Dunkle Materie. Kurt Grießer

Transkript

1 Dunkle Materie Kurt Grießer 1

2 Stephen Hawking: Die kürzeste Geschichte der Zeit: Was (wie viel) wissen wir wirklich über das Universum? 2

3 Stephen Hawking: Die kürzeste Geschichte der Zeit: Wieso wissen wir es? 3

4 Prof. H. Lesch in einem Interview 2006: Das größte Problem, das uns Astrophysiker quält, ist die Dunkle Materie. Meinem Dafürhalten nach ist dieses Problem für die Astrophysiker die absolute Katastrophe. Es ist fürchterlich. 4

5 Wieso wissen wir etwas über dunkle Materie? Was wissen wir über dunkle Materie? Woraus besteht Sie? Steht die Astronomie vor einer neuen Revolution? Konsequenzen für die Kosmologie? 5

6 September

7 April

8 August 2010 Dem dunklen Universum auf der Spur 8

9 9

10 Inhalt Teil 1: Wir wissen von Umfang und Verteilung dunkler Materie durch ihre Gravitationswirkung. Teil 2: Diese Entdeckung revolutioniert ein weiteres Mal (4) die Physik und die Astronomie. 10

11 Inhalt Teil 1: Wir wissen von Umfang und Verteilung dunkler Materie durch ihre Gravitationswirkung. Teil 3: Wir wissen (noch) nicht, woraus, aus was für Teilchen die Dunkle Materie besteht. 11

12 Inhalt Teil 1: Wir wissen von Umfang und Verteilung dunkler Materie durch ihre Gravitationswirkung. Teil 4:. Kosmologische Bedeutung der Dunklen Materie 12

13 dunkel? nicht leuchtend Keine elektromagnetische Wechselwirkung 13

14 Leuchtende Materie ist diejenige, die mittels elektromagnetischer Strahlung jeglicher Frequenz beobachtbar ist. d.h. Materie, die aus Protonen, Neutronen (Quarks) und Elektronen besteht. Baryonische Materie. 14

15 Snake 15

16 Pferdekopfnebel 16

17 Infrarot-Aufnahme: Molekül- bzw. Dunkelwolke Banard 68 17

18 Radio-Strahlung 18

19 Wasserstoff. 19

20 Dunkel: Keinerlei Signale durch. elektromagnetische Wechselwirkung jeglicher Frequenz. Nur indirekte Beobachtung möglich, da elektromagnetische Strahlung die einzige Möglichkeit der Datenübermittlung aus dem Kosmos darstellt. 20

21 Feitzinger: (Galaxien und Kosmologie) Dunkle Materie ist Etwas, das zwar Träger von Gravitationskräften ist, aber über elektromagnetische Strahlung direkt nicht nachgewiesen werden kann oder noch nicht nachgewiesen werden konnte. 21

22 Es fällt schwer, die Vorstellung zu akzeptieren, es gäbe Materie, die unsichtbar ist und dennoch alles Sichtbare beeinflussen kann. 22

23 Wasserstoff. Zur dunklen Materie zählen nicht: Exoplaneten lichtschwache Sterne (Braune Zwerge) Schwarze Löcher Gas- oder Staubwolken 23

24 Wasserstoff. Zur dunklen Materie zählt nicht: Die sogenannte baryonische Materie bestehend aus Protonen, Neutronen, Elektronen 24

25 Erste Hinweise Jan Oort ( ) Fritz Zwicky ( ) 25

26 S&T1993//4 26

27 Fritz Zwicky

28 Durchbruch Vera Rubin 1928 Vera Rubin 1950 Dipl. 28

29 Kann aus der Leuchtkraft eines Systems (Galaxie) auf dessen (deren) Masse geschlossen werden? Vera Rubin 1950 Dipl. 29

30 Beweise für Dunkle Materie 1. Rotationsmuster einzelner Spiralgalaxien 2. Hohe thermische Geschwindigkeit von Galaxien in Galaxienhaufen 3. Röntgenblasen in Galaxienhaufen Kollision zweier Galaxien 4. Gravitationslinseneffekt 30

