Dunkle Energie. kosmisches Rätsel

Transkript

1 Dunkle Energieein kosmisches Rätsel Dunkle Energie Ein kosmisches Raetsel

2 Dunkle Energie ein kosmisches Rätsel C.Wetterich A.Hebecker, M.Doran, M.Lilley, J.Schwindt, C.Müller ller, G.Schäfer fer, E.Thommes, R.Caldwell, M.Bartelmann, K.Karwan

3 Woraus besteht unser Universum?

4 Quintessenz! Feuer, Luft, Wasser, Erde!

5 Zusammensetzung des Universums Ω b = 0.05 Ωdm= = 0.2 Ω h = 0.75

6 ρ c =3 H² M² Kritische Dichte Kritische Energiedichte des Universums ( M : reduzierte Planck-Masse, M -2 =8 π G ; H : Hubble Parameter ) Ω b =ρ b /ρ c Anteil der Baryonen an der (kritischen) Energiedichte

7 Expansion des Universums Alle Längenskalen im Universum sind proportional zu kosmischem Skalenfaktor a(t) Hubble parameter H(t) misst "Expansionsgeschwindigkeit des Universums Definition:

8 Baryonen SDSS ~60,000 von >300,000 Galaxien Staub Ω b =0.045 Nur 5 Prozent unseres Universums bestehen aus bekannter Materie!

9 Abell 2255 Cluster ~300 Mpc

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11 Ω b =0.045 Von Nukleosynthese, Kosmischer Hintergrundstrahlung

12 Materie : Alles, was klumpt

13 Dunkle Materie Ωm = 0.25 Materie Materie insgesamt Die meiste Materie ist dunkel! Bisher nur durch Gravitation spürbar Alles was klumpt! Gravitationspotential

14 Gravitationslinse,HST

15 Lichtstrahlen werden durch Massen abgelenkt

16 Gravitationslinse,HST

17 Dunkle + baryonische Materie : Alles was klumpt! Ω = 0.25 m

18 Räumlich flaches Universum Ω = 1 tot Theorie (Inflationäres Universum ) Ωtot = x Beobachtung ( WMAP ) Ωtot =1.02 (0.02)

19 Foto des Urknalls

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21 Wilkinson Microwave Anisotropy Probe A partnership between NASA/GSFC and Princeton Science Team: NASA/GSFC Chuck Bennett (PI) Michael Greason Bob Hill Gary Hinshaw Al Kogut Michele Limon Nils Odegard Janet Weiland Ed Wollack Brown Greg Tucker UBC Mark Halpern UCLA Ned Wright Chicago Stephan Meyer Princeton Chris Barnes Norm Jarosik Eiichiro Komatsu Michael Nolta Lyman Page Hiranya Peiris David Spergel Licia Verde

22 Mittelwerte WMAP 2003 Ω tot =1.02 Ω m =0.27 Ω b =0.045 Ω dm =0.225

23 Ωtot=1

24 WMAP 2006 Polarisation

25 Dunkle Energie Ω + X = 1 m Ω : 25% m Ω : 75% Dunkle Energie h h : homogen, oft auch Ω Λ statt Ω h

26 Dunkle Energie : homogen verteilt

27 Vorhersagen für Kosmologie mit Dunkler Energie Die Expansion des Universums beschleunigt sich heute!

28 Abstand Perlmutter 2003 Zeit

29 Rotverschiebung z Riess et al Supernova Ia Hubble-Diagramm

30 Fluktuations-Spektrum Baryon - Peak Galaxien Korrelations Funktion Strukturbildung : Ein primordiales Fluktuations-Spektrum SDSS

31 Strukturbildung Aus winzigen Anisotropien wachsen die Strukturen des Universums Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen Ein primordiales Fluktuationsspektrum beschreibt alle Korrelatonsfunktionen!

32 Strukturbildung : Ein primordiales Fluktuationsspektrum CMB passt mit Galaxienverteilung Lyman α und Waerbeke Gravitationslinsen- Effekt!

