Die dunkle Seite des Universums
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- Willi Rosenberg
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1 Die dunkle Seite des Universums Dunkle Materie und dunkle Energie Julian Merten Institut f ur Theoretische Astrophysik Zentrum f ur Astronomie Universit at Heidelberg Ravensburg, 26. Juni 2009 Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 1 / 40
2 Eine zunächst phantastische Geschichte Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 2 / 40
3 Eine zunächst phantastische Geschichte Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 2 / 40
4 Ein Ausblick auf 90 dunkle Minuten Ein kurzer Blick auf die moderne Kosmologie Dunkle Materie Warum brauchen wir sie? Wie können wir sie beobachten? Woraus besteht sie? Dunkle Energie Große Kerzen und ein beschleunigtes Universum. Der kosmische Mikrowellenhintergrund. Was ist dunkle Energie? Zukünftige Experimente Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 3 / 40
5 Kosmologie Kosmologie beschreibt das Universum als Ganzes. Wie ist es entstanden? Woraus besteht es? Wie hat es sich entwickelt? Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 4 / 40
6 Kosmologie Kosmologie beschreibt das Universum als Ganzes. Wie ist es entstanden? Woraus besteht es? Wie hat es sich entwickelt? Eine der altesten Fragen der Menschheit. Wir suchen nach einem Weltmodell. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 4 / 40
7 Kosmologie Kosmologie beschreibt das Universum als Ganzes. Wie ist es entstanden? Woraus besteht es? Wie hat es sich entwickelt? Eine der ältesten Fragen der Menschheit. Wir suchen nach einem Weltmodell. Ein florierender Teilbereich der Astrophysik. Nobelpreise 2002 und Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 4 / 40
8 Kosmologie Kosmologie beschreibt das Universum als Ganzes. Wie ist es entstanden? Woraus besteht es? Wie hat es sich entwickelt? Eine der altesten Fragen der Menschheit. Wir suchen nach einem Weltmodell. Ein florierender Teilbereich der Astrophysik. Nobelpreise 2002 und Verlangt nach vielf altigen Beobachtungen. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 4 / 40
9 Ein modernes Weltmodell Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 5 / 40
10 Ein modernes Weltmodell Allgemeine Relativitätstheorie Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 5 / 40
11 Ein modernes Weltmodell Allgemeine Relativitätstheorie Symmetrieannahmen Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 5 / 40
12 Ein modernes Weltmodell Allgemeine Relativitätstheorie Symmetrieannahmen Die Dynamik des Universums H 2 + K a 2 = 8πGρ 3 Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 5 / 40
13 Ein modernes Weltmodell Allgemeine Relativitätstheorie Symmetrieannahmen Die Dynamik des Universums H 2 + K a 2 = 8πGρ 3 Eine Beschreibung des Universums H 0, Ω b, Ω m, Ω r, Ω Λ, K, σ 8, n s Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 5 / 40
14 Eine direkte Konsequenz: Kosmologische Rotverschiebung Die ältesten uns bekannten Objekte: GRB z = Milliarden Jahre QSO SDSS J z = ,8 Milliarden Jahre Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 6 / 40
15 Eine wichtige Entdeckung Weit entfernte Galaxien bewegen sich von uns weg. Diese Flucht nimmt zu umso größer die Entfernung zu uns ist. Direkter Hinweis auf die Expansion des Universums. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 7 / 40
16 Kosmologische Beobachtungen Kosmische Expansion Mikrowellenhintergrund Strukturentstehung Entstehung der Elemente Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 8 / 40
17 Das Kosmologische Standardmodell ΛCDM Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 9 / 40
18 Das Kosmologische Standardmodell Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 10 / 40
19 Warum dunkle Materie? Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 11 / 40
20 Historisches 1933 Fritz Zwicky Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 12 / 40
21 Historisches 1933 Fritz Zwicky Ermittelte die Masse der Galaxien im Coma Galaxienhaufen. Diese war deutlich höher als ihre Helligkeit vermuten ließ. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 12 / 40
22 Historisches 1933 Fritz Zwicky Ermittelte die Masse der Galaxien im Coma Galaxienhaufen. Diese war deutlich höher als ihre Helligkeit vermuten ließ. Damals nahm diese Beobachtung niemand wirklich ernst. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 12 / 40
23 Rotationskurven Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 13 / 40
24 Rotationskurven Jahrzehnte sp ater wurde Zwicky doch best atigt. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 13 / 40