31 Masse, Radius Umlaufsgeschwindigkeit Umlaufsgeschwindigkeit, Radius Masse 31

32 Rotationsmuster unseres Planetensystems Zentrifugalkraft = Gravitationskraft v G Z 32

33 Rotationsmuster unseres Planetensystems Zentrifugalkraft = Gravitationskraft Z v M m G R 33

34 Zentrifugalkraft = Gravitationskraft mv2 mm = G ; R R² v2 GM = : R R² G M v² = R G M R R v2 M = G v = 34

35 47,9 km/s v = v G M R 1 R 35,0 29,8 Kepler -Kurve 24,1 13,1 9,6 6,8 5,4 4,7 35

36 Sind gleiche Überlegungen auch bei Galaxien möglich? 36

37 Radialgeschwindigkeits Rotationsbild M31 Rot: Entfernung Blau: Annäherung Weiß: keine Abstandsänderung 37

38 RadialgeschwindigkeitsRotationsbild M31 Weiß: nur Ortsänderung keine Abstandsänderung Änderung: in Jahren 1/10 Bogensekunde 38

39 39

40 Doppler Sterne bewegen sich von uns weg Maximaler Dopplereffekt Sterne bewegen sich auf uns zu 40

41 Kein Doppler-Effekt messbar Erde 41

42 Zur Berechnung 42

43 v R M 43

44 V² = GM/R V ρ = const M R 44

45 GM v = R 2 4 innen : M = ρ V = ρ π R 3 3 ρ = konst 45

46 GM v = R 2 4 innen : M = ρ V = ρ π R 3 ρ = konst 3 3 G ρ 4 π R 2 2 v = R ; v R Gerade 3R 46

47 V V² = GM/R M: fast die gesamte leuchtende Masse liegt innerhalb von R R 47

48 Kepler - Kurve 48

49 47,9 km/s v = v G M R 1 R 35,0 29,8 Kepler -Kurve 24,1 13,1 9,6 6,8 5,4 4,7 49

50 Wie wird die Geschwindigkeit gemessen? 50

51 Feitzinger S.63 51

52 Doppler - Effekt λ λ v = c λ v = c λ 52

53 Feitzinger S.64 53

54 Kein Doppler-Effekt messbar A+R Folie 54

55 Kein Doppler-Effekt messbar 55

56 Kein Doppler-Effekt messbar Eigenbewegung des Zentrums der Milchstraße 56

57 Eigenbewegung: μ = 5,9 mbs/a R = 7,94 kpc μ R V = 220 km/s M = 3, M V = Rμ 57

58 Vg = 225 km/s Vb = 15 km/s M = v² r / G Mg = 3, M Mb = 1,6 109 M 58

59 Vg = 225 km/s M = v² r / G Vb = 15 km/s Mg = 3, M Mb = 1,6 109 M Prozentualer Anteil der Dunkelmaterie M g Mb Mg Mb = 1 = 1 Mg vb v g 2 = 99,5 % 59

60 60

61 Spektr.d.Wiss. Kosmologie 61

62 blau: H 21-cm-Linie SuW2008/5/37 violett: IR-UVEmisson 62

63 Geschwindigkeitsfeld: rot: vom Beobachter weg blau: auf den Beobachter zu SuW2008/5/37 63

64 SuW2008/5/37 64

65 Sc - Galaxien Sc - Galaxien 9 Rotationskurven Zunehmende Leuchtkraft d.h. zunehmende Masse d.h. zunehmende Umlaufgeschw. VON oben nach unten Spektr.d.Wiss. Kosm. V.R. DM S.69 65

66 Sc - Galaxien Bis jetzt (1990) ist noch keine galaktische Rotationskurve beobachtet worden, die in eine Kepler-Kurve übergegangen ist. Trefil: Fünf Gründe S

67 GM v = R 2 v = konst v2 M = R G M R. 67

68 GM v = R 2 4 v 3 M = π R ρ = R 3 G k1 R 3 ρ = k 2 R 2 v = konst R3 ρ = k R 1 ρ R2 68

69 Trefil: Fünf Gründe 69

70 . S&T2008/8/33 70

71 Projezierte Dichte der Dunklen Materie in einer simulierten Galaxie mit der Größe der Milchstraße. Myriaden von Klumpen aus Dunkler Materie kreisen in dem Halo der Galaxie.. 71