33 Baryon - Peak SDSS Galaxien Korrelations Funktion

34 Akustischer Peak in Galaxien - Korrelationsfunktion Geometrischer Test für Dunkle Energie Bei Aussenden der Hintergrundstrahlung : Baryonen und Photonen sind gekoppelt Lineare Störungstheorie : Akustischer Peak bleibt im Spektrum der Baryon Fluktuationen Lage des Peaks : Test für Verhältnis der Skalen bei z =0.35 und z=1089 Konsistent mit Dunkler Energie : Ω m =0.27(3)

35 Konsistentes kosmologisches Modell!

36 Zusammensetzung des Universums Ω b = 0.05 sichtbar klumpt Ω dm = 0.2 unsichtbar Ω h = 0.75 unsichtbar klumpt homogen

37 Dunkle Energieein kosmisches Rätsel Dunkle Energie Ein kosmisches Raetsel

38 Was ist die dunkle Energie? Kosmologische Konstante oder Quintessenz?

39 Kosmologische Konstante Konstante λ verträglich mit allen Symmetrien Zeitlich konstanter Beitrag zur Energiedichte Warum so klein? λ/m 4 = Warum gerade heute wichtig?

40 Kosm. Konst. Quintessenz statisch dynamisch

41 Kosmologische Massenskalen Energie - Dichte ρ ~ ( ev ) - 4 Reduzierte Planck Masse M= GeV Newton s Konstante GN=(8πM²) ) Nur Verhältnisse von Massenskalen sind beobachtbar! homogene dunkle Energie: ρ h /M 4 = ¹²¹ Materie: ρ m /M 4 = ¹²¹

42 Zeitentwicklung ρ m /M 4 ~ a ³ a ~ t ² t 3/2 Materie dominiertes Universum Strahlungsdominiertes Universum ρ r /M 4 ~ a 4 a ~ t -2 Strahlungsdominiertes Universum Grosses Alter kleine Grössen Gleiche Erklärung rung für dunkle Energie?

43 Quintessenz Dynamische dunkle Energie, vermittelt durch Skalarfeld (Kosmon) Vorhersage : Ein Teil der Energie- dichte des heutigen Universums liegt als homogen verteilte ( dunkle) Energie vor. C.Wetterich,Nucl.Phys.B302(1988) B.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)L17,

44 Skalarfeld Φ (x,y,z,t) Ähnlich wie elektrisches Feld Aber : keine Richtung ist ausgezeichnet (kein Vektor )

45 Kosmon Skalarfeld ändert seinen Wert auch in der heutigen kosmologischen Entwicklung Potenzielle und kinetische Energie des Kosmons tragen zur Energiedichte des Universums bei Zeitabhängige dunkle Energie : ρ h (t) fällt mit der Zeit!

46 Kosmon Winzige Masse m c ~ H Neue langreichweitige Wechselwirkung

47 Fundamentale Wechselwirkungen Starke,elektromagnetische,schwache Wechselwirkung Auf astronomischen Skalen: Graviton + Gravitation Kosmodynamik Kosmon

48 Homogenes und isotropes Universum φ(x,t)= )=φ(t) Homogenes Kosmonfeld Homogener Beitrag zur Energiedichte Dynamische Dunkle Energie!

49 Evolution des Kosmonfelds Feldgleichung Potenzial V(φ) bestimmt Details des Modells z.b. V(φ) ) =M 4 exp( - φ/m ) Für wachsendes φ fällt Potenzial gegen Null

50 Kosmologische Gleichungen

51 Details der Modelle hängen von Potenzial V(φ) ab

52 Quintessenz wird heute wichtig

53 Zustandsgleichung p=t-v Druck ρ=t+v Energiedichte kinetische Energie Zustandsgleichung hängt von spezifischer Evolution des Skalarfelds ab

54 Negativer Druck w < 0 Ω h wächst w < -1/3 Expansion des Universums ist beschleunigt w = -1 Kosmologische Konstante

55 Negativer Druck

56 Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden?

57 Zeitabhängigkeit der dunklen Energie w=p/ρ Kosmologische Konstante : Ω h ~ t² ~ (1+z) -3 M.Doran,

58 Dunkle Energie im frühen Universum : unter 10 %

59 Zunehmende Wichtigkeit der Dunklen Energie Vorhersage: Die Expansion w h < -1/3 des Universums beschleunigt sich heute!

