Dunkle Materie und Energie

Transkript

1 6. Juli 2017

2 Zusammenhalt von Galaxienhaufen 1933: Fritz Zwicky untersucht Coma-Galaxienhaufen Galaxien bewegen sich zu schnell in Relation zur sichtbaren Masse Virialsatz: T = U/2 T = 1 2 MV 2, U = GM 2 /R M = R V 2 /G Zwicky errechnet für M Sonnenmassen von denen nur durch sichtbare Galaxien erklärbar

3 Heiÿes Gas in Galaxienhaufen 1970er: Röntgenemission von Galaxienhaufen gemessen Ursprung: Heiÿes Gas Bestimmung von Temperatur und Verteilung des Gases möglich Gesamtmasseverteilung im Galaxienhaufen durch Hydrostatische Gasgleichung bestimmbar: M(r) kt r ρ µm p G ρ Masse des Gases 4 bis 5 mal so groÿ wie die der Sterne Diskrepanz zwischen detektierbarer und erforderlicher Masse verringert sich auf einen Faktor von ca. 6

4 Stabilität von Scheibengalaxien 1960er: Computer werden hinreichend leistungsfähig für N-Körpersimulationen (N ) Miller und Prendergast (1968) und unabhängig davon Hohl (1969) wollen Spiralgalaxien simulieren Anfangsbedingungen der Simulation: Runde Scheibe aus Teilchen im Gleichgewicht (Gravitation Zentrifugalkraft) Erwartung: Globale Struktur sollte sich nicht ändern

5 Frank Hohl (1971) Sterne Schlieÿlich wieder ungefähr rund, jedoch Teilchenbahnen nicht mehr Kreisförmig Instabil

6 Verschiedene Ansätze zur Behebung des Problems wurden probiert Ein Ansatz: Künstliches Kühlen einiger Teilchen Sinnvoll, da Gaswolken kollidieren und dabei Energie verlieren können

7 Miller, Prendergast and Quirk (1970) links: gekühlte Teilchen (Gas), rechts: ungekühlte Teilchen (Sterne) Sterne zeigen auch leichte (hier nicht gut erkennbare) Spiralstruktur Nach längerer Zeit jedoch auch hier Instabilität

8 Dunkle-Materie-Halos 1973, Ostriker und Peebles: Simulation von Galaxien mit Dunkle-Materie-Halos Virialsatz: 2T + U = 0 mit T = T rot + T ran t + r = 1/2 mit t = T rot /( 2U) und r = T ran /( 2U)

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10 Abbildung: Einuss von Halos auf die Entwicklung von Galaxien (Ostriker und Peebles, 1973).

11 Rotationskurven von Spiralgalaxien Rotation um Massepunkt M: GmM r 2 = F G = F Z = mv 2 r V = GM R Rotationsgeschwindigkeit nimmt mit 1/ r ab Wenn Masse ausgedehnt, kugelsymmetrisch: M M(r) V (r) = p GM(r) r p zur Korrektur von nicht-kugelsymmetrischer Verteilung

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13 21-cm-Emissionslinie von neutralem Wassersto, auch in groÿer Entfernung von Zentrum, wo kaum sichtbare Sterne: keine 1 r -Abnahme. M(r) r Aber Oberächenhelligkeit nimmt exponentiell ab: I (r) = I 0 e r/h

14 Gravitationslinsen ART: Licht wird im Gravitationsfeld abgelenkt Massenverteilung eines als Gravitationslinse wirkenden Galaxienhaufens bestimmbar Ergebnisse i. d. R. vergleichbar mit denen aus Messung der Röntgenemission

15 Abbildung: Quasar QSO hinter dem Kern einer etwa 400 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie, die als Gravitationslinse wirkt (NASA, ESA)

16 Zusammensetzung dunkler Materie Vermutungen bis in 80er: kaltes Gas, leichte Sterne, Neutronensterne, leichte schwarze Löcher Baryonische dunkle Materie Nicht-Baryonische dunkle Materie die nur schwach mit Baryonen und Photonen interagiert Teilchen aus der Theorie der Supersymmetrie

17 Alternative Theorien MOND-Theorie: 1983 von Mordehai Milgrom als Alternative zum Postulat der Dunklen Materie vorgeschlagen F = m µ( a /a 0 ) a mit µ(x) = 1 für x 1 und µ(x) = x für x 1 Gute Voraussage von Rotationskurven Anwendung auf Galaxienhaufen: Diskrepanz verringert, aber es bleibt ca. Faktor 2 bis 3 Mond ist nicht relativistisch z. B. keine Aussagen zu Gravitationslinseneekt Relativistische Erweiterung: TeVeS (Tensorvectorscalar gravity)

18 Beschleunigte Expansion des Universums 1917: Einstein bemerkte, dass Universum laut ART nicht stabil; führte Kosmologische Konstante Λ ein, um Universum statisch zu machen 1929: Hubbel'sches Gesetz Einstein verwarf Kosmologische Konstante 1934, Lemaître: Kosmologische Konstante als Vakuumenergie auassen Beitrag ρ Λ = zur Energiedichte Λ 8πG

19 Kritische Dichte: ρ c = 3H2 8πG Dichteparameter Ω Λ = ρ Λ ρ c, Ω M = ρ M ρc Leuchtkraftentfernung d L = Rotverschiebung z = λ obs λ em λ em d L (z; H 0, Ω M, Ω Λ ) = 1+z H 0 z 0 L 4πl dz ΩM (1+z ) 3 +Ω Λ

20 Erste systematische Suche nach weit entfernten Typ Ia Supernovae in 1980ern geringer Erfolg, da Supernovae selten 1988: Saul Perlmutter initiiert Supernova Cosmology Project um gebremste Expansion zu zeigen ab 1994: parallele Forschung von Brian Schmidt und Adam Riess im High-z Supernova Search Team Licht schwächer als erwartet Beschleunigte Expansion Nobelpreis 2011 für Perlmutter, Schmidt und Riess

21 Perlmutter (1999) Best-Fit: Ω M = 0, 28, Ω Λ = 0, 72

22 Erklärungsansätze Quantenuktuation In relativistischer Quantenphysik ist das Vakuum mit Quantenuktuationen gefüllt Die sich ergebende Energiedichte weicht jedoch um 122 Gröÿenordnungen vom erwarteten Wert ab Quintessenz: ähnlicher Eekt wie während Ination könnte wirken

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24 Sanders, Robert H. (2010): The Dark Matter Problem, A Historical Perspective. laureates/2011/advanced-physicsprize2011.pdf