72 Struktur einer Spiralgalaxie früher!! heute Spektr.d.Wiss. Kosmologie 72

73 Weitere Gesetzmäßigkeit: Fluchtgeschwindigkeit Virialsatz 73

74 Virial - Satz In einem gravitativ abgeschlossenen Gebiet ist die potentielle Energie dem Betrage nach gleich der doppelten kinetischen Energie. Epot = 2 Ekin Beispiel: Planetensystem. 74

75 Virial - Satz Gravitationskraft = Zentripedalkraft mm G R2 mm G R mm G R = mv2 R = mv2 = m 2 2 v 2 E pot = 2 E kin. 75

76 Virial - Satz Gravitationskraft G m M / R² = Zentrifugalkraft = G m M/ R = E pot. m v² / R 2* (v² * m/2) = 2 Ekin 76

77 Fluchtgeschwindigkeit bei vorgegebener zentraler Gesamtmasse Gravitationskraft = Zentripedalkraft mm G R2 mm G R mv2 = R = v =. mv2 G M R 77

78 Masse bei vorgegebener Flucht-Geschwindigkeit Gravitationskraft = Zentripedalkraft mm G R2 mm G R mv2 = R = mv 2 M = R v2 G Erforderliche gravitativ wirkende Masse M, einen Körper mit der Geschwindigkeit v im Gravitationsfeld zu halten.. 78

79 Anwendung auf einen Galaxienhaufen 79

80 Galaxienhaufen Wassertropfen Bestandteile Wasser-Moleküle Galaxien Zusammenhalt Oberflächenspannung Schwerkraft Temperatur Wärmebewegung Bewegung der G.. 80

81 Galaxienhaufen Wassertropfen Temperatur Wärmebewegung Bewegung der G. Temperaturzunahme Zusammenhalt nur gewährleistet, wenn Virialsatz erfüllt d.h. wenn v kleiner als die Fluchtgeschwindigkeit ist. Zunahme der W.- Bewegung Tropfen verdampft Mindestmasse erforderlich:. 81

82 Mindestmasse um eine Galaxie mit der Geschwindigkeit v im Haufen zu halten: M. Rv G 2 82

83 M Masse Leuchtkraft aller Einzelgalaxien Rv G 2 Radius R zum Schwerpunkt Geschwindigkeiten aller Einzelgalaxien Obige Bedingung n i c h t erfüllt. 83

84 Spektr.d.Wiss. Kosmologie 84

85 Coma - Haufen S&T2008/8/32 85

86 Galaxienhaufen Coma Haufen Röntgen -Aufnahme (rot) der visuellen Aufnahme überlagert Spektr.d.Wiss. Kosmologie 86

87 Galaxienhaufen Röntgenstrahlung Galaxien Temperatur Geschwindigkeit Masse Wärmebewegung Geschwindigkeit Mindestmasse erforderlich Coma Haufen Mindestmasse nicht erreicht 87

88 Galaxienhaufen Coma Haufen Röntgen -Aufnahme (rot) der visuellen Aufnahme überlagert Spektr.d.Wiss. Kosmologie 88

89 Visuelles Licht Spektr.d.Wiss. Kosmologie Röntgenlicht hohe Temperatur 89

90 2 sich durchdringende Galaxienhaufen 90

91 Spektr.d.Wiss. Kosmologie 91

92 DM Spektr.d.Wiss. Kosmologie 92

93 Rö Spektr.d.Wiss. Kosmologie 93

94 Spektr.d.Wiss. Kosmologie 94

95 I II Gas Gas Gal St Gal St DM DM 95

96 I II Gal St DM Gas Gal St DM 96

97 Dieses Bild hat die Zweifler an der Dunklen Materie auf weniger als 2 % der Astronomen reduziert. So stümperhaft (Kesselflicker) geht man mit einem physikalischen Gesetz nicht um, das über 300 Jahre jeden Test bestanden hat. S&T2008/5/32 97

