Dunkle Materie und Dunkle Energie Die unbekannten Bausteine des Universums Prof. Dr. Stefan Schael RWTH Aachen

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1 Dunkle Materie und Dunkle Energie Die unbekannten Bausteine des Universums Prof. Dr. Stefan Schael RWTH Aachen Stephen Hawking, "Das Universum in der Nussschale" Spektrum der Wissenschaft, "Vorstoß in den Mikrokosmos"

2 ? Quantengravitation A. Einstein Relativitätstheorie W. Heisenberg Quantenmechanik E=mc 2

3 Hubble Space Telescope

4

5 tieferer Ton höherer Ton Doppler Effekt

6 Abstand Die Zunahme der Fluchtgeschwindigkeit ist langsamer als erwartet!!! Die Expansion des Universums beschleunigt sich!!! Geschwindigkeit

7 Zeit Die Expansionsrate des Universums: konstant verlangsamt beschleunigt Das Alter des Universums: 12 Mrd. Jahre <12 Mrd. Jahre >12 Mrd. Jahre

8 Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Gravitation als Krümmung der Raum-Zeit.

9 A. Einstein ging von einem statischen Universum aus. Dies war ursprünglich im Rahmen der Relativitätstheorie nicht möglich. Deshalb führte er eine kosmologische Konstante Λ ein, die der Gravitation entgegenwirken sollte. Energie Materie Negative-Energie

10 Dunkle Energie = Negative Energie = Vakuumenergie Wie stellen Sie sich das Vakuum vor? l=10-35 m So stellen es sich die Physiker vor! Quantenfluktuationen deformieren Raum und Zeit.

11 Was ist die Energiedichte Ω des Universums? Radius Ω<1 Ω=1 Ω>1 Zeit Ω = Ω Λ + Ω Materie = (65±5)% + (36±5)% = (99±3)%

12 Dunkle Materie Aus astronomischen Beobachtungen wissen wir, dass wir über ca. 90% der Materie im Universum nichts wissen. M Gravitationskraft = Zentrifugalkraft m M mv r 2 G M G = v = r 2 r

13 Was ist Dunkle Materie? Wir wissen es nicht, aber Wir können einige Eigenschaften festlegen, die Dunkle Materie haben muss: z.b. sie muss elektrisch neutral sein,... Wir wissen, dass die uns bekannten Bausteine der Materie nicht in Frage kommen. Wir vermuten, dass es sich um neue, bisher unbekannte Elementarteilchen handelt. Wir haben Ideen durch welche Beobachtungen sich diese Vermutungen untermauern ließen.

14

15 , Karlsruhe

16 Das AMS Experiment wurde von Herrn Prof. Dr. Samuel C.C. Ting, Nobelpreis Physik 1976, vom Massachusetts Institute of Technology vorgeschlagen. Er leitet die AMS Arbeitsgruppe.

17 χ χ e+e-

18 Technische Anforderungen an das AMS Experiment Bei Start/Landung treten Beschleunigungen bis zu 9g auf Temperaturschwankungen von Grad Celsius Maximales Gewicht 7500 kg Kosten: /kg Maximaler Stromverbrauch: 2kW, 1 Stromkabel mit 120 V Maximale Datenrate: 1Mbyte/s 1 optischer Link zur ISS

19 AMS-01: STS-91 Flight, June 2-12 th, 1998 Data taking 135 hours Shuttle altitude 370 km Trigger rate Hz 100 million events recorded Electronics channels: Power: 1kW Weight: 3 t

20

21

22 AMS-02

23 AMS-02: Übergangsstrahlungs-Detektor RWTH Aachen

24 Übergangsstrahlung Elektronen Protonen

25 Prof. Dr. Klaus Lübelsmeyer

26 Dunkle Materie und Dunkle Energie Die unbekannten Bausteine des Universums Von dem was das Universum ausmacht, kennen wir heute nur 5%. Die moderne Physik steht noch ganz am Anfang. 65% Materie 5% 30% Dunkle Materie Grundlegende Experimente auf der Erde und im Weltraum sollen in den nächsten 20 Jahren Antworten liefern. Dunkle Energie Die RWTH Aachen ist an vorderster Front an diesen Arbeiten beteiligt.

27

28 Mechanische Genauigkeit < 0.1 mm

29

30

31 Vibrationtestupto6.8g(90s)

32 T= GradCelsius

33 10-2 m m m m <10-18 m

34 CERN: Das Europäische Zentrum für Elementarteilchenphysik in Genf

35

36 E = mc2

37

38 COBE Satellite, 11/ /1993 T=18µK T = mk => v =371 km/s T = 2,728 K

39 Ω = Ω Λ + Ω Materie = (65±5)% + (36±5)% = (99±3)% Radius Ω<1 Ω=1 Ω Λ Ω>1 Zeit Ω Materie

40

41 LSS 1 o 14 Gly Universum mit kritischer Dichte Ω= ly 2 o Universum mit hoher Dichte Ω> ly 0.5 o Universum mit niedriger Dichte Ω< ly

42 Ω und die typischen Winkelabmessungen von Strukturen in dem CMB Universum mit hoher Dichte Universum mit kritischer Dichte Universum mit niedriger Dichte Ω>1 Ω=1 Ω<1 2 o 1 o 0.5 o P.de Bernardis Oct.2000

43 We need an angular resolution much better than COBE 1o (0,2 resolution) (10 resolution)

44 CMBR: BOOMERanG Antarktis: 37 km, 7-14 Tage T(α,δ)=Σ l,m a l,m Y m l (α,δ) : anisotropies - expansion in multipoles c l =< a 2 l,m > : power spectrum of anisotropies

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