Gelöste Geheimnisse der Astrophysik

Transkript

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2 Gelöste Geheimnisse der Astrophysik Energiequelle der Sterne? Kernfusion Neutrinoproblem? Neutrinooszillationen Elementensynthese/chemische Entwicklung des Universums Natur der Spiralnebel? Welteninseln / Sternwolken wie die Milchstraße Entwicklungsgeschichte des Universums vom Urknall bis heute

3 Gliederung Dunkle Materie Massenbestimmung von Galaxien/Galaxienhaufen Entstehung großräumiger Strukturen Kandidaten für dunkle Materie Alternative Vorstellungen Dunkle Energie Die Urknall-Hypothese, die Expansion des Universums, Supernovae und die dunkle Energie Was steckt hinter der dunklen Energie? Gibt es dunkle Energie wirklich?

4 Massenbestimmung aus der Bewegung von Körpern Gravitationskraft = Zentripetalkraft

5 Massenbestimmung von Galaxien Sterne bewegen sich in den Scheiben von Spiralgalaxien gleichsinnig um das Galaxienzentrum Bewegungsgeschwindigkeit der Sterne als Maß für die Galaxienmasse Rotationskurven der Galaxien sind flach Galaxien enthalten viel mehr Masse als wir leuchten sehen M/L 100

6 Massenbestimmung von elliptischen Galaxien Massenbestimmung mit Virialsatz Mittlere Geschwindigkeit der Sterne ist Maß für die Gesamtmasse der Galaxie Virialmasse ist um Faktor 10 bis 100 größer als leuchtende Masse Dunkle Materie?

7 Massenbestimmung von Galaxienhaufen Massenbestimmung mit Virialsatz Virialmasse ist wesentlich größer als leuchtende Masse Konsistent mit Massenbestimmung aus der Temperatur des intergalaktischen Gases in Haufen und aus dem Gravitationslinseneffekt dunkle Materie Ohne dunkle Materie würden Haufen innerhalb kurzer Zeit zerfallen

8 Strukturbildung im jungen Universum Bereits wenige 100 Mio Jahre nach dem Urknall leuchten die ersten Galaxien. Wie ist das möglich?

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10 Großräumige Strukturen aus großen Rotverschiebungs-Surveys (2dF, SDSS,...) lässt sich die großräumige Materieverteilung im Universum und das Verhältnis baryonischer zu dunkler Materie ableiten in Simulationen wird das Entstehen großräumiger Strukturen nachvollzogen Dunkle Materie als Kondensationskeim für leuchtende Materie

11 Was steckt hinter der dunklen