98 Spiegel 98

99 Spiegel 99

100 Spiegel 100

101 Spiegel 101

102 MACJS NASA 102

103 Spektr.d.Wiss. Kosmologie 103

104 Dunkle Sterne? Antwort: nein Energieabstrahlung durch Infrarot im Frühstadium der Kontraktion nicht möglich. 104

105 Dunkle Galaxien? Antwort: ja VIRGO HI21 Beobachtungstatsachen Rotierende Wasserstoffwolke, Rotationskurven lassen auf eine Massenansammlung in Form einer Galaxie schießen. Masse: 1010 Sonnenmassen davon nur 1 % neutraler Wasserstoff (21cm Linie) Entfernung: 50 Mio Lj keine leuchtenden Sterne feststellbar vorhandene Sterne müssten sichtbar sein.. Internet 105

106 Virgo HI 21. Dunkle Galaxien 106

107 Beobachtungsorte: Arecibo Observatory Cardiff University Wales Westerbork Synthesis Radio Teleskop, Niederlande. Intrenet 107

108 Beobachtungsorte: Arecibo Observatory Cardiff University Wales Westerbork Synthesis Radio Teleskop, Niederlande. Intrenet 108

109 Beobachtungsorte: Arecibo Observatory Cardiff University Wales Westerbork Synthesis Radio Teleskop, Niederlande. Intrenet 109

110 Beobachtungsorte: Arecibo Observatory Cardiff University Wales Westerbork Synthesis Radio Teleskop, Niederlande. Intrenet 110

111 Das allein entscheidende Kriterium für das Vorhandensein von Materie ist nicht ihre Leuchtkraft, sondern ihr Fähigkeit andere Massen anzuziehen. Dunkle Materie ist überall dort zu finden, wo leuchtende Materie sichtbar ist. (Umgebung von Galaxien; zwischen Galaxien in Galaxienhaufen) 111

112 Materie Gravitation Ist die Gravitation gleichsam ein Dogma der Astronomie, das wie die Bibel der Religion oder das Grundgesetz unseres Staates über jeden Zweifel erhabene Gültigkeit beanspruchen kann? 112

113 MOND MOdifizierte Newtonsche Dynamik Gravitationsgesetz 1/r² Dunkle Materie Mordehai Milgram: 1983 Gravitationsgesetz 1/r Keine DM 113

114 MOND Mordechai Milgrom 1987 S&T2007/4/33 114

115 MOND S&T2007/4/31 115

116 MOND Newton m v2 mm = GN 2 ; r r GN M v = r 2 Mi lg rom (e inf ach) : m v2 mm = GM ; r r v 2 = GM M = const 116

117 MOND GN M v = r GM M = vm2 GN r = GM G N > > GM 2 N 117

118 MOND Das Milgram sche Gesetz soll für sehr groß r gelten. r groß GN/GM groß GM sehr klein Bei geschickter Wahl von GM könnte man folgende Ergebnisse erzielen: 118

119 MOND 119

120 MOND S&T2008/8/32 120

121 MOND S&T2007/4/

122 MOND Milrams Vorschlag Nur anwendbar auf kleinere Galaxien (Newton sches Gesetz) nicht anwendbar großräumig (ART) Galaxienhaufen Mikrowellenhintergrund Gravitationslinsen 122

123 Gravitationslinse. 123

124 Gravitationslinse X = 4 G M / (c² d) Winkel x d M = (c² d) * X / 4 G 124

125 Gravitationslinse Abell

126 Diese Ergebnisse stellen erneut eine Revolution in Physik und Astronomie dar. 126

127 Revolution 4 127

128 Revolution 1 Vom geozentrischen zum heliozentrischen Weltbild Kopernikus Galilei Tycho Brahe Kepler Newton

129 Revolution 1 Vom geozentrischen zum heliozentrischen Weltbild Kopernikus an der astronomischen Uhr des Straßburger Münsters

130 Revolution 1 Vom geozentrischen zum heliozentrischen Weltbild Tycho Brahe

131 Revolution 1 Vom geozentrischen zum heliozentrischen Weltbild Galileo Galilei

132 Revolution 1 Vom geozentrischen zum heliozentrischen Weltbild Johannes Kepler

133 Revolution 1 Vom geozentrischen zum heliozentrischen Weltbild Keplersche Gesetze: 1. Planeten bewegen sich auf Ellipsen 2. Flächensatz 3. T²/a³ = const 133

