Kosmologie. Astroteilchenphysik Astronomie. Teilchenphysik. Elementarteilchen. Urknall. Dunkle Materie, was ist das?

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1 Dunkle Materie, was ist das? Kosmologie 13.7 billion years 95% of energy in universe of unknown nature Astroteilchenphysik Astronomie 10 2 s Teilchenphysik Elementarteilchen s s Urknall Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

2 Literatur 1. Vorlesungs-Skript/Folien: 2. Matts Roos: An Introduction to Cosmology Wiley, 3th Edition, Lars Bergström and Ariel Goobar: An Introduction to Cosmology Springer, 2nd Edition, Bernstein: An Introduction to Cosmology Prentice Hall, 1995 Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

3 Literatur Populäre Bücher: Weinberg: Die ersten drei Minuten Silk: A short history of the universe Hawking: A brief History of Time Fang and Li: Creation of the Universe Parker: Creation Vindication of the Big Bang Ledermann und Schramm: Vom Quark zum Kosmos Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

4 Literatur Bibel der Kosmologie: Börner: The early Universe Kolb and Turner: The early Universe Gönner: Einführung in die Kosmologie Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

5 Temperaturentwicklung des Universums Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

6 Hubble mit dem 2.5m Teleskop in Palomar (CA) (ca. 1920) und der heutige Hubble Space Telescope (HTS) Palomar, Kalifornien, USA Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

7 Sloan Sky Survey: ⅓ million galaxies Doppler Verschiebungen -> Geschwindigkeiten der Galaxien Universum: Galaxien 1 Galaxie: Sterne Unsere Galaxie ist hier Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

8 Das Universum (entdeckt von Hubble vor ca. 80 Jahren!) Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

9 Hubblesche Gesetz: v=hd A d1 C d2 B Ballon wird um Skalenfkt S A aufgebläht, d.h. Abstände S x so groß D1 B C D2 D1= v1 t=sd1 D2=v2 t=sd2 D2/D1=v2/v1=d2/d1 v2=(v1/d1) v2=d2/t Oder v=hd (H=1/t) Je weiter die Galaxien voneinander entfernt sind, je schneller fliegen sie aus einander: v=hd (v=geschwindigkeit zwischen 2 Galaxien auf Abstand d, H=Hubblesche Konstante=Expansionsrate) Dies ist das Hubblesche Gesetz und wurde bestätigt. Gesetz gilt nur wenn es einen Urknall gab. Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

10 Altersabschätzung des Universum S 1/T t 2/3 d=vt oder t=d/v 1/H Zeit der Ausdehnung Alter des Universums 13,7 Milliarden Jahre Richtige Antwort: τ 0 =1/H 0, τ uni =2/3 τ 0 t uni 1/H 0 13, a, da durch Vakuumenergie nicht-lineare Terme im Hubbleschen Gesetz auftreten (entsprechend abstoßende Gravitation). Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

11 Vakuumenergie abstoßende Gravitation Vakuumenergie and cosmological constant both produce repulsive gravity equivalent! Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

12 Wie groß ist das (sichtbare) Universum? Licht ist die schnellste Kommunikation (Lichtgeschwindigkeit c), so ein Lichtstrahl kann maximal 13,7 Milliarden Lichtjahre zurückgelegt haben. Dies entspricht einem Abstand D=ct= m/s x Jahre x 3,15 x10 7 s/jahr= ca m Dieses sichtbare Teil ist vermutlich ein sehr kleiner Teil unseres Universums Zum Vergleich: unsere Galaxie ist ca m groß, Das sind ca Lichtjahre. Raumschiff mit Lichtgeschwindigkeit braucht also Jahre um durch unsere Galaxie zu fliegen! Es ist gut möglich, dass es schon sehr viel ältere Universen gibt, denn vermutlich gab es viele Big Bangs Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

13 Viele interessante Filme auf Youtube Hier Link für Hubble Film: echnorati.com/videos/youtube.com%2fwatch%3fv%3dhvaptl E7Csc&feature=player_embedded Hier Link für Redshift: &eurl= m%2fwatch%3fv%3dfhfnqboacv0 Hier Link für Dopplershift: Fv%3DMan9ulEYSgk Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

