Die Dunklen Mächte des Universums

Transkript

1 Die Dunklen Mächte des Universums Horst Fischer Universität Freiburg Didaktisches Seminar 3. November 2009

2 Flammarion, 1888

3 Evolution der Hubble Konstanten WMAP 5y

4 Baryonische Materie 4% 23% 73%

5 Wichtige Stationen in der Kosmologie Einstein, Friedmann: Allgemeine Relativitätstheorie Hubble: Expansionsgeschwindigkeit Penzias & Wilson: 3K-Hintergrundstrahlung Perlmutter, WMAP, sehr präzise Messungen

6 Die heute bekannten Bausteine der Materie

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8 0.1 msec nach dem Big Bang Mesonen: qq - Baryonen: qqq

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10 Die erste Minute nach dem Big Bang Erzeugung = Vernichtung Gleichgewicht der Teilchen noch können keine stabilen Kerne gebildet werden Im Gleichgewicht: N (neutron) N (proton) = e m/kt ( m = 1.3 MeV) Das Gleichgewicht wird gestört, wenn T<10 10 K (1 MeV)

11 Nukleosynthese Um die Nukleosynthese zu starten ist Deuterium erforderlich Danach wird aus Deuterium Helium gebildet Keine Fortsetzung der Kette, weil es keine stabilen Kerne mit Masse 5 und 8 gibt

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13 Das Resultat der Nukleosynthese helium-4 deuterium helium-3 tritium (free neutrons decay) Be, Li low levels

14 Die Chemie des Universums Vor der Sternbildung Am Ende eines Sternenlebens 75% Wasserstoff 25% Helium Wir bestehen alle aus Sternenstaub

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16 Baryonendichte aus der Häufigkeit von He, D und Li: heute Anteil Baryonen an gesamter Energiedichte: 4 5% Dunkle Materie! baryonischer Anteil (N b /N γ )

17 Rotverschiebung Absorptionsspektrum Sonne ferner Stern Dopplereffekt Gravitationseffekt

18 Dunkle Materie? Gibt es große Mengen nichtleuchtender Materie im Kosmos? Nachweis: Gravitation! Untersuchung von Spiralgalaxien: Messung der Rotationsgeschwindigkeit via Doppler-Effekt: v(r) ist Maß für eingeschlossene Masse!

19 Geschwindigkeit, v Radius, r Galaxien Rotation G M(r) / r 2 = v 2 / r v(r) = ( GM(r)/r) -1/2 Für r<r sichtbar : M= 4/3ρπr 3 v ~ r Für r>r sichtbar : M= const. v ~ r -1/2 Beobachtete gesamte Masse: M(r) = v 2 r / G Offensichtlich große Masse jenseits der optischen Grenze

20 Gravitationslinsen Hubble Teleskop Abbildungen einer Galaxie Reconstructed matter distribution Kalte dunkle Materie!

21 Expandierendes Universum Ansatz: v = H d Raum expandiert mit H= km/(s Mpc)

22 Expansion des Universums Einsteins greatest Blunder Um dies zu beschreiben wird In den Einsteinschen Gl. eine Kosmologische Konstante (Λ) benötigt. Einstein lehnte dieses ab, weil er an ein statisches Universum glaubte. flach geschlossen offen

23 Raum-Zeit-Krümmung im Universum Messung der Raumkrümmung: Winkelmessung: flach offen geschlossen Zusammenhang mit Massendichte (materiedominiertes Universum) : Ω ρ ρ m = = krit Falls Ω m =1 : mittleremassendichte kritische Massendichte kinetische Energie + potentielle Energie = 0 Raum flach=euklidisch 3 H Atome/ m unendliche Expansion mit abnehmender Geschwindigkeit 3

24 Vermessungen von CMBR Fluktuationen

25 Kosmische Hintergrundstrahlung WMAP 2002: Ω =1.02(2)

26 SN Ia als Referenzkerzen SN Ia: explodierende Weiße Zwerge gute Standardkerzen: Maximalmasse eines Weiße Zwergs ist 1.46 Sonnenmassen (Chandrasekhar- Masse) immer etwa gleiche absolute Helligkeit! gute Meilensteine im Kosmos zur Zuordnung Rotverschiebung und Distanz N Ia Suche automatisches, digitales scannen des Himmels z.b.: Supernova Cosmology Project High-z Supernova Search Team heute: Sloan Digital Sky Survey (S. Perlmutter) (B.Schmidt)

27 Ausdehnungsgeschwindigkeit Beschleunigt expandierendes Universum Dunkle Energie!

28 Dunkle Energie im Universum Jetzt 3 Parameter: Ω m : Massenenergie- Dichte Ω,Ω Λ H, m Ω Λ : Dunkle Energie- Dichte erfüllt den ganzen Raum, nicht an Masse gebunden Ω =Ω m + Ω Λ