134 Revolution 1 Vom geozentrischen zum heliozentrischen Weltbild Newton m M F = G 2 R 134

135 Isaac Newton Wikipedia 135

136 Revolution

137 Revolution 2 Fixsternsphäre endgültig überwunden Sternanordnung in einer Scheibe 1750 Herschel Sternzählungen linsenförmig; x Lichtjahre Sonne in der Nähe des Zentrums Sonne im Zentrum der Milchstraße 1917 / 1918 Shapley 137

138 Revolution 2 138

139 Revolution 2 139

140 Revolution 3 Einstein 1917: Allgemeine Relativitätstheorie kosmologische Betrachtung: Kosmos ist statisch. 140

141 Revolution 3 Stephen Hawking Die kürzeste Geschichte der Zeit: Im 20. Jahrhundert wandelte sich unser Bild vom Universum. Wir erkannten, wie unbedeutend unser Planet in der Weite des Universums ist; 141

142 Revolution 3 Stephen Hawking Die kürzeste Geschichte der Zeit: Wir entdeckten, dass Raum und Zeit gekrümmt und untrennbar miteinander verschränkt sind, 142

143 Revolution 3 Stephen Hawking Die kürzeste Geschichte der Zeit: Dass das Universum expandiert und einen Anfang in der Zeit hat. 143

144 Revolution 3 Stephen Hawking Die kürzeste Geschichte der Zeit: Die Entdeckung, dass sich das Universum ausdehnt, war eine der großen geistigen Revolutionen des 20. Jahrhunderts 144

145 Revolution 3 5. Oktober 1923, Edwin Hubble: Andromeda - Nebel als Galaxie erkannt Die Milchstraße eine Galaxie wie viele andere 145

146 Revolution 3 Andromeda - Nebel als Galaxie erkannt Die Milchstraße eine Galaxie wie viele andere Ein Mittelpunkt des Kosmos existiert nicht Expansion des Kosmos Urknall Big Bang 146

147 Albert Einstein

148 Revolution 3 Friedmann 1923 Folgerung aus ART: Kosmos kann expandieren aber auch kontrahieren. Keine besondere Beachtung gefunden 148

149 Revolution 3 Friedmann Unsere Kenntnisse sind vollständig ungenügend, um Zahlenrechnungen auszuführen und zu entscheiden, welche Welt unser Weltall ist. 149

150 George Lemaitre Revolution Folgerte aus den Einsteinschen Gln die Expansion des Universums und stellt das Hubble Gesetz auf. 150

151 Revolution 3 151

152 Einstein Revolution Lemaitre Einstein: Lemaîtres Arbeit ist formal korrekt, aber physikalische abscheulich. 152

153 Revolution 3 Lemaitre Spektr..d.Wiss. Kosmologie SuW2006/7 153

154 Revolution 3 Hubble 154

155 Revolution 3 Spektr.d.Wiss. Kosmologie SuW2006/7 155

156 Revolution 3 156

157 Revolution 3 Spektr.d.Wiss. Kosmologie SuW2009/11/54 157

158 Revolution 4 Jan Hendrik Oort 1932 Dicke der Scheibe der Milchstraße Masse der Galaxis aus Bewegung aus Masse-Leuchtkraft Widerspruch Fritz Zwicky 1933 Dynamik des Coma Haufens Postulierte eine zusätzliche Masse; Ablehnung Vera Rubin Durchbruch Rotationskurven von Galaxien 158

159 Jan Hendrik Oort S&T1993/4/44 159

160 Revolution 4 Fritz Zwicky

161 Revolution 4 Vera Rubin Vera Rubin 1950 Dipl. 161

162 Revolution 4 Dunkle Materie 28 % Dunkle Energie 68 % Baryonische Materie 4% 162

163 Revolution 4 Spektr.d.Wiss. Kosmologie 163

164 Revolution 4 S&T2010//4/14 164

165 Revolution 4 Unser bekannter Kosmos ist ein in sich logisch widerspruchsfreies Gebäude. Als wissenschaftlich gesicherte Erkenntnis gilt ausschließlich nur das, was diesem Axiom genügt. Widersprüche zeigen, dass dieses Gebäude fehlerhafte Stellen hat oder (noch) nicht vollständig ist. 165

