Kosmologische Evidenz für Dunkle Materie

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Marcus Brauer
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1 Kosmologische Evidenz für Dunkle Materie Matthias Steinmetz (AIP)

2 Überblick Klassische astronomische Evidenz für dunkle Materie und dunkle Energie Rotationskurven Galaxienhaufen Großskalige Strömungen Evidenz via kosmische Hintergrundstrahlung Probleme des Modells Rotationskurven Kleinskalige Strukturen 2

3 Klassische astronomische Evidenz für dunkle Materie und dunkle Energie 3

4 Friedmann-Gleichung 2 a & 8 π G kc Λ H 2 = = ρ a R 3 = H 2 ( ) Ω 4 + Ω 3 + Ω 2 + Ω a a a 0 r k r Ω X = k 2 Dichte in X krit. Dichte oder mit (t=t 0 ) relativistic matter non-relativistic matter curvature ΩΩ r + Ω + Ω k + Ω Λ =1 Λ cosmological constant 4

5 Eine kosmische Inventur Summe der leuchtenden Materie Ω s = 0.23% Standard- Thermodynamik (T CMB =2.728 K) Strahlung: Ω r = % Masselose Neutrinos: Ω ν = 0.003% Massereiche Neutrinos: Ω ν <1% 5

6 Die Entstehung der leichten Elemente Häufigkeit (Massenanteil) Helium-4 Dichte der gewöhnlichen Materie im Kosmos Deuterium Helium-3 Lithium-7 Kritische Dichte der Materie im Kosmos Observed He-4 Observed D Observed He-3 Observed Li Mittlere Dichte des Universums kg m -3 Ω b = ± Das Universum besteht zu 95% nicht aus baryonischer Materie 95% der baryonischen Materie sind nicht beobachtet! 6

7 Fritz Zwicky ( ) 7

8 Indirekt messbare Masse Röntgenemission von Galaxienhaufen Rotationskurven der Spiralgalaxien Ω Materie 30% Gravitationslinsen großskalige Strömungen 8

9 Dunkle Materie vs alternative Gravitationstheorien Potential (Fernfeld) Dunkler Halo Dunkle Materie Alternative Gravitationstheorie 9

10 Dunkle Materie vs alternative Gravitationstheorien Halo e shear f e = Hoekstra et al

11 Dunkle Materie vs alternative Gravitationstheorien e Halo 0.33 Konsistent mit CDM Wechselwirkende DM Modified Newtonian Dyanmics (?) Hoekstra et al

12 Dunkle Materie vs alternative Gravitationstheorien optisch bullet cluster 1E Röntgen Clowe et al

13 Die Ausdehnung des Universums beschleunigt sich Milliarden Jahre 13 Skalenparameter

14 ``Concordance model Ω = 0.3 (Schwerkraft) Ω b = 0.05 (Nukleosynthese) Ω Λ = 0.7 (beschleunigte Expansion) H 0 = 70 km/s/mpc (heutige Expansion) 14

15 Evidenz via kosmische Hintergrundstrahlung 15

16 Eine erneute kosmische Inventur 1/Winkel 16 Amplitude

17 Eine erneute kosmische Inventur Wettkampf zwischen Schwerkraft (anziehend) und Druck (abstoßend) Schwingungen Klangfarbe des Universums 17

18 Eine erneute kosmische Inventur Akustische Schwingungen Harmonische 18

19 Eine erneute kosmische 19 Inventur Ω Ω/Ω 5-6 Ω/Ωb b Ω b Masse auf der Feder Potentialtiefe

20 Eine erneute kosmische Inventur Schallwellen Resonatoren Tiefster Ton: Resonanz in der Fundamentalmode Wellenlänge: Schalllaufstrecke über das Alter des Universums z=1100) Zollstock 20

21 Probleme des Modells 21

22 2dF im Vergleich zu zwei Computersimulationen Frenk al

23 Dichteprofile von Cold Dark Matter Halos Density Das Massenprofil eines dunklen Halos ist unabhängig von der Halomasse und von den kosmologischen Parametern ρ( r) δc = ρ ( r/ r)( 1+ r/ r) crit s s 2 Radius Navarro, Frenk & White

24 LSB-Rotationskurven vs CDM Halos Vorsicht Strikt gesprochen besteht die Diskrepanz zwischen der Rotationsgeschwindigkeit des Gases und der Zirkulargeschwindigkeit des Halos. Beide können sich unterscheiden, da: Halo ist nicht sphärisch Geschwindigkeitsdispersion des Gases oder die Scheibendicke sind von Bedeutung Abweichungen vom Gleichgewicht. 24

25 Dichte-Profile der LSB-Halos LSBs haben Cores CDM halos??? McGaugh et al

26 Klypin et al

27 Substructure and the abundance of Milky Way satellites circular velocity 27 cumulative number Moore et al 1999 Klypin et al 1999

28 Substruktur und die Häufigkeit von Satelliten der Milchstraße circular velocity 28 cumulative number Hayashi et al 2002

29 29

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30 Substruktur und DM-Experimente Substruktur überlebt sehr lange im Phasenraum kalte Ströme nachweisbar im Geschwindigkeitsraum MW halo in der Sonnenumgebung: Überlagerung von mehreren Hundert Strömen Helmi et al: in guter Approximation multivariate Gaussian Diemand et al: lumpy phase space 30

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