Dunkle Materie und dunkle Energie

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1 Dunkle Materie und dunkle Energie Franz Embacher Fakultät für Physik der Universität Wien Vortrag am Vereinsabend von ANTARES NÖ Astronomen St. Pölten,

2 Die Bestandteile Woraus besteht das Universum? } Sterne, Planeten, Galaxien Staub Gas elektromagnetische Strahlung (Licht, Radar-, UV-, Röntgen- und Gammastrahlung, kosmische Hintergrundstrahlung = CMB) Neutrinos...? normale ( baryonische ) Materie

3 Die normale Materie Baryonische Materie besteht aus den bekanntesten Elementarteilchen (Protonen, Neutronen, Elektronen, ) Baryonen Leptonen Normale Materie wechselwirkt mit Photonen (Licht-Teilchen) leuchtet Kernkräfte ( starke und schwache Kraft) Gravitationskraft (Schwerkraft) Bildet Atomkerne, Atome ( Chemie), Sterne und Planeten

4 Andromeda-Galaxie xxx xxx Xxx xxx xxx

5 Hubble Deep Field xxx xxx Xxx xxx xxx

6 alle Galaxien xxx xxx Xxx xxx xxx

7 Schwerkraft Die Schwerkraft dominiert alle bekannten Kräfte über große Entfernungen. Sie hält Galaxien zusammen ( Bindungskraft ) und bestimmt ihre Dynamik.

8 Unstimmigkeiten Bereits seit den 1930er Jahren traten Unstimmigkeiten auf: 1932 Jan Hendrik Oort: Die Scheibe der Milchstraße ist dünner als aus der Schwerkraft der beobachteten Materie erklärbar Fritz Zwicky: der Coma-Galaxienhaufen kann nicht durch die Schwerkraft seiner sichtbaren Bestandteile zusammengehalten werden Vera Rubin: Rotationskurven

9 Rotationskurven Geschwindigkeiten einzelner, weit draußen um eine Galaxie kreisender Sterne Aus dem Newtonschen Gravitationsgesetz folgt: M r v v = G M r 4-fache Entfernung halbe Geschwindigkeit

10 Rotationskurven Theoretische Erwartung: v r normiert auf Radius = 1, v(rand) = 1

11 Beobachtung Rotationskurve der Galaxie NGC 3198 v (km/s) flache Rotationskurve r (kpc)

12 Beobachtung Erklärung? Halo aus Materie, die man nicht sieht!

13 Dunkle Materie Galaktischer Halo, der nicht leuchtet, aber 90% der gesamten Masse der Galaxie enthält! Es gibt weitere Hinweise auf die dunkle Materie

14 Gravitationslinsen Gravitationslinse Galaxy Cluster erlauben eine genauere Bestimmung der Massen von Galaxienhaufen Bestätigung

15 Kosmologische Argumente: CMB-Fluktuationen Jahre nach dem Urknall zu große Inhomogenitäten (Strahlungsdruck)! T T =

16 Kosmologische Argumente: CMB-Fluktuationen xxx xxx Xxx xxx xxx

17 Kosmologische Argumente: Strukturbildung Computersimulationen Galaxien fallen in die Potentialtöpfe der dunklen Materie Zur Bildung der heutigen Strukturen (Galaxien und Galaxienhaufen) war nicht genügen Zeit außer, es gibt dunkle Materie!

18 Galaxienzählungen

19 Kosmologische Argumente: Primordiale Nukleosynthese Entstehung der Elemente im Urknall und ihre Verteilung im Universum 75% Wasserstoff 25% Helium + wenig andere Elemente Kernphysik kann die Verteilung der Elemente unter der Annahme erklären, dass nur etwa ein Fünftel der im Universum vorhandenen Materie der baryonisch ist! Daher scheiden die offensichtlichsten Kandidaten (ausgebrannte Sterne, braue Zwerge, = MACHOs ) aus!

20 Eigenschaften der dunklen Materie Dunkle Materie wechselwirkt mit dem Rest des Universums (fast?) nur über die Schwerkraft ist nicht baryonisch, also keine normale Materie ist überwiegend nichtrelativistisch ( cold dark matter, CDM) kann bei einem Gravitationskollaps keine Energie abstrahlen und daher nicht zu kleinen kompakten Objekten ( Sternen ) kondensieren

21 Woraus besteht die dunkle Materie? Und woraus besteht sie? Wir wissen es nicht! Neutrinos ( hot dark matter, HDM)? Zu wenige, zu schnell! Materie in einem Paralleluniversum? Würde kondensieren! Schwach wechselwirkende Teilchen (WIMPs) Supersymmetrie (leichtestes supersymmetrisches Teilchen) wird vielleicht am LHC entdeckt!? Axionen? wird vielleicht am LHC entdeckt!?

22 Doch damit nicht genug Die dunkle Energie Was ist das Vakuum? Könnte es eine Energiedichte besitzen? Kosmologische Kontante (Einsteins größte Eselei ) Aus den Grundgleichungen der Kosmologie folgt: Eine nichtverschwindende (positive) Energiedichte des Vakuums beschleunigt die Expansion! Dies war jahrzehntelang eine rein theoretische Spekulation, bis

23 Weltmodelle Expansion des Universums Kosmologisches Prinzip: das Universum ist auf großen Skalen homogen und isotrop (zumindest näherungsweise erfüllt). Auf großen Skalen wird das Universum gleichmäßig aufgeblasen. Skalenfaktor a(t) = Rotverschiebung des Lichts z = λ beobachtet λ emittiert λ emittiert Entfernung zur Zeit t Entfernung heute a = z

24 Weltmodelle Materiedominiertes Universum a t t Mrd Jahre

25 Weltmodelle a t 1.0 Universum mit Vakuumenergiedichte t Mrd Jahre

26 Wie kann ein Weltmodell überprüft werden? Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation D Mpc Vakuumdominiertes Modell: Energiedichte des Vakuums = 73% der gesamten Energiedichte Materiedominiertes Modell: Energiedichte des Vakuums = 0 c Linearer Bereich: D = z H z

27 Wie kann ein Weltmodell überprüft werden? Supernovae vom Typ Ia als Standardkerzen Doppelsternsystem weißer Zwerg Materiefluss Zündung bei Erreichen einer kritischen Masse Supernovae dieses Typs sind alle (ungefähr) gleich hell!

28 Beobachtung von Supernovae vom Typ Ia D Mpc Supernova-Daten (seit 1998) z

29 Richtungs-Korrelationen in der Hintergrundstrahlung Bestimmung des Anteils der Materie an der kritischen Dichte des Universums

30 Das heutige Standardmodell der Kosmologie Energieinhalt des Universums: 73% dunkle Energie 27% Materie und Strahlung: 23% dunkle Materie Energie = Masse c 2 4% gewöhnliche (baryonische) Materie: 0.5% leuchtend 3.5% nicht leuchtend 0.3% Neutrinos 0.005% Photonen (v. a. Hintergrundstrahlung)

31 Das heutige Standardmodell der Kosmologie Energieinhalt des Universums: 0.5 % sichtbar 3.5 % dunkel 27 % dunkel 0.3 % Neutrinos 73 % dunkel baryonische Materie nicht-baryonische Materie dunkle Energie (kosmologische Konstante)

32 Danke Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Diese Präsentation finden Sie im Web unter Antares2011/

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