166 Revolution 4 Unser bekannter Kosmos ist ein in sich logisch widerspruchsfreies Gebäude. Unser Kosmos ein Gebäude mit 25 Räumen. Wir beobachten gerade eines davon. Die übrigen 24 sind unseren Nachfahren vorbehalten. Wenn das keine Revolution ist, die sich seit 1960 breit macht. 166

167 167

168 168

169 169

170 170

171 Verteilung - Struktur der Dunklen Materie 171

172 172

173 173

174 Filamente S&T2006/5/32 174

175 SuW2007/8/20 175

176 SuW2007/8/22 176

177 Dunkle Materie SuW2007/4/16 Leuchtende Materie 177

178 178

179 Dunkle Materie: Galaxienbrücke im kosmischen Leerraum Wie Perlen auf einer Schnur stehen 14 Zwerggalaxien in einer Reihe - gehalten von Dunkler Materie 179

180 Filamente 180

181 Revolution 4 Sichtbar: Kerzen Sterne Galaxien Nicht sichtbar: Baum Struktur der Anordnung 181

182 Revolution 4 Was wir sehen und direkt erforschen können, die normale Materie, ist nur Dekoration im Universum. Das Schicksal des Alls wird von Dunkler Materie und der Dunkler Energie bestimmt. 182

183 183

184 Woraus besteht nun die Dunkle Materie? 184

185 Wir wissen es (noch) nicht. 185

186 Kosmologie Die Antwort muss gemeinsam von den Kosmologen und den Teilchenphysikern gefunden werden. 186

187 Immo Appenzeller: SuW 2010 / 10 Die physikalische Natur der Dunklen Materie ist zur Zeit noch unverstanden. 187

188 Immo Appenzeller: SuW 2010 / 10 Sehr wahrscheinlich besteht sie aus bis jetzt unentdeckten Elementarteilchen, die überhaupt nicht oder nur extrem wenig mit den Teilchen der sichtbaren Materie und mit elektromagnetischen Feldern in Wechselwirkung treten. 188

189 Eigenschaften der Dunklen Materie. 1. Gravitative Wirkung hat zur Entdeckung geführt ausführlich besprochen 2. DM Teilchen vernichten sich gegenseitig. kann man Zerfallstrümmer beobachten? 189

190 S&T2009/4/25 190

191 191

192 192

193 Eigenschaften der Dunklen Materie. 1. Gravitative Wirkung hat zur Entdeckung geführt ausführlich besprochen 2. DM Teilchen vernichten sich gegenseitig. kann man Zerfallstrümmer beobachten? 3. WIMPS Weakly Interakting Massive Particles 193

194 Wimps stellen augenblicklich die beste Arbeitshypothese dar. Man postuliert ein Teilchen und gibt ihm den Namen seiner hypothetischen Eigenschaften: schwach wechselwirkend: Massiv: baryonischer Materie Masse, weil gravitative Wirkung keine Masse unserer Erfahrung 194

195 Tagung in München September 2011 Topics on Astroparticle and Undergroundphysics FAZ 14. September

196 300 Wissenschaftler diskutieren sehr kontrovers über 3 NachweisExperimente für WIMPS Cresst Gran Sasso bei Rom Dama Gran Sasso CoGent Soudan-Mine in Missesota 196

197 Ergebnis: Die Jäger nach der Dunklen Materie sind nach wie vor weit von einer Lösung des vielleicht größten Rätsels der Astrophysik weit entfernt. Einigkeit bestand unter allen Beteiligten nur darin, dass niemand die Existenz Dunkler Materie bestreitet. 197

198 Ergebnis: Die Jäger nach der Dunklen Materie sind nach wie vor weit von einer Lösung des vielleicht größten Rätsels der Astrophysik entfernt. Man spricht (WIMPS) höchstens von Hinweisen, nicht aber von Beweisen. 198

199 Camille Flameron Revolution Mittelalterlicher Holzschnitt 199

200 Da nke für s Zuh ö r en 200

201 Wir wissen sicher nicht alles. Auch wissen wir nicht, wie viel wir nicht wissen. Denn das, was wir nicht wissen, ist teilweise nicht sichtbar. 201