Das dunkle Universum

Transkript

1 Das dunkle Universum

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11 Galaxien Hubble deep field

12 Was ist da, wo man nichts sieht?

13 Mehr oder weniger Bekanntes im extragalaktischen Raum : Strahlung Gas von Atomen, Molekülen Magnetfelder Neutrinos Gravitationswellen Alles zusammen, plus Atome in Galaxien : Nur 5% der Energiedichte des Universums

14 Unsere Materie : Atome der Staub des Universums Abell 2255 Cluster ~300 Mpc

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16 Atome der Staub des Universums

17 nur 4,5 % des Universums bestehen aus Atomen : bekannt von Hintergrundstahlung, Jahre abb Atomphysik Nucleosynthese Minute abb Kernphysik

18 95% des Universums sind dunkel Dunkle Energie und Dunkle Materie oder genauer : durchsichtig

19 Dunkle Materie und Dunkle Energie 95 % der Energiedichte des Universums Das meiste ist unbekannt!

20 Die Jagd nach den Phantomen

21 Himmelsdurchmusterung : nicht nur mit Licht! Infrarotstrahlung Röntgenstrahlung hochenergetische Gammastrahlen Gravitationslinsen Neutrinos (? ) Gravitationswellen (? ) Farben frei gewählt

22 Dunkle Materie

23 Dunkle Materie in Galaxienhaufen ( Cluster )

24 Dunkle Materie in Kollision bullet cluster

25 Wieviel Dunkle Materie gibt es?

26 Materie : Alles, was klumpt

27 Gravitations - Potenzial Materieklumpen erzeugen Gravitationspotenzial (Newton ) Dies kann vermessen werden Bestimmung der Masse des Klumpens z.b. Sonnenmasse genau bekannt

28 Gravitationslinse,HST

29 Lichtstrahlen werden durch Massen abgelenkt

30 Gravitationslinse,HST

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32 Schwacher Gravitationslinsen Effekt : Leichte Verzerrung des Bilds Tausender von Hintergrundgalaxien Statistische Verteilung

33 Dunkle Materie Anteil der Materie insgesamt : 30 % Die meiste Materie ist dunkel! Bisher nur durch Gravitation spürbar Alles was klumpt! Gravitationspotenzial

34 Woraus besteht Dunkle Materie?

35 Dunkle Materie könnte aus noch unbekannten Elementarteilchen bestehen LHC, CERN, Genf

36 Suche nach Dunkler Materie bis heute nichts gefunden...

37 Woraus besteht unser Universum? 25

38 Quintessenz! Feuer, Luft, Wasser, Erde!

39 Dunkle Materie + Atome : Alles was klumpt! 30 %

40 30 % von was?

41 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 Atome ( Baryonen ) an der (kritischen) Energiedichte

42 Kritische Dichte Ω tot bestimmt die Geometrie des Universums : kann vermessen werden Ω tot =1 flaches Universum Ω tot >1 Geometrie wie Kugeloberfläche Ω tot <1 hyperbolische Geometrie

43 Kritische Dichte Ω tot =1 flaches Universum Ω tot >1 Kugeloberfläche Ω tot <1 hyperbolische Geometrie

44 Woraus besteht unser Universum?

45 Materie Atome : Ω b = 0.05 Dunkle Materie : Ω dm = 0.25

46 Dunkle Energie : Ω h : 0.7

47 Dunkle Energie kann man nicht sehen, auch nicht indirekt

48 Kosmologie : Verständnis des Universums als Ganzem

49 Wer weit hinaus schaut, schaut weit zurück!

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52 Expansion des Universums Hmm?

53 Expansion des Universums Der Raum zwischen den Galaxienhaufen dehnt sich aus. Früher war das Universum dichter, und heißer. Zurückverfolgung der Einstein schen kosmologischen Gleichungen : Urknall, extrem heißer Feuerball! Bis ca Jahre nach dem Urknall : heißes Plasma aus Protonen, Elektronen und Strahlung

54 Feuerball heißes Plasma Elektronen und Kerne oder Kernbestandteile getrennt viel heißer und dichter als die Sonne undurchsichtig Licht wird fortdauernd gestreut Ende nach Jahren

55 Kann man in die Sonne hineinschauen? nur Oberfläche der Sonne sichtbar, obwohl viel elektromagnetische Strahlung im Innern!

56 Kosmische Hintergrundstahlung Jahre abb ist Universum genug abgekühlt, so dass sich neutrale Atome bilden können. Universum wird durchsichtig : fiat lux Vergleich : Wolke löst sich auf abb : after big bang nach dem Urknall

57 Foto des Urknalls als sich die Atome bildeten : ca Jahre abb

58 Foto des Urknalls als sich die Atome bildeten : ca Jahre abb

59 Bestimmmung der Energiedichte des Universums 37

60 Bestimmung der Energiedichte des Universums Ω tot bestimmt die Geometrie des Universums : kann vermessen werden Ω tot =1 flaches Universum Ω tot >1 Geometrie wie Kugeloberfläche Ω tot <1 hyperbolische Geometrie

61 gekrümmte Bahnen der Lichtstrahlen

62 Räumlich flaches Universum Ω tot = 1 Theorie (Inflationäres Universum ) Ω tot = x Beobachtung ( Planck ) Ω tot =1.00 ( ±0.01)

