Dunkle Energie. kosmisches Rätsel

Transkript

1 Dunkle Energieein kosmisches Rätsel 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 H 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 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 ) Ω tot tot = x Beobachtung ( WMAP ) Ωtot =1.02 (0.02)

18 Foto des Urknalls

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20 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

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 Abstand Perlmutter 2003 Zeit

28 Rotverschiebung z Riess et al Supernova Ia Hubble-Diagramm

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

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

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

32 Baryon - Peak SDSS Galaxien Korrelations Funktion

33 Konsistentes kosmologisches Modell!

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

35 Dunkle Energieein kosmisches Rätsel Dunkle Energie Ein kosmisches Raetsel

36 Was ist die dunkle Energie? Kosmologische Konstante oder Quintessenz?

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

38 Kosm. Konst. Quintessenz statisch dynamisch

39 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

40 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?

41 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,

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

43 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!

44 Kosmon Winzige Masse m c ~ H Neue langreichweitige Wechselwirkung

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

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

47 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

48 Kosmologische Gleichungen

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

50 Quintessenz wird heute wichtig

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

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

53 Negativer Druck

54 Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden?

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

56 Dunkle Energie im frühen Universum : unter 10 %

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

58 Effekte früher dunkler Energie Strukturwachstum wird verlangsamt

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

60 Interpolation von Ω h

61 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

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

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

64 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

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

66 4 He : typische mögliche Werte der Variation der Feinstrukturkonstanten: α/α ( z=10 10 ) = GUT 1 α/α ( z=10 10 ) = GUT 2 C.Mueller,G.Schaefer,

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

68 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 α/α erlaubt für GUT 1 und 3, grösser für GUT 2 ln(m n /M P ) 40 α/α erlaubt

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

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

71 ???????????????????????? 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 rt werden?

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73 Quintessenz sollte mit Lösung des Problems der kosmologischen Konstante verknüpft sein!

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

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

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

77 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!

78 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!

79 ???????????????????????? 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 rt werden?

80 Die Antwort der Künstlerin Laura Pesce

81 Ende

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

83 Grundlage für Kosmologie Graviton + Kosmon

84 Kosmodynamik Kosmon vermittelt neue langreichweitige Wechselwirkung Reichweite : Grösse des Universums Horizont Stärke : schwächer cher als Gravitation Photon Elektrodynamik Graviton Gravitation Kosmon Kosmodynamik Kleine Korrekturen zum Gravitationsgesetz

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

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

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

88 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)

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

90 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

91 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)

92 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 )

93 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

94 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