60 Wie unterscheidet man Q von Λ? A) Messung Ω h (z) H(z) Ω h (z) zur Zeit der Strukturbildung, CMB - Emission oder Nukleosynthese B) Zeitvariation der fundamentalen Konstanten

61 Quintessenz und Zeitabhängigkeit fundamentaler Konstanten C.Wetterich, Nucl.Phys.B302,645(1988)

62 Sind fundamentale Konstanten zeitabhängig? Feinstrukturkonstante α (elektrische Ladung) Verhältnis Neutron-Masse zu Proton-Masse Verhältnis Nukleon-Masse zu Planck-Masse

63 Quintessenz und Zeitabhängigkeit der fundamentalen Konstanten Feinstrukturkonstante hängt vom Wert des Kosmon Felds ab: α(φ) ähnlich Higgsfeld in schwacher Wechselwirkung Zeitentwicklung von φ Zeitentwicklung von α Jordan

64 Primordiale Häufigkeiten der leichten Elemente aus der Nukleosynthese A.Coc

65 typische mögliche Werte der Variation der Feinstrukturkonstanten: α/α ( z=10 10 ) = GUT 1 α/α ( z=10 10 ) = GUT 2 C.Mueller,G.Schaefer,,

66 Zeitvariation der Kopplungskonstanten ist winzig wäre aber von grosser Bedeutung! Mögliches Signal für Quintessenz

67 Zusammenfassung o Ω h = 0.75 o Q/Λ : dynamische und statische dunkle Energie unterscheidbar o Q : zeitlich veränderliche fundamentale Kopplungen, Verletzung des Äquivalenzprinzips

68 ???????????????????????? Warum wird Quintessenz gerade in der heutigen kosmologischen Epoche wichtig? Haben dunkle Energie und dunkle Materie etwas miteinander zu tun? Kann Quintessenz in einer fundamentalen vereinheitlichten Theorie erklärt werden?

69 Quintessenz sollte mit Lösung des Problems der kosmologischen Konstante verknüpft sein!

70 Kosmon und Fundamentale Massen - Skalen Annahme : Alle Parameter mit Dimension Masse sind proportional zu Skalar - Feld χ (GUTs,, Superstrings, ) M p ~ χ, m proton ~ χ, Λ QCD ~ χ, M W ~ χ χ kann sich mit der Zeit ändern m proton /M : ( fast ) konstant - Beobachtung! Nur Verhältnisse von Massenskalen sind beobachtbar!

71 Dilatations symmetrische Lagrange Dichte: Gravitationstheorie Dilatations - Symmetrie für Konforme Symmetrie für δ=0

72 Dilatations Anomalie V~χ 4-A, M p (χ )~ χ V/M 4 p ~ χ -A : fällt für wachsendes χ!!

73 Weyl Reskalierung Weyl Reskalierung : g µν (M/χ) 2 g µν φ/m = ln (χ 4 /V(χ)) µν, Exponentielles Potenzial : V = M 4 exp(-φ/m) Keine zusätzliche Konstante!

74 ???????????????????????? Warum wird Quintessenz gerade in der heutigen kosmologischen Epoche wichtig? Haben dunkle Energie und dunkle Materie etwas miteinander zu tun? Kann Quintessenz in einer fundamentalen vereinheitlichten Theorie erklärt werden?

75 Die Antwort der Künstlerin Laura Pesce

76 Ende

77 Dilatations Anomalie Quanten - Fluktuationen führen zu Dilatations - Anomalie Laufende Kopplungen : Hypothese Renormierungs-Skala µ : (Impuls( Impuls-Skala ) λ~( ~(χ/µ) -A

78 Grundlage für Kosmologie Graviton + Kosmon

79 Kosmologie Kosmologie : χ wächst mit der Zeit! ( Grund: Kopplung von χ zum gravitationellen Krümmungs - Skalar ) Für wachsendes χ : Das Verhältnis V/M 4 tendiert zu Null! Effektive kosmologische Konstante verschwindet asymptotisch für große t!

80 Kosmodynamik Kosmon vermittelt neue langreichweitige Wechselwirkung Reichweite : Grösse des Universums Horizont Stärke : schwächer als Gravitation Photon Elektrodynamik Graviton Gravitation Kosmon Kosmodynamik Kleine Korrekturen zum Gravitationsgesetz

81 Verletzung des Äquivalenzprinzips Verschiedene Kopplung des Kosmons an Proton und Neutron p,n Differentielle Beschleunigung Erde Kosmon Scheinbare Verletzung des Äquivalenzprinzips p,n

82 Differentielle Beschleunigung η Für vereinheitlichte Theorien ( GUT ) : Q : Zeitabhängigkeit anderer Parameter

83 Verknüpfung zwischen Zeitabhängigkeit von α und Verletzung des Äquivalenzprinzips differentielle Beschleunigung η typisch : η = MICROSCOPE Satteliten-Mission