63 Bestimmung durch Foto des Urknalls

64 Bild einer Kugeloberfläche von innen winzige Temperatur-schwankungen der Hintergrundstrahlung

65 Anisotropie der Hintergrundstahlung : Fleckengröße

66 Stärke der Temperaturschwankung in Abhängigkeit von Fleckengröße ( im Winkel ) Kontrast ca 10 Grad ca 1 Grad Winkel

67 Akustische Schwingungen im Plasma ca 10 Grad ca 1 Grad

68 Schallwellen im frühen Universum Länge berechenbar

69 Ω tot =1

70 Räumlich flaches Universum Ω tot = 1 Ω tot = 1 Ω tot =0.25

71 Räumlich flaches Universum Ω tot = 1

72 Dunkle Energie Ω m + X = 1 Ω m : 30% Ω h : 70% Dunkle Energie h : homogen, oft auch Ω Λ statt Ω h

73 Dunkle Energie dominiert das Universum Energie - Dichte im Universum = Materie + Dunkle Energie 30 % + 70 %

74 Zusammensetzung des Universums Atome : Ω b = 0.05 Dunkle Materie : Ω dm = 0.25 Dunkle Energie : Ω h = 0.7

75 Eigenschaften der Dunkle Energie? 45

76 Dunkle Energie : homogen verteilt

77 Dunkle Energie : kosmologische Effekte

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

79 Expansion des Universums Hmm?

80 Supernovae als Standardkerzen

81 Beschleunigte Expansion Zeit 5 Milliarden Jahre Kessler et al Abstand

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83 Beschleunigte Expansion des Universums! Hmm?

84 Dunkle Energie und Dunkle Materie sind ( heute ) Gegenspieler : Dunkle Materie verlangsamt Expansion Dunkle Energie beschleunigt Expansion

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

86 Simulationen im Computer

87 t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 ) Verteilung der Dunklen Materie im Universum Millenium simulation, VIRGO project

88 t = 1 Milliarde Jahre ( z =5.7 )

89 t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 )

90 Quantitatives Verständnis der Strukturbildung braucht Dunkle Energie MXXL Angulo, Springel, White et al. MNRAS426 (2012)2046

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92 Eigenschaften der Galaxienhaufen können beobachtet werden

93 Vergleich mit Beobachtung

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

95 Dunkle Energie : die Beobachtungen passen zusammen!

96 Konsistentes kosmologisches Modell!

97 Zusammensetzung des Universums Ω b = 0.05 sichtbar klumpt Ω dm = 0.25 unsichtbar klumpt Ω h = 0.7 unsichtbar homogen

98 Was ist Dunkle Energie? 50

99 Was ist die Dunkle Energie? Kosmologische Konstante oder Quintessenz oder Modifikation der Gravitation?

100 Kosm. Konst. Quintessenz statisch dynamisch

101 Eigenschaften der Dunklen Energie bestimmen die Zukunft des Universums Vorhersagbarkeit für die nächsten 100 Milliarden Jahre

102 Quintessenz : neue fundamentale Wechselwirkung Starke,elektromagnetische,schwache Wechselwirkung Auf astronomischen Skalen: Graviton + Gravitation Kosmodynamik Kosmon

103 Vereinheitlichung aller Wechselwirkungen Ω m + X = 1 Superstrings Zusätzliche Dimensionen Fundamentaler Ursprung der Massenskalen? Ω m : 30% Ω h : 70% Dunkle Energie

104 Modifikation Einstein s allgemeiner Relativitätstheorie??

105 Zusammenfassung Physik des Universums in wesentlichen Zügen bekannt von Sekunden abb bis 3 Milliarden Jahre abb. Vorhersagen über Zukunft benötigen quantitatives Verständnis der Dunklen Energie Wir wissen noch nicht, was Dunkle Materie und Dunkle Energie ist

106 Quintessenz

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

108 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: Materie: ρ h /M 4 = ˉ¹²¹ ρ m /M 4 = ˉ¹²¹

109 Zeitentwicklung ρ m /M 4 ~ aˉ³ ~ tˉ² Materie dominiertes Universum tˉ3/2 Strahlungsdominiertes Universum ρ r /M 4 ~ aˉ4 ~ t -2 Strahlungsdominiertes Universum Grosses Alter kleine Grössen Gleiche Erklärung für dunkle Energie?

110 Kosm. Konst. Quintessenz statisch dynamisch

111 Quintessenz Dynamische dunkle Energie, vermittelt durch Skalarfeld (Kosmon) Vorhersage : Ein Teil der Energiedichte 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,

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

113 Kosmologische Gleichungen

114 exponential potential constant fraction in dark energy Ω h = 3/α 2 V(φ) =M 4 exp( - αφ/m ) can explain order of magnitude of dark energy!

115 Quintessenz wird heute wichtig

116 Zusammenhang zwischen jetziger Dunkler Energie - Dichte und anwachsende Neutrino - Masse = 1.27 Dunkle Energiedichte : ρ 1/4 ~ ev jetzige Zustandsgleichung ist gegeben durch Neutrino - Masse!

117 Kosmische Neutrinos bilden riesige Strukturen Y.Ayaita,M.Weber,

118 die auch wieder vergehen

119 Mögliche indirekte Beobachtung der fünften Wechselwirkung winzige zeitliche Änderng der fundamentalen Natur Konstanten winzige scheinbare Verletzung des schwachen Äquivalenzprinzips ( Körper mit gleicher Masse fallen gleich schnell, unabhängig von ihrer stofflichen Zusammensetzung )

120 Zusammenfassung ( 2) Verständnis der Dunklen Energie kann zu ganz neuen Einsichten über die fundamentalen Gesetze der Physik führen

121 Die großen Fragen Woraus besteht das Universum? Wie sah das Universum am Anfang aus? Wie haben sich Strukturen entwickelt? Gibt es Leben und Intelligenz in anderen Regionen des Universums? Woher kommen Materie und Strahlung? Was war vor dem Urknall? Was wird aus unserem Universum in der Zukunft? Was liegt außerhalb unseres Horizonts?

122 Die Antwort der Künstlerin Laura Pesce

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