14 Dunkle Materie, was ist das? Kosmologie 13.7 billion years 95% of energy in universe of unknown nature Astroteilchenphysik Astronomie 10 2 s Teilchenphysik Elementarteilchen s s Urknall Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

15 Schwarzkörperstrahlung: ein Thermometer des Universums Erwarte Plancksche Verteilung der CMB mit einer Temperatur T= 2.7 K, denn T 1/S 1/1+z. Entkoppelung bei T=3000 K, z=1100. T jetzt also 3000/1100 =2.7 K Dies entspricht λmax 2 mm (Mikrowellen) Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

16 Bell Labs (1963) Penzias and Wilson Nobel prize 1967 Observing the Cosmic Microwave Background (CMB) COBE satellite (1992) WMAP satellite (2003) Mather and Smooth Nobel prize :WMAP: universe is flat, which implies an energy density ρ critical = g/cm 3 Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

17 Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

18 Licht des frühen Universums sichtbar als kosmischer Hintergrundstrahlung (CMB) Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

19 Dichtefluktuationen zeigen Wellencharakter, sowohl im Ozean als in der CMB Blick vom Satelliten auf die Erde Blick vom Satelliten ins Universum WMAP Temperatur des Universum: 2.725±0,001K mit kleinen Schwankungen von einigen μk durch akustische Wellen im Plasma des Urknalls Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

20 Entwicklung des Universums Early Universe The Cosmic screen Present Universe Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

21 Die ersten akustischen Wellen des Urknalls a) Gas wird durch Gebiete mit Überdichte angezogen dunkel Verdünnung Verdichtung hell dunkel Verdünnung b) Es expandiert nach Kompression durch Überhitzung hell Verdichtung dunkel Verdünnung hell Verdichtung c) Es komprimiert wieder nach Abkühlung Diese oszillierende Dichteschwankungen SIND akustische Wellen Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

22 Akustische Wellen SIND Dichteschwankungen Moderne Flöte Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

23 Klang des Urknalls nach Jahren (transponiert um 50 Oktaven nach oben) Click for sound acoustic Mark Whittle Beachte: am Anfang gab es keinen Knall, sondern absolute Ruhe! non-acoustic A 220 Hz Lineweaver 2003 Frequency (in Hz) Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

24 A broad note sounds quite different from a pure tone The difference seems greatest for the lowest note. Single tone Pure sine wave Spread of tones ~200 Hz range Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

25 Warum sind Töne des Urknalls so tief? WEIL DAS UNIVERSUM SO GROß IST! Mark Whittle Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

26 Licht wird gekrümmt wenn Energiedichte 0 Nach Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie: Licht wird in einem Gravitationsfeld abgebogen. This picture made Einstein famous Stars Sun Mond Moon Earth Nur wenn die gesamte Gravitationsenergie gleich Null, bewegt sich Licht auf gerade Linien ( flat universe ) Beachte: wenn Masse des Sterns so groß ist, dass Licht gefangen wird, dann hat man ein schwarzes Loch. Entsteht nur wenn Stern ausgebrannt ist und Masse auf ein kleines Volumen zusammenstürzt (nach Supernovae Explosion) Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

27 Position des ersten akustischen Peaks bestimmt Krümmung des Universums Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

28 Berechnung der kritische Dichte nach Newton M m v Dimensionslose Dichteparameter: Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

29 Schlussfolgerungen aus Beobachtungen der kosmischen Hintergrundstrahlung (CMB=Cosmic Microwave background) Das Universum war am Anfang unglaublich heiss (wegen der hohen Intensität der heutigen CMB: 400 Photonen/cm 3 ) Position des ersten akustischen Peaks zeigt: Licht geht gerade aus, d.h. keine gekrümmte Bahnen, d.h. Gesamtenergiedichte entspricht kritische Dichte von ca g/cm 3 Dies ist MEHR als die bekannte Materie, die nur 4% der kritischen Dichte ausmacht! Daher 96% der Energie ist unbekannter Natur!!!! Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

