Dunkle Materie. Beobachtungsbefunde

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1 Dunkle Materie. Beobachtungsbefunde Viele beobachtete Phänomene weisen auf eine inhomogen verteilte Komponente im Universum hin, welche nur aufgrund ihrer Gravitations-Wechselwirkung mit normaler Materie in Erscheinung tritt. Es findet kein erkennbarer Energieaustausch durch elektromagnetische Strahlung in irgendeinem beobachteten Spektralbereich statt. Daher spricht man von Dunkler Materie. Rotationsgesetz der Milchstraße Rotationsgeschwindigkeit der Sterne in Sonnennähe aus Stellarstatistik 30 km s- (Umlaufszeit der Sonne30 Millionen Jahre) Abstand des Sonnensystems von Galaktischen Zentrum ca. 8.0 kpc Direkte Messung von Geschwindigkeiten zwischen 3 0 kpc vom GZ Seite -

2 Rotationsgesetze von Galaxien Spektroskopische Vermessung der Rotationsgesetze naher Spiralgalaxien mittels Dopplereffekt Starre Rotation der Bulges (zentralen Verdickung) Konstante Rotationsgeschwindigkeit in den Scheiben / Aussenbereichen Seite -

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6 Verteilung der leuchtenden Materie in Galaxien Verteilung der leuchtenden Materie in Galaxien durch Vermessung der Flächenhelligkeit; läßt Rückschlüsse auf dreidimensionale Verteilung zu. Elliptische Galaxien und Zentralbereiche von Spiralgalaxien, empirisch: I R = I0 R/ Rc Zentralintensität I0, oder I R 4 =exp 7.67[ R/ Re ] Ie Kernradius Rc mit I(Rc) = I0/4, Hälfte der integralen Helligkeit innerhalb Re, I(Re) = Ie Scheiben von Spiralgalaxien: I R = I 0 exp R/ Rd Ellipt. Ellipt. Scheibe Seite -6

7 Dynamische Konsequenzen aus Rotationsgesetz Keplerbahn: Zentrifugalkraft gleich Gravitationskraft bzw. kinetische Energie gleich ½ potentielle Energie (Virialsatz) m v0 mm = G, r r mm m v0 = G r Wäre die Masse von Galaxien auf das Zentrum so konzentriert wie die Helligkeitsverteilung, so wäre die Rotationsgeschwindigkeit umgekehrt proportional zur Wurzel des Abstands: v ~ GM r Für die Masse MR innerhalb eines Radius R gilt MR = v R G Der radiale Dichteverlauf lässt sich mit dem Rotationsgesetz abschätzen r = dm d v r = dr 4 r dr G 4 r Bei konstanter Rotationsgeschwindigkeit ist der radiale Dichteverlauf proportional zu r-! Seite -7

8 Starke Gravitationslinsen in Galaxienclustern Seite -8

9 Schwache Gravitationslinsen Seite -9

10 Heißer Röntgenhalo in Galaxienhaufen Halo aus heißem ( K) baryonischen Material, etwa 4 mal soviel, wie im sichtbaren Spektralbereich nachweisbar. Macht nur 0%.. 0% der Gesamtmasse aus! Seite -0

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12 Verhältnis von Masse und Leuchtkraft Das Verhältnis der von aufgrund von Gravitationseffekten nachgewiesenen Masse zur Leuchtkraft von astronomischen Gebilden in Einheiten der Sonnenmasse / Sonnenleuchtkraft M Sonne L Sonne M Objekt Sonne ] Masse-Leuchtkraftverhältnis [ L Sonne Nähere Umgebung der Sonne 3 Milchstraße 0 Spiralgalaxien 0 Elliptische Galaxien Galaxienhaufen Dichte des leuchtenden Universums (Galaxien) ρlm: Dichte des gravitierenden Universums ρm: kg m kg m-3 Seite - 08 MSonne Mpc MSonne Mpc-3

13 Strukturierter Kosmos Verteilung von Galaxien aufgrund der Messung von Rotverschiebung ist blasenartig auf Skalen von 50 Mpc. Seite -3

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15 . Mögliche Quellen Dunkler Materie Intergalaktisches Medium Das Intergalaktische Medium (IGM) ein Gas, welches das Universum mit einer mittleren Dichte von wenigen Atomen m-3 erfüllt. Ineffizienter Strahler. Nachweisbar als Absorption in Spektren von Quasaren ( Lyman-Alpha-Wald ). In diesem Sinne ist das IGM dunkel. Seite -5

16 Das IGM ist ähnlich filamentartig verteilt wie Galaxien, siehe Variationen in den Absorptionsspektren auf der kurzwelligen Seite von Ly α. Es unterscheidet sich aber von dem Gas innerhalb von Galaxienhaufen (keine gravitationelle Bindung). Nur der neutrale Anteil des Wasserstoffs trägt zur Absorption im Ly α 0 Wald bei. Dieser ist sehr klein; n H 0 4! Damit n H ist die Massendichte des IGM ein Vielfaches der leuchtenden Materie in den Galaxien. Da das IGM sich weit von den Galaxienhaufen entfernt befindet, kann es deren Dynamik nur unwesentlich beeinflussen. Eine Erklärung für die von der Dunklen Materie beeinflussten Dynamik der Galaxien und Galaxienhaufen kann das IGM nicht liefern. Massive kompakte Haloobjekte Kompakte, stellare und substellare Objekte wie ausgekühlte Weiße Zwerge, Braune Zwerge, oder planetenähnliche Körper ohne Anbindung an Planetensysteme, welche den Halo von Galaxien bevölkern. Diese Objekte emittieren kaum bis keine nachweisbare Strahlung und tragen fast nichts zur interstellaren Absorption und Streuung bei. MAssive Compact Halo Objects (MACHOs). MACHOs können sich als Mikro-Gravitationslinsen bemerkbar machen. Dabei bewegen sie sich vom Standpunkt eines Beobachters vor einer sich in größerer Entfernung befindlichen Lichtquelle vorbei. Durch die gravitationelle Lichtablenkung wird das Licht der Quelle von der Linse verstärkt. Linse, ML Beobachter Quelle Dl Ds Seite -6

