Dunkle Energie ein kosmisches Rätsel

Transkript

1 Dunkle Energie ein kosmisches Rätsel

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11 Galaxien Hubble deep field

12 Wer weit hinaus schaut, schaut weit zurück!

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14 Foto des Urknalls WMAP

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

16 Dunkle Materie in Galaxienhaufen ( Cluster )

17 Dunkle Materie in Kollision bullet cluster

18 Kosmologie : Verständis des Universums als Ganzem

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

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

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

23 Kosmische Hintergrundstahlung Jahre abb ist Universum genug abgekühlt hlt,, so dass sich neutrale Atome bilden können. Universum wird durchsichtig Vergleich : Wolke löst sich auf abb : after big bang nach dem Urknall 10

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

25 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

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

27 Signale des Urknalls Hintergrundstrahlung Es werde Licht! ( Fiat lux ) ( Jahre nach Urknall) Primordiale Elementsynthese (Nucleosynthese) Beginn der Chemie ( 10 Minuten abb ) abb : after big bang

28 und alles aus wenigen Gleichungen

29 NASA Entwicklung des Universums Milliarden Jahre abb

30 Näher an den Urknall Je näher an den Urknall, desto höherher die Temperatur und Energie der Teilchen Physik bei hohen Energien weniger gut bekannt Erst ab Sekunden abb : Im wesentlichen bekannte Physik

31 Teilchenphysik nähert sich Urknall vor Zeiten von Sekunden abb sind die Teilchen mit Masse < Temperatur nicht experimentell bekannt LHC erforscht Physik, die für Sekunden abb wichtig ist spontane Symmetriebrechung, Phasenübergang Energiegrenze

32 Energiegrenze LHC, CERN, Genf

33 Modell des Universums großes Ziel! Quantitatives Verständnis und Vorhersagen von Sekunden abb bis weit in die Zukunft

34 Modell des Universums haben wir das Universum wirklich verstanden? die letzten paar Milliarden Jahre?

35 Expansion des Universums Hmm?

36 Supernovae als Standardkerzen

37 Abstand Beschleunigte Expansion Zeit 5 Milliarden Jahre Kessler et al. 2009

38 die Daten zu verstehen, ist gar nicht so einfach Kessler et al Kessler et al. 2009

39 Rotverschiebung z Riess et al Supernova Ia Hubble-Diagramm

40 Zeit Milliarden Jahre Abstand

41 Woraus besteht unser Universum? 20

42 Quintessenz! Feuer, Luft, Wasser, Erde!

43 Atome der Staub des Universums Abell 2255 Cluster ~300 Mpc

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45 Atome der Staub des Universums

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

47 95% des Universums sind dunkel Dunkle Energie und Dunkle Materie oder genauer : durchsichtig

48 Materie : Alles, was klumpt

49 Dunkle Materie Anteil der Materie insgesamt : 25 % Die meiste Materie ist dunkel! Bisher nur durch Gravitation spürbar Alles was klumpt! Gravitationspotential

50 Gravitationslinse,HST

51 Lichtstrahlen werden durch Massen abgelenkt

52 Gravitationslinse,HST

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54 Dunkle Materie + Atome : Alles was klumpt! 25 % 25

55 Simulationen im Computer

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

57 t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 )

58 t = 1 Milliarde Jahre ( z =5.7 )

59 t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 )

60 und Vergleich mit Beobachtung : Verteilung der Dunklen Materie

61 t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 ) Zoom auf Galaxienhaufen

62 t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 )

63 t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 )

64 Vergleich mit Beobachtung

65 Woraus besteht Dunkle Materie?

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

67 25 % von was? 30

68 ρ c =3 H² H 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

69 Materie Atome : Ω b = 0.05 Dunkle Materie : Ωdm= = 0.2

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

71 gekrümmte Bahnen der Lichtstrahlen

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

73 Bestimmung durch Foto des Urknalls

74 Anisotropie der Hintergrundstahlung : Fleckengröß öße

75 Stärke der Temperaturschwankung in Abhängigkeit von Fleckengröß öße ( im Winkel ) Kontrast ca 10 Grad ca 1 Grad Winkel