25 Rotationskurven Jahrzehnte sp ater wurde Zwicky doch best atigt. Beobachtungen von Sternen und Wasserstoffwolken in Galaxien ergeben: Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 13 / 40
26 Rotationskurven Jahrzehnte sp ater wurde Zwicky doch best atigt. Beobachtungen von Sternen und Wasserstoffwolken in Galaxien ergeben: Das passt nicht zur Erwartung: Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 13 / 40
27 Rotationskurven Jahrzehnte sp ater wurde Zwicky doch best atigt. Beobachtungen von Sternen und Wasserstoffwolken in Galaxien ergeben: Das passt nicht zur Erwartung: Es muss eine zus atzliche Massenkomponente geben. Diese Komponente leuchtet nicht. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 13 / 40
28 Galaxienhaufen: Die Fakten Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 14 / 40
29 Galaxienhaufen: Die Fakten Galaxienhaufen sind die massereichsten durch ihre Gravitation gebundenen Objekte, die wir kennen. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 14 / 40
30 Galaxienhaufen: Die Fakten Galaxienhaufen sind die massereichsten durch ihre Gravitation gebundenen Objekte, die wir kennen. Sie enthalten viele Hunderte Galaxien. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 14 / 40
31 Galaxienhaufen: Die Fakten Galaxienhaufen sind die massereichsten durch ihre Gravitation gebundenen Objekte, die wir kennen. Sie enthalten viele Hunderte Galaxien. Sie zählen zu den stärksten Quellen von Röntgenstrahlung im Universum. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 14 / 40
32 Galaxienhaufen: Die Fakten Galaxienhaufen sind die massereichsten durch ihre Gravitation gebundenen Objekte, die wir kennen. Sie enthalten viele Hunderte Galaxien. Sie zählen zu den stärksten Quellen von Röntgenstrahlung im Universum. Es gibt mehrere Methoden ihre Gesamtmasse zu bestimmen: Bewegung der Galaxien. Helligkeit des beobachteten Röntgenlichts. Der Gravitationslinseneffekt. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 14 / 40
33 Der Gravitationslinseneffekt Die Grundlage des Effekts ist Einstein s Allgemeine Relativitätstheorie. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 15 / 40
34 Der Gravitationslinseneffekt Die Grundlage des Effekts ist Einstein s Allgemeine Relativitätstheorie. Sehr massereiche Objekte krümmen die Raumzeit. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 15 / 40
35 Der Gravitationslinseneffekt Die Grundlage des Effekts ist Einstein s Allgemeine Relativitätstheorie. Sehr massereiche Objekte krümmen die Raumzeit. Diese Krümmung beeinflusst den Weg eines Lichtstrahls. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 15 / 40
36 Der Gravitationslinseneffekt Die Grundlage des Effekts ist Einstein s Allgemeine Relativitätstheorie. Sehr massereiche Objekte krümmen die Raumzeit. Diese Krümmung beeinflusst den Weg eines Lichtstrahls. Die Bilder von Objekten wirken verzerrt. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 15 / 40
37 Der Gravitationslinseneffekt Die Grundlage des Effekts ist Einstein s Allgemeine Relativitätstheorie. Sehr massereiche Objekte krümmen die Raumzeit. Diese Krümmung beeinflusst den Weg eines Lichtstrahls. Die Bilder von Objekten wirken verzerrt. Sehr verschiedene Objekte können als Gravitationslinse fungieren. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 15 / 40
38 Galerie berühmter Linsen Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 16 / 40
39 Ein besonderes Beispiel Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 17 / 40
40 Unser Teilcheninventar Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 18 / 40
41 Unser Teilcheninventar Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 18 / 40
42 Unser Teilcheninventar Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 18 / 40
43 Unser Teilcheninventar Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 18 / 40
44 Alternative Nachweismethoden Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 19 / 40
45 Alternative Nachweismethoden Indirekter Nachweis Direkter Nachweis Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 19 / 40
46 Produktion dunkler Materie: Der LHC Der größte Teilchenbeschleuniger der Welt. Protonen kollidieren mit praktisch Lichtgeschwindigkeit. Der Tunnel in der Nähe von Genf hat einen Umfang von 27 km. Mehr als Forscher und Ingenieure arbeiten an dem 5 Milliarden Euro Projekt. Eines der Ziele ist zur Aufklärung des Rätsels dunkler Materie beizutragen. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 20 / 40
47 Produktion dunkler Materie: Der LHC Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 21 / 40