17 Liegen Beobachter, Linse und Quelle auf einer Geraden, so erscheint das Bild der Quelle kreisförmig um die Position der Linse ( Einsteinring ) mit einem Winkelradius RE, für den gilt RE = 4 G M L D s D s Dl Dl c Liegen Beobachter, Linse und Quelle nicht auf einer Geraden und beträgt der wahre Winkelabstand zwischen Linse und Quelle r 0, so sieht man (mindestens) zwei Bilder der Quelle im Winkelabstand von r± = r 0± r 0 RE Die Intensität der Bilder ist verstärkt um einen Faktor R E r 0 A± = ± r 0 4 Re r 0 Positionen der Bilder Verstärkungsfaktor Scheinbarer Abstand 4 Intensität der Bilder r_plus r_minus klassisch 3 Wahrer Abstand I_plus I_minus Seite -7 3 Wahrer Abstand 4 5

18 Man sucht Mikro-Gravitationslinsen vor Hintergründen mit sehr vielen möglichen Quellen, in Richtung der Galaktischen Zentralverdickung (Bulge) oder den Magellanschen Wolken. Gemessen werden die durch die Linse verursachten Aufhellungen der Quellen; diese sind einmalig und haben ein charakteristisches zeitliches und spektrales Profil. Die Wahrscheinlichkeit für ein galaktisches ML-Ereignis beträgt etwa 0-6 pro Jahr. Bei der simultanen Beobachtung von 06 Quellen erwartet man daher ein ereignis pro Jahr. Moderne Beobachtungs- und Datenauswertungsmethoden machen auf ML-Ereignisse ausgerichtete Programme möglich. Beispiel für ein ML-Ereignis in Richtung des Galaktischen Zentrums, beobachtet von der OGLE-Kollaboration. Die Zahl der tatsächlich beobachteten galaktischen ML-Ereignisse legt nahe, dass die Massendichte von MACHOs diejenige der normalen, leuchtenden Materie nicht übersteigt. MACHOs scheinen keinen signifikanten Beitrag zur Dunklen Materie zu leisten. Seite -8

19 Baryonische Materie aus dem Urknall Die leichten chemische Elemente bis zum Li sind in der sehr frühen Phase (ca. s) des Urknalls durch Kernreaktionen entstanden. Die relative Häufigkeit der primordialen (auf den heißen Ursprung des Kosmos zurückzuführenden) Elemente ist durch Messungen gut bekannt. Durch Modellrechnungen sind Dichte und Temperatur zum Zeitpunkt des Einfrierens der Häufigkeiten gut bekannt. Insbesondere hängt die Häufigkeit von H (Deuterium) empfindlich von der Baryonendichte ab; sie wäre bei höherer Baryonendichte kleiner. Weitere kosmische chemische Entwicklungsprozesse, z. B. in Sternen, können das vorhande Deuterium nur reduzieren. Aus der Analyse von Quasarspektren kann man schließen, dass die primordiale Deuteriumhäufigkeit etwa -3 mal höher war als die heutige Deuteriumhäufikeit in der Sonne. Hieraus ergibt sich eine mittlere Dichte der baryonischen Materie im Universum von ρb = kg m-3 bzw MSonne Mpc-3. Baryonische Materie kann daher nur etwa 5%... 0% der gravitierenden Materie ausmachen. Neutrinos Ähnlich wie die Photonen der Hintergrundstrahlung sind eine große Zahl von Neutrinos in frühen Phasen des Universums entstanden und bilden heute einen (bislang nicht direkt nachgewiesenen) Neutrinostrahlungs-Hintergrund mit einer Temperatur von ca. K. Neurere Erkenntnisse lassen auf eine endliche Neutrinomasse schliessen. Die Masse von Elektron-Neutrinos ist mνe c < 0. ev, die Massen der Neutrinos der anderen Teilchenfamilien (Myon- und Tau-Neutrinos) könnten einen signifikanten Beitrag zur Seite -9

20 Dunklen Materie beitragen. Allerdings sind Neutrinos hochrelativistisch und wären kaum in der Lage, strukturierte Verteilungen zu bilden, welche für die Galaxienbildung Voraussetzung wären. Ein von der Massenverteilung der heißen Neutrinos dominiertes Universum ( Hot Dark Matter, HDM) sähe völlig anders aus als das beobachtete, welches von kalter Dunkler Materie ( Cold Dark Matter, CDM) dominiert sein müßte. Exotische Elementarteilchen Elementarteilchen außerhalb des Standardmodells, z. B. WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) irgendwelche massebehafteten Teilchen, die nur der schwachen und der Gravitationswechselwirkung unterliegen Neutralinos, Photinos, Axinos,... Kosmische Strings... Seite -0

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