30 Energieinhalt des Universums Nur Atome gut verstanden, d.h. 96% der Energie des Universums völlig unbekannt! Dark Energy sind Quantenfluktuationen? WIMP=Weakly Interacting Massive Particle Cold Dark Matter sind supersymmetrische Partner der Photonen? LHC wird diese produzieren? Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

31 Atomic content of the Universe 2% atoms 4% atoms 8% atoms Mark Whittle Low pitch Long wavelength High pitch Short wavelength Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

32 Warum akustische Wellen im frühen Universum? Definiere: δ=δρ/ρ F=ma P Newton: F=ma δ``+ (Druck-Gravitation) δ=0 F G Lösung: Druck gering: δ=ae bt, d.h. exponentielle Zunahme von δ (->Gravitationskollaps) Druck groß: δ=ae ibt, d.h. Oszillation von δ (akustische Welle) Rücktreibende Kraft: Gravitation Antreibende Kraft: Photonendruck Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

33 Entdeckung der DM in 1933 von Zwicky ( ) Center of the Coma Cluster by Hubble space telescope Dubinski Zwicky beobachtete in 1933 dass Galaxien im Coma Cluster sich mit Geschwindigkeiten oberhalb der Fluchtgeschwindigkeit bewegten, wenn es nur sichtbare Materie gibt. Schlussfolgerung: ca. 90% der Masse besteht aus dunkler Materie! Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

34 Dunkle Materie, was ist das? Kosmologie 13.7 billion years 95% of energy in universe of unknown nature Astroteilchenphysik Astronomie 10 2 s Teilchenphysik Elementarteilchen s s Urknall Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

35 SUSY Shadow World One half is observed! One half is NOT observed! Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

36 Vorhergesagte Teilchen der SUPERSYMMETRIE Symmetrie zwischen Fermionen Bosonen (Matter particles) (exchange particles) = WIMP SUSY Massen: GeV! Leichteste Supersymmetrische Teilchen stabil, schwer und schwach wechselw. Exzellenter Kandidat für DM LSP meistens photinolike in MSSM DM ist SUSY-Partner der CMB Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

37 Gauge Coupling Unification in SUSY Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

38 Indirekte Suche nach Dunkler Materie Annihilationsprodukte Dunkler Materie: Gamma rays (EGRET, FERMI) Positronen (PAMELA) Antiprotonen (PAMELA) e+ + e- (ATIC, FERMI, HESS, PAMELA) Neutrinos (Icecube, no results yet) e-, p ertrinken in kosmischer Strahlung Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

39 G.F cm 2 sr Exposure > 3 yrs dp/p 2 ~ TV, p rejection = 10-5 (ECAL +TRD); Δx=10µm; Δt=100ps Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

40 AMS to be launched in 2010 AMS Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

41 AMS on ISS Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

42 The AMS superconducting Magnet at CERN (2008) He Tank Coils Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

43 Magnet inside vacuum tank Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

44 Current Status (May 2009) The magnet is at 1.7 K The system is fully leaktight to superfluid helium The magnet is being commissioned and other detector components will be integrated in Flight to ISS Note: all components have been integrated in2008 in spare vacuum vessel and have been thoroughly tested. They worked as expected. Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

45 The Alpha Magnetic Spectrometer on ISS AMS Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

46 Model of AMS-02 on ISS Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

47 Dunkle Materie, was ist das? Kosmologie 13.7 billion years 95% of energy in universe of unknown nature Astroteilchenphysik Astronomie 10 2 s Teilchenphysik Elementarteilchen s s Urknall Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,

48 Zum Mitnehmen a) Der Urknall experimentell bewiesen u.a. durch die Hubble Expansion der Galaxien mit v=hd die kosmische Hintergrundstrahlung aus dem frühen Universum mit akustischen Peaks des Urknalls, d.h. man hat den Urknall gehört. b) Große Fragen der Kosmologie und Teilchenphysik: Woraus besteht 95% der unbekannte Energie des Universums? (dunkle Materie, dunkle Energie,.) Antworten erhofft vom LHC und Raumfahrtexperiment AMS Prof. W. de Boer, Karlsruhe Lehrerfortbildung,