) gleichen Werte

6 typische mögliche Werte der Variation der Feinstrukturkonstanten: α/α ( z=10 10 ) = GUT 1 α/α ( z=10 10 ) = GUT 2 C.Mueller,G.Schaefer,

7 Anteil der Atome an der Energiedichte des Universums Ω b =4.5 % Aus Nukleosynthese, Kosmischer Hintergrundstrahlung

8 Baryonen/Atome SDSS ~60,000 von >300,000 Galaxien Staub Ω b =0.045 Nur 5 Prozent unseres Universums bestehen aus bekannter Materie!

9 Abell 2255 Cluster ~300 Mpc

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11 Woraus besteht unser Universum?

12 Quintessenz! Feuer, Luft, Wasser, Erde!

13 Zusammensetzung des Universums Ω b = 0.05 Ωdm= = 0.2 Ω h = 0.75

14 ρ c =3 H² H M² Kritische Dichte Kritische Energiedichte des Universums ( M : reduzierte Planck-Masse, M -2 =8 π G ; H : Hubble Parameter ) Ω b =ρ b /ρ c Anteil der Baryonen an der (kritischen) Energiedichte

15 Materie : Alles, was klumpt

16 Dunkle Materie Ωm = 0.25 Materie insgesamt Die meiste Materie ist dunkel! Bisher nur durch Gravitation spürbar Alles was klumpt! Gravitationspotential

17 Gravitationslinse,HST

18 Lichtstrahlen werden durch Massen abgelenkt

19 Gravitationslinse,HST

20 Dunkle + baryonische Materie : Alles was klumpt! Ω = 0.25 m

21 Räumlich flaches Universum Ω = 1 tot Theorie (Inflationäres Universum ) Ω tot tot = x Beobachtung ( WMAP ) Ωtot =1.02 (0.02)

22 Foto des Urknalls

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24 Wilkinson Microwave Anisotropy Probe A partnership between NASA/GSFC and Princeton Science Team: NASA/GSFC Chuck Bennett (PI) Michael Greason Bob Hill Gary Hinshaw Al Kogut Michele Limon Nils Odegard Janet Weiland Ed Wollack Brown Greg Tucker UBC Mark Halpern UCLA Ned Wright Chicago Stephan Meyer Princeton Chris Barnes Norm Jarosik Eiichiro Komatsu Michael Nolta Lyman Page Hiranya Peiris David Spergel Licia Verde

25 Anisotropie der Hintergrundstrahlung Mittelwerte Ω tot =1.02 Ω m =0.27 Ω b = o 1 o Winkel Ω dm =0.225

26 Ωtot=1

27 Dunkle Energie Ω + X = 1 m Ω : 25% m Ω : 75% Dunkle Energie h h : homogen, oft auch Ω Λ statt Ω h

28 Dunkle Energie : homogen verteilt

29 Vorhersagen für Kosmologie mit Dunkler Energie Die Expansion des Universums beschleunigt sich heute!

30 Abstand Perlmutter 2003 Zeit

31 Rotverschiebung z Riess et al Supernova Ia Hubble-Diagramm

32 Strukturbildung Aus winzigen Anisotropien wachsen die Strukturen des Universums Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen Ein primordiales Fluktuationsspektrum beschreibt alle Korrelatonsfunktionen!

33 Strukturbildung : Ein primordiales Fluktuationsspektrum CMB passt mit Galaxienverteilung Lyman α und Waerbeke Gravitationslinsen- Effekt!

34 Zufall und Gesetz Einfachheit und Komplexität

35 Konsistentes kosmologisches Modell!

36 Zusammensetzung des Universums Ω b = 0.05 sichtbar klumpt Ω dm = 0.2 unsichtbar Ω h = 0.75 unsichtbar klumpt homogen

37 Dunkle Energieein kosmisches Rätsel Dunkle Energie Ein kosmisches Raetsel

38 Was ist die dunkle Energie? Kosmologische Konstante oder Quintessenz?

39 Kosmologische Konstante Konstante λ verträglich mit allen Symmetrien Zeitlich konstanter Beitrag zur Energiedichte Warum so klein? λ/m 4 = Warum gerade heute wichtig?

40 Kosm. Konst. Quintessenz statisch dynamisch

41 Kosmologische Massenskalen Energie - Dichte ρ ~ ( ev ) - 4 Reduzierte Planck Masse M= GeV Newton s Konstante GN=(8πM²) ) Nur Verhältnisse von Massenskalen sind beobachtbar! homogene dunkle Energie: ρ h /M 4 = ¹²¹ Materie: ρ m /M 4 = ¹²¹

42 Zeitentwicklung ρ m /M 4 ~ a ³ a ~ t ² t 3/2 Materie dominiertes Universum Strahlungsdominiertes Universum ρ r /M 4 ~ a 4 a ~ t -2 Strahlungsdominiertes Universum Grosses Alter kleine Grössen Gleiche Erklärung rung für dunkle Energie?

43 Quintessenz Dynamische dunkle Energie, vermittelt durch Skalarfeld (Kosmon) Vorhersage : Ein Teil der Energie- dichte des heutigen Universums liegt als homogen verteilte ( dunkle) Energie vor. C.Wetterich,Nucl.Phys.B302(1988) B.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)L17,

44 Skalarfeld Φ (x,y,z,t) Ähnlich wie elektrisches Feld Aber : keine Richtung ist ausgezeichnet (kein Vektor )

45 Fundamentale Wechselwirkungen Starke,elektromagnetische,schwache Wechselwirkung Auf astronomischen Skalen: Graviton + Gravitation Kosmodynamik Kosmon

46 Kosmologische Gleichungen

47 Quintessenz wird heute wichtig

48 Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden?

49 Wieviel dunkle Energie gab es im frühen Universum?

50 Eigenschaften der Dunklen Energie betimmen die Zukunft des Universums Vorhersagbarkeit für die nächsten 100 Milliarden Jahre

51 Näher an den Urknall Je näher an den Urknall, desto höherher die Temperatur und Energie der Teilchen Physik bei hohen Energien weniger gut bekannt Ab Sekunden ab : Im wesentlichen bekannte Physik (Quark Gluon Plasma wird experimentell getestet, detaillierte Eigenschaften nicht zentral für unser Bild der Kosmologie. )

52 Wir verfügen über zuverlässiges Wissen über die Entwicklung des Universums seit den ersten Sekunden!

53 Elektroschwacher Phasenübergang Sekunden ab Physik noch nicht hinreichend bekannt. Neue Beschleuniger : LHC

54 Inflationäres Universum Ca Sekunden ab Entstehung der primordialen Fluktuationen aus Quantenfluktuationen Signale vom Urknall!

55 Spekulative Physik.. Zusätzliche Raumdimensionen Superstringtheorien Kosmologie vor dem Urknall Multiversum

56 Chancen der Verifizierung? Es fehlt vereinheitlichte Theorie aller Wechselwirkungen! Dennoch : Beobachtungen geben Aufschluss über extreme frühe Epochen der kosmologischen Entwicklung!

57 Zusammenfassung Physik des Universums in wesentlichen Zügen bekannt von Sekunden ab bis 3 Milliarden Jahre ab. Vorhersagen über Zukunft benötigen quantitatives Verständnis der Dunklen Energie Frühes Universum : Elementarteilchenphysik

58 Vereinheitlichung aller Wechselwirkungen Ω m + X = 1 Superstrings Zusätzliche Dimensionen Fundamentaler Ursprung der Massenskalen? Ω m : 25% Ω h : 75% Dunkle Energie

59 Ende

60 WMAP 2006 Polarisation