29 Auf Erde und im Sonnensystem: Effekte nicht messbar (Kraft ~ R) frühes Universum: jetziges Universum: dominiert unverändert etwa gleich gross Neue Berechnung Weltalter: 13.7(2) Milliarden Jahre zukünftiges Universum: Folgerungen aus Λ > 0 Ω m Ω m,ω Λ Ω Λ dominiert exponentielles Auseinanderfliegen: R( t) = exp( t Λ 3) Zahl der beobachtbaren Galaxien nimmt ab! /

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31 Dunkle Materie: Astrophysikalische Kandidaten Braune Zwerge (Sternmasse <0.1 M sun keine Fusion) - einige, aber nicht genügend häufig Weiße Zwerge (Endzustand kleiner Sterne) - einige, aber nicht genügend häufig Neutronensterne/Schwarze Löcher (Endzustand großer Sterne) - sollten seltener vorkommen als weiße Zwerge Gas Wolken - 75% der sichtbaren Masse im Universum, aber sichtbar

32 Dunkle Materie: neue Elementarteilchen? Neutrinos (Big Bang Relikt, ca. 300/cm 3 ) - wenn ν-masse ~ 0.1eV Ω= Als DM seit 2003 so gut wie ausgeschlossen! WIMPS (Weakly Interacting Particles) - leichtestes supersymmetrisches Teilchen - derzeit mehrere Experimente Axionen (eingeführt um Phänomene in der Teilchenphysik zu erklären) - könnte DM sein, wenn 10-5 < m a < 10-2 ev - schwierig nachzuweisen z.b. CAST

33 Supersymmetrie? Zu jedem Fermion existiert ein supersymmetrisches Boson Zu jedem Boson existiert ein supersymmetrisches Fermion SUSY-Teilchen bisher noch in keinem Beschleuniger gefunden Vermutlich haben sie sehr große Massen Neutralino: Leichtestes stabiles supersymmetrisches Teilchen

34 Supersymmetrische Teilchen Standard-Modell Supersymmetrie Modell Neutralino: Stabiles leichtestes Teilchen, schwach wechselwirkend unterliegt der Gravitation, ungeladen, bildet keine Atome, kein Plasma, sendet keine Strahlung aus Neutralinos lösen vielleicht das Problem der Dunklen Materie Hoffentlich Nachweis der Existenz mit dem LHC in Genf

35 Kohärenz: 1 Axionen: Nachweisprinzip c m 2 s e c 1 k e V E(keV)

36 Das CERN Axion Solar Telescope

37 CAST 4 He Versorgung Supraleitender Magnet Lafette L= 10 m B=9 T 100 mal besser als die Konkurrenz

38 CAST Tracking System: Calibrated and correlated with celestial coordinates Twice a year (September&March) we can film the Sun through the window

39 CAST Sensitivität

40 WIMP Direkter Nachweis Elastische Streuung am Kern, typische v(c) ~ 250 km/s (b ~ 10-3 ) Bewegung der Erde im χ Wind Rückstoßenergie v orb = 30 km/s χ δ = 30 o v sun = 230 km/s χ (E o r/r o )*dr(v E,v esc )/de R dr de R = R o E o r e -E R/E o r E/(E 0 r) E R ~ 10 kev Strukturloses Spektrum

41 DAMA NaI jahreszeitliche Modulation Insgesamt 4 Jahre Modulationen gemessen kgxdays Jahreszeitliche Modulation beträgt einige % des Signals Rückstoßteilchen nicht gemessen 0.10 Residuals from 2-6 kev DAMA Annual Modulation 2-6 kev Bin Residual (kg -1 day -1 kev -1 ) Residual DAMA Fit Day Number ( INFN/AE-00/01) Anzeichen, daß vielleicht WIMPs gemessen wurden?

42 EDELWEISS 320 g Ge Detektor, Wärme und Ionisation, 5.03 kg Tage no events in signal region LEP EDELWEISS misst untergrundfrei, kann aber DAMA-Ergebnis noch nicht ausschliessen

43 Zusammensetzung unseres Universums Baryonische Materie: Atome, Nukleonen, Quarks Dunkle Energie 73% Ω ~ 1 Dunkle Materie: Vermutlich Axionen oder supersymmetrische Teilchen Baryonische Materie Dunkle Energie: Verursacht beschleunigte < 4% Expansion des Universums - bisher nicht verstanden Sichtbar < 1% Nicht-Baryonische Dunkle Materie 23%

44 Zukunft unseres Universums Weshalb leben wir ausgerechnet hier? eigentlich unklar! ewige Expansion? Auskühlen kalter, dunkler Kosmos

45 Das Schönste, was wir erleben können, ist das Geheimnisvolle. Bildquelle: Web, Einstein_Great_Spirit.htm