Dunkle Materie Martin Schneider

Transkript

1 Dunkle Materie Martin Schneider 1

2 Dunkle Materie Warum dunkle Materie? (Beobachtungen in Galaxien, Sternzählungen etc.) Was ist dunkle Materie? ( MACHOs und WIMPs, MOND) Konsequenzen in der Kosmologie (BigBang-Theorie, Entwicklung des Universums) 2

3 Warum dunkle Materie? Messung der Masse von Galaxien: - Messung der Leuchtkraft - Abschätzung der Sternenpopulation über Leuchtkraftfunktion der Sterne - Abschätzung der Masse einer Galaxie: Rotation von Galaxien: - Messung der Rotationsgeschwindigkeit: - Rotverschiebung auf der einen und Blauverschiebung auf der anderen Seite der Galaxie M = 4 L - Messung der Rotationsgeschwindigkeit durch Grad der Verschiebung weniger als 10% bestehen aus baryonischer Materie (Messung von Zwicky 1932) 3

4 Warum dunkle Materie? Rotationskurven von Galaxien: Galaxien rotieren um ihr Zentrum, in großer Entfernung sollte v wie 1 /2 rot r abnehmen ABER: Die Rotationskurve ist nach außen in flach Die Galaxie muss mehr Masse enthalten als durch Modelle berechnet. Die auftretenden Rotationsgeschwindigkeiten verlangen aber die 5 bis 10 fache Menge an Materie. Galaxien haben also einen HALO aus dunkler Materie, der ca. 90% der Masse der Galaxie beinhaltet. 4

5 Warum dunkle Materie? Bewegungen in Galaxienhaufen: Virialsatz: Anwendung auf Daten einiger Galaxienhaufen ergaben ca. 10 Mal mehr Masse als erklärbar. 1 G Mv = EPot = r Gravitationslinsen: ( M) 2 - in der Nähe von massereichen Galaxien wurden verzerrte Abbilder von Hintergrundgalaxien erkannt - Aus Lage und Form der Bögen Verteilung der Masse und Gesamtmasse errechenbar Um Faktor 10 mehr Masse als durch Licht sichtbar 5

6 Gravitationslinsen an massiven Galaxien 6

7 Warum dunkle Materie? 3K-Hintergrundstrahlung : Fluktuationen ergeben ein Bild von ca. 23% dunkler Materie 4% baryonischer Materie 73% dunkle Energie 7

8 Fazit: Dunkle Materie : ist nicht beobachtbar wechselwirkt nicht mit elektromagnetischer Strahlung macht sich nur durch Gravitation bemerkbar 8

9 Was ist dunkle Materie? Zwei Hauptverdächtige : MACHOs ( Massive Compact Halo Objects): Baryonische, leuchtschwache Objekte mit WIMPs ( Weakly Interactive Massive Particles): schwach wechselwirkende Elementarteilchen mit hoher Ruhemasse ( ~ 100 GeV) (MOND ( Modified Newtonian Dynamics)) 9

10 MACHOs Braune Zwerge: - ab weniger als 0.08 Sonnenmassen, erreichen nie die Phase des Wasserstoffbrennens - Übergangsobjekte zwischen Sternen und großen Planeten - tragen ca. 5 bis 10 % zur Gesamtmasse an Baryonen bei Weiße Zwerge: - etwa 0.5 bis 1.44 M - unauffällig, schwach bläulich leuchtend - sehr schwer zu finden - Universum ist aber nicht alt genug um ausreichend WD produziert zu haben 10

11 MACHOs Primordiale Schwarze Löcher - Existenz bis heute unklar - nur indirekt beobachtbar Weitere Kandidaten wie: Neutronensterne (beobachtete Menge an schweren Elementen reicht nicht aus für die benötigte Menge an NS) Planeten (man braucht zu viele zur Erklärung, bedenke Kollisionen) M Zwerge (ähnlich wie Braune Zwerge, zu wenige gemessen) Bester Fit mit ca. 20% Halomasse aus MACHOs 11

12 Wie findet man MACHOs? Gravitationseffekte: Bahnbewegungen von Sternen schwarze Löcher Gravitationslinsen: Durch Gravitation verursachte Linseneffekt an massereichen Objekten Unterscheidbar von Cepheiden da Intensitätsanstieg gleichmäßig im ganzen Spektrum 12

13 WIMPs Neutrinos: - lange Zeit Hauptvermutung - fast keine Interaktion mit Materie - relativistisch HDM ( Hot Dark Matter) - unbekannte Masse (?), vermutete Ruhemasse ev ( kg!!) - drei große Probleme : - können sich nicht an Galaxien heften 1, das Universum ist zu klein (!!) für die benötigte Menge an Neutrinos - Nicht vereinbar mit Theorie des frühen Universum, Neutrinos verursachen keine Verklumpung 13

14 WIMPs Massive Teilchen mit hohen Ruhemassen folgen aus Supersymmetrie, die aus der M-Theorie ( Stringthorie) folgt, wenn man 6 der 10 Dimensionen der Strings aufwickelt Standardmodell: Supersymmetrie: zu allen Materieteilchen (Fermionen) supersymmetrische Partner, die sich wie Kraftteilchen (Bosonen) verhalten und umgekehrt 14

15 WIMPs Grundsätzlich: Teilchen müssen stabil sein ( leichtester Superpartner) Massen von 10 bis 100 Protonenmassen erwartet Teilchen haben keinen thermischen Druck Für bestimmte Randbedingungen ( z.b. 3 mögliche Energieskalen) ergibt sich das Neutralino: - Könnte in ausreichender Zahl beim Bigbang produziert worden sein - Superposition von Photino, Zino, Higgsino - Stabil dank R-Parität ( vergleichbar einer Quantenzahl) 15

16 WIMPs Axionen: Aus QCD ( Theorie des Atomkerns), kein Susy-Teilchen Spin -0- Boson Zwischen 10 6 ev und 10-3 ev schwer Bisher nicht nachgewiesen Nachweise: WIMP-Experimente größtenteils an der Polen ( AMANDA, IceCube) Beruhen auf WW mit Atomkernen Indirekte Beobachtungen durch Kollisionen möglich Bisher kein experimenteller Befund 16

17 MOND, TeVes 1983 vom Israeli Milgrom publiziert MOdified Newtonian Dynamics Ansatz : µ(x) ist eine glatte, beschleunigungsabhängige Funktion, eine Konstante a 0 Relativistisch: Tensor-Vector-Scalar theory of gravity (Gegensatz: ART nur mit metrischem Tensor) CMB-Spektrum erklärbar: kosmologische Konstante bliebe erhalten, massereiche Neutrinos wären nötig, Verzicht auf dunkle Energie Insgesamt: Theorie sehr umstritten, aber noch nicht widerlegt 17

18 Kosmologie Die kosmische Hintergrundstrahlung: bestätigte die Urknalltheorie ( Strahlung Jahre nach dem Urknall) Weist eine Fluktuation von ca. ΔT /T 10 5 auf Anisotropien deuten auf kleine Strukturen hin, verursacht durch dunkle Materie Baryonische Materie allein hätte noch keine Galaxien bilden können BM fiel ins Schwerepotential der DM ergibt bekannte Zusammensetzung des Universums lieferte somit einen Beweis für das akzeptierte Modell der Kosmologie das 18

19 Λ -CDM-Modell Wichtige Parameter: H, das die Expansionsrate des Universums bestimmt (Hubble-Konstante) ( Ausdehnung des Universums mit ), das die durchschnittliche Dichte im Universum misst ρ R, der Raumkrümmungsradius des Universums k, das Vorzeichen der Raumkrümmung q, der Abbremsungsparameter, beschreibt wie die Expansion des Universums durch die Schwerkraft verzögert wird. Friedmann-Gleichung: Hieraus die kritische Dichte: H²= a /a ²= 8π G 3 ρ kritisch = 3H 0 ² 8πG v=d H 0, H 0 =71 km/ s Mpc ρ Λ 3 k a²r 0 ² bei der Gravitationskräfte die Fluchtgeschwindigkeit abbremsen, dass diese gegen 0 geht. 19

20 Das Universum ρ ρ crit, 1, k = 1, geschlossen ρ ρ crit, 1, k = -1, offen ρ=ρ crit, = 1, k = 0, flach 20

21 Die Millenium - Simulation Größte bisher durchgeführte, auf dem Λ CDM Modell beruhende N-Körper Simulation Film gibt die Verteilung der dunklen Materie an, die sehr gut mit den beobachteten Verhältnissen übereinstimmt 21

22 Quellen Wikipedia Unsöld, Baschek: Der neue Kosmos Michio Kaku: Im Paralleluniversum Physik Journal 2/ Niemeyer Skript 22