76 Akustische Schwingungen im Plasma ca 10 Grad ca 1 Grad

77 Schallwellen im frühen Universum Länge berechen- bar

78 Ωtot=1

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

80 Bestimmung kosmologischer Parameter Mittelwerte WMAP 2003 Ω tot =1.02 Ω m =0.27 ca 10 Grad ca 1 Grad Ω b =0.045 Ω dm =0.225

81 Räumlich flaches Universum Ω = 1 tot

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

83 Dunkle Energie dominiert das Universum Energie - Dichte im Universum = Materie + Dunkle Energie 25 % + 75 %

84 Zusammensetzung des Universums Atome : Ω b = 0.05 Dunkle Materie : Ωdm= = 0.2 Dunkle Energie : Ω h = 0.75

85 Dunkle Energie nur ein Viertel der Enegiedichte des Universums besteht aus Materie drei Viertel sind völlig gleichmäß äßig verteilte Dunkle Energie Woraus besteht das Universum?

86 Was ist Dunkle Energie? 45

87 Dunkle Energie : homogen verteilt

88 Alles was klumpt : Materie

89 Dunkle Energie : kosmologische Effekte

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

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

92 Strukturbildung Aus winzigen Anisotropien wachsen die Strukturen des Universums Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen Ein primordiales Fluktuationsspektrum beschreibt alle Korrelatonsfunktionen! 50

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

94 Dunkle Energie : die Beobachtungen passen zusammen!

95 Konsistentes kosmologisches Modell!

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

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

98 Kosm. Konst. Quintessenz statisch dynamisch Ist Ist Dunkle Dunkle Energie Energie statisch statisch oder oder dynamisch dynamisch?

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

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

101 Vereinheitlichung aller Wechselwirkungen Ω m + X = 1 Superstrings Zusätzliche Dimensionen Fundamentaler Ursprung der Massenskalen? Ω m : 25% Ω h : 75% Dunkle Energie

102 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

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

104 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

105 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?

106 Kosm. Konst. Quintessenz statisch dynamisch

107 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,

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

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

110 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 ngig von ihrer stofflichen Zusammensetzung )

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

112 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?

113 Die Antwort der Künstlerin Laura Pesce

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115 Naturkonstanten Masse des Elektrons Feinstrukturkonstante α über 20 weitere richtige Werte sind Bedingung für Menschen und Intelligenz Nicht ein für alle Mal gegeben!

116 Hatten Kopplungskonstanten im frühen Universum andere Werte? Ja!

117 Der Wert von Massenverhältnissen und Kopplungskonstanten hängt vom Zustand ab! Nicht ein für alle mal gegeben! Kann man Änderung heute beobachten?

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

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

120 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

121 Primordiale Häufigkeiten der leichten Elemente aus der Nukleosynthese verglichen mit kosmischer Hintergrundstrahlung und Beobachtung A.Coc Anteil der Atome im Universum WMAP Elementhäufigkeiten

122 Präzise Bestätigung tigung unseres Verständnisses der Physik und Kosmologie Beispiel : auch vor 13.7 Milliarden Jahren hatten die Konstanten der Physik die ( fast ) gleichen Werte

123 Variation der Li- Häufigkeit He gegenwärtige Beobachtungen: 1σσ D Li T.Dent, S.Stern,

124 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, winzig! kleiner als ein Tausendstel!

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

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

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

128 Quintessenz wird heute wichtig

129 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!

130 Ist Zeitentwicklung der Neutrino - Masse beobachtbar? Obere Grenze aus Kosmologie für frühe Zeit Heutiger Beobachtungswert kann darüber liegen ( KATRIN, neutrino-loser doppelter Betazerfall ) GERDA

131 Wieviel dunkle Energie gab es im frühen Universum? G.Robbers,M.Doran,

132 Kosmologische Gleichungen