48 Produktion dunkler Materie: Der LHC In diesen Detektoren w urde dunkle Materie durch ein Defizit in der Energiebilanz nachgewiesen werden. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 22 / 40
49 Eine ganz andere Art des Experiments: Simulationen Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 23 / 40
50 Warum dunkle Energie? Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 24 / 40
51 Supernovae Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 25 / 40
52 Supernovae Supernovae sind gigantische Sternexplosionen. Ihre Helligkeit kann kurzzeitig die einer ganzen Galaxie u bersteigen. Nur ein Bruchteil der Energie wird in Form von Licht ausgestrahlt. Es gibt verschiedene Arten von Supernovae. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 25 / 40
53 Supernovae vom Typ Ia: Standardkerzen Ein weißer Zwerg umrundet einen anderen Stern. Mit der Zeit nimmt der weiße Zwerg immer mehr Masse auf. Er ist lediglich bis zu einer Masse von 1,44 Sonnenmassen stabil und explodiert, falls er diese Grenze u berschreitet. Aufgrund dieser Tatsache geht man davon aus, dass bei einer SNIa immer die gleiche Menge Energie freigesetzt wird. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 26 / 40
54 Und wieder eine wichtige Entdeckung Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 27 / 40
55 Und wieder eine wichtige Entdeckung Die j ungeren Standardkerzen erscheinen dunkler als sie sein sollten. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 27 / 40
56 Beschleunigte Expansion: Dunkle Energie Den Auslöser einer beschleunigten Expansion nennen wir dunkle Energie. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 28 / 40
57 Natürlich ist das nicht alles: Eine kleine Geschichte 1965 Arno Penzias und Robert Wilson (Bell Telephone Labs). Richtungsunabhängiger Mikrowellenuntergrund. Alle möglichen Quellen in der Umgebung (inkl. Taubennester in der Antenne) wurden ausgeschlossen. Als Wissenschaftler im nahen Princeton davon hörten, wussten sie sofort, was entdeckt wurde teilten sich Penzias und Wilson den Nobelpreis für Physik. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 29 / 40
58 Was hatten sie entdeckt Fakten: Jahre nach dem Urknall. z = 1100 Altestes astronomisches Objekt. Temperatur damals: 3000 K Temperatur heute: 2,725 K Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 30 / 40
59 Der erste Satellit: COBE Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 31 / 40
60 Strukturen am Himmel: WMAP Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 32 / 40
61 Strukturen am Himmel Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 33 / 40
62 Können wir das verstehen? Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 34 / 40
63 Können wir das verstehen? Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 34 / 40
64 Was ist dunkle Energie? 1. Möglichkeit: Grundannahmen richtig 2. Möglichkeit: Grundannahmen falsch Zusätzliche Komponente. Spezielle Eigenschaften um die Expansion zu erklären. Kandidaten: Vakuumenergie Dynamisches skalares Feld. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 35 / 40
65 Was ist dunkle Energie? 1. Möglichkeit: Grundannahmen richtig 2. Möglichkeit: Grundannahmen falsch Zusätzliche Komponente. Spezielle Eigenschaften um die Expansion zu erklären. Kandidaten: Vakuumenergie Dynamisches skalares Feld. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 35 / 40
66 Was ist dunkle Energie? 1. Möglichkeit: Grundannahmen richtig 2. Möglichkeit: Grundannahmen falsch Zusätzliche Komponente. Spezielle Eigenschaften um die Expansion zu erklären. Kandidaten: Vakuumenergie Dynamisches skalares Feld. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 35 / 40
67 Zukünftige Experimente Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 36 / 40
68 Planck Kourou, 14. Mai 2009 Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 37 / 40
69 LSST (Das große synoptische Himmelsdurchmusterungsteleskop) Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 38 / 40
70 Zusammenfassung 1 Die moderne Kosmologie versucht ein m oglichst einfaches Weltmodell zu erstellen, muss sich aber nach den Beobachtungen richten. 2 Rotationskurven in Galaxien und der Gravitationslinseneffekt legen die Existenz dunkler Materie nahe, ihre wirkliche Natur ist aber noch unklar. 3 Noch weniger verstanden ist dunkle Energie, sie ist aber notwendig um die beschleunigte Expansion des Universums zu erkl aren 4 Verschiedene Experimente werden in Zukunft dazu beitragen einige dieser R atsel aufzukl aren. Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 39 / 40
71 Vielen Dank f ur Ihre Aufmerksamkeit Julian Merten (ZAH/ITA) Das Dunkle Universum astronomia Ravensburg 40 / 40
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