Experimentelle Evidenzen für dunkle Materie. Ralf Koehler

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1 Experimentelle Evidenzen für dunkle Materie Ralf Koehler

2 Content Einleitung und Motivation Zusammensetzung des Universums Messung der Hubble Konstanten Gesamtdichte Ω Dunkle Materie Ω DM Rotationskurven von Galaxien Dynamik von Galaxiehaufen Gravitationslinseneffekte Sichtbare Materie Ω LM Masse Kandidaten Gesamtmodell Eigenschaften von Dunkler Materie

3 Einleitung Ursprung der dunklern Materie aus der Kosmologie Ganzheitliche Erklärung des Universums und seiner Entwicklung Gegenseitige Beeinflussung von Kosmologie und Teilchenphysik

4 Massendichte im Universum Kritische Massendichte: Ω = 1 Flaches Universum! Massendichte im Universum: Ω(H) = Ω Λ + Ω DM DM +Ω LM LM + Ω R H Ω Λ Ω DM Ω LM Ω R = Hubble Konstante = Dunkle Energie = Dunkle Materie = Sichtbare Materie = Strahlung

5 Messung der Hubble Konstanten Expansionsgeschwindigkeit des Universums ~ H H ~[v]/[x] (Geschwindigkeit pro Abstand) ~ s -1 Kritische Massendichte abhängig von H Grosses H => mehr Masse nötig Kleines H => weniger Masse nötig Messung von H auf kosmologischem Masstab => Supernovaexplosionen Typ Ia

6 Kosmologische Entfernungsmessung

7 Doppelsternsystem Roter Riese Weisser Zwerg Supernova Typ Ia Massenzunahme des weissen Zwergs durch Absaugen von Materie, Explosion bei kritischer Masse (Fusionszündung) Eigenschaften: charakteristisches Spektralbild charakteristische Energieabstrahlung

8 Grenzwerte für W Krümmung des Universums Galaxien pro Raumwinkel Ausbreitungswege von Licht Power Spektrum des Mikrowellenhintergrunds: Fluktuationen im CMB Schwingungen im Urmedium Vergleich mit Modellrechnungen (mit Ω als Parameter) Feintuning und Inflationstheorie

9 CMB Powerspektrum

10 Grenzwerte für W DM Rotationskurven von Galaxien Abweichung von Kepler Rotation Dynamik von Galaxiehaufen Driftgeschwindigkeiten Gravitationslinseneffekte Einsteinkreise Galaxienbildung und CMB

11 Rotationskurven von Galaxien Rotation von nur gravitativ wechselwirkenden Systemen: Kepler Rotation Kepler Rotation: r: Abstand vom Massezentrum M: eingeschlossene Masse 1 v t ( r) = GM r ~ r Verhalten bei Zentralmasse ~ 1 Verhalten bei konstanter Masseverteilung

12 Messwerte

13 Dynamik von Galaxiehaufen Galaxien in einem Galaxiehaufen: Punktförmige Objekte Nur gravitativ wechselwirkend Im gravitativen Gleichgewicht => Virial Theorem Isitrope Geschwindigkeitsverteilung Grössere Masse => tieferer Potentialtopf => schnellere Driftgeschwindigkeiten Messung der Geschwindigkeiten durch Rotverschiebung

14 Geschwidigkeitsdisperionen

15 Gravitationslinseneffekte Masse krümmt den Raum Licht folgt geodäten im Raum => Licht wird von Masse abgelenkt Anhäufungen von Masse können als Gravitationslinse genutzt werden Mehrfachabbildungen, Arcs und Ringe entstehen

16 Einstein Ringe Erzeugung von Einstein Ringen durch Galaxiehaufen zwischen Beobachter und Objekt θ E 1/ = 3 10 M M 1/ 2 Θ D Gpc arcsec Mit D = Dd*Ds Ds/DdsDds in Gpc M ~ 1015 => qe ~ 10arcsec

17 Galaxienbildung und CMB Fluktuationen im CMB zu gering für Strukturbildung Schon sehr frühe Bildung von Galaxien Nur nicht mit Strahlung wechselwirkende Materie könnte früher Potentialtöpfe ausgebildet haben => Dunkle Materie

18 Grenzwerte für W LM Masse Leuchtkraft Relation Leuchtende Sterne, X-Ray X Gas Auszählung von Galaxien und Galaxiehaufen Primordiale Nukleosynthese (schon besprochen) Mögliche baryonische Kandidaten für Dunkle Materie

19 Masse Leuchtkraft Relation Bestimmung der Gesamtmasse durch Messung von <v > 2 im Haufen Bestimmung der Gas Masse durch Intensität der X-Ray X Bremsstrahlung Bestimmung der sichtbaren Galaxienmasse durch Lichtintensität Masse-Leuchtkraft Leuchtkraft- Beziehung ~ h - 1 M*/L*!

20 Baryonische Dunkle Materie Schwarze Löcher, Neutronensterne, braune Zwerge Rotationskurven der Galaxien MACHOS Mikrogravitationslinseneffekt Planetoide; ; Asteroiden Einschlagskrater im Mond Planeten Gesamtanteil am Sonnensystem Dunkles Gas (HII Wolken) Rotationskurven

21 Kosmologisches Gesamtmodell Galaxienverteilung ist abhängig von kosmologischen Parametern (Ω( Ω, Λ) Λ Computersimulation Parameter: ΛCDM: Ω = 0,3 Ω m Λ = 0,7 SCDM: Ω = 1 Ω m Λ = 0 OCDM: Ω = 0,3 Ω m Λ = 0

22 Zusammensetzung des Universums Ω(H) = Ω Λ + Ω DM DM +Ω LM LM + Ω R Ω = 1 Ω M = / Ω Λ = / Ω B = / H = 71+/- 3 km s - 1 Mpc -1

23 Eigenschaften von Dunkler Materie Nicht elektromagnetisch wechselwirkend Strukturbildung, Observation Kalt (schwer und damit langsam) Strukturbildung Nicht baryonisch Primordiale Nukleosynthese