Welch Dunkle Energie dominiert das Universum? Dunkle Energie Ein kosmisches Raetsel

Transkript

1 Welch Dunkle Energie dominiert das Universum? 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,G.Robbers

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

8 Abell 2255 Cluster ~300 Mpc

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10 Ω b =0.045 Von Nukleosynthese, Kosmischer Hintergrundstrahlung

11 Materie : Alles, was klumpt

12 Dunkle Materie Ω m = 0.25 Materie Materie insgesamt Die meiste Materie ist dunkel! Bisher nur durch Gravitation spürbar Alles was klumpt! Gravitationspotential

13 Gravitationslinse,HST

14 Lichtstrahlen werden durch Massen abgelenkt

15 Gravitationslinse,HST

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

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

18 Foto des Urknalls

19 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

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

22 Ωtot=1

23 WMAP 2006 Polarisation

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

25 Dunkle Energie : homogen verteilt

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

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

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

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

30 Konsistentes kosmologisches Modell!

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

32 Dunkle Energieein kosmisches Rätsel Dunkle Energie Ein kosmisches Raetsel

33 Was ist die dunkle Energie? Kosmologische Konstante oder Quintessenz? 25

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

35 Kosm. Konst. Quintessenz statisch dynamisch

36 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

37 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?

38 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,

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

40 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!

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

42 Kosmon Winzige Masse m c ~ H Neue langreichweitige Wechselwirkung

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

44 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

45 Kosmologische Gleichungen

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

47 Quintessenz wird heute wichtig

48 Quintessenz und fundamentale Massenskala 35

49 Woher kommen Längen und Massen?

50 Ω m + X = 1? Ω m : 25% Ω h : 75% Dunkle Energie

51 Messung, Beobachtung : nur dimensionslose Größen! Aber : m Elektron = 511 kev : gemessen! Was ist ev? 1 ev = Grundzustands-Energie des Wasserstoffatoms/13.6 Messung: Verhältnis der Grundzustands-Energie des Wasserstoffs zu Elektronenmasse.

52 Einheiten Man könnte die Elektron Masse als Masseneinheit wählen 1 Gramm = 1.1 x m Elektron proportional zu Avogadro s Zahl

53 Standard Modell der elektroschwachen Wechselwirkung : Higgs - Mechanismus Die Massen aller fundamentalen Fermionen und Eichbosonen sind proportional zum Vakuum- Erwartungswert eines Skalarfelds φ ( Higgs Skalar ) Für Elektron, Quarks, W-W und Z-Z Bosonen gilt melektron = helektron * φ etc.

54 Massen und Kopplungskonstanten werden bestimmt durch die Eigenschaften des Vakuums! ähnlich Maxwell Gleichungen in Materie

55 Hypothese: Quantengravitation - Theorie ohne explizite Massenskala? 40

56 Fundamentale Massenskala Fester Parameter oder dynamische Skala? Dynamische Skala Feld

57 Kosmon und Fundamentale Massen - Skalen Annahme : Alle Parameter mit Dimension Masse sind proportional zu Skalar - Feld χ (GUTs,, Superstrings, ) M ~ 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!

58 Trick für Theorie ohne fundamentale Massenskala: Ersetze alle Massen durch dimensionslose Konstante mal χ

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

60 Dilatations - Symmetrie Reskalieren der Längenskalen x c -1 x Sieht die Physik noch genauso aus? Skalen invariant = Dilatations symmetrisch Wichtig für kritische Phänomene in statistischer Physik

61 Wenn eine feste Massen oder Längen - Skala eine Rolle spielt : Keine Dilatations Symmetrie!

62 Dilatations - Symmetrie Reskalieren der Längenskalen x c -1 x begleitet von Reskalieren des Skalar - Felds χ c χ Verschiedene Längeneinheiten entsprechen verschiedenen Werten des Kosmon Felds χ!

63 Dilatations symmetrische Lagrange Dichte: Gravitationstheorie Dilatations - Symmetrie für

64 Woher kommen die beobachteten Massen Skalen? Spontane Symmetriebrechung : χ 0 Verletzt das Reskalieren der Massen und Längenskalen χ c χ Goldstone Boson = Dilaton masseloses Teilchen!

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

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

67 Grundlage für Kosmologie Graviton + Kosmon

68 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!

69 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!

70 Ohne Dilatations Anomalie : V= const. Masseloses Goldstone Boson = Dilaton Dilatations Anomalie : V (φ ) Winzige zeitabhängige Masse : Kosmon

71 Kosmologie mit Dunkler Energie 45

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

73 Quintessenz wird heute wichtig

74 Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden?

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

76 Beobachtung: Grenzen für Ω h

77 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

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

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

80 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

81 Hatten Kopplungskonstanten im frühen Universum andere Werte? Ja!

82 Restoration der Symmetrie bei hohen Temperaturen im frühen Universum Niedrige T SSB <φ>= >=φ 0 0 Hohe T SYM <φ>=0 hohe T : weniger Ordung mehr Symmetrie Beispiel: Magnete

83 Im heissen Plasma des frühen Universums : Keine unterschiedlichen Massen für Elektron und Myon!

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85 Zusammenfassung Der Wert von Massenverhältnissen und Kopplungskonstanten hängt vom Zustand ab! Nicht ein für alle mal gegeben!

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

87 4 He : typische mögliche Werte der Variation der Feinstrukturkonstanten: Δα/α ( z=10 10 ) = GUT 1 Δα/α ( z=10 10 ) = GUT 2 C.Mueller,G.Schaefer,,

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

89 drei GUT Modelle Vereinheitlichungs-Skala ~ Planck Masse 1) Alle Massen der Teilchenphysik ~Λ QCD 2) Fermi Skala und Fermion-Massen ~ Vereinheitlichungs-Skala 3) Fermi Skala ändert sich schneller als Λ QCD Δα/α erlaubt für GUT 1 und 3, grösser für GUT 2 Δln(M n /M P ) 40 Δα/α erlaubt

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

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

92 ???????????????????????? 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?

93 Die Antwort der Künstlerin Laura Pesce

94 Ende

95 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

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

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

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

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100 Abstand Perlmutter 2003 Zeit

101 Supernova Ia Hubble-Diagramm Rotverschiebung z Riess et al. 2004

102 Baryon - Peak SDSS Galaxien Korrelations Funktion

103 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)

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

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

106 Negativer Druck

107 Dunkle Energie im frühen Universum : unter 10 %

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

109 Effekte früher dunkler Energie Strukturwachstum wird verlangsamt

110 Grenzen für frühe dunkle Energie nach WMAP 06 G.Robbers,M.Doran,,

111 coincidence problem What is responsible for increase of Ω h for z < 10?

112 a) Properties of cosmon potential or kinetic term Late quintessence w close to -1 Ω h negligible in early cosmology needs tiny parameter, similar to cosmological constant Early quintessence Ω h changes only modestly w changes in time transition special feature in cosmon potential or kinetic term becomes important now tuning at level

113 Dynamics of quintessence Cosmon ϕ : scalar singlet field Lagrange density L = V + ½ k(φ) ϕ ϕ (units: reduced Planck mass M=1) Potential : V=exp[-ϕ] Natural initial value in Planck era ϕ=0 today: ϕ=276 models characterized by kinetial k(φ)

114 attractor solutions Small almost constant k : Small almost constant Ω h This can explain tiny value of Dark Energy! Large k : Cosmon dominated universe ( like inflation )

115 Transition to cosmon dominated universe Large value k >> 1 : universe is dominated by scalar field k increases rapidly : evolution of scalar fied essentially stops Realistic and natural quintessence: k changes from small to large values after structure formation

116 b) Quintessence reacts to some special event in cosmology Onset of matter dominance K- essence Amendariz-Picon Picon, Mukhanov, Steinhardt needs higher derivative kinetic term Appearance of non-linear structure Back-reaction effect needs coupling between Dark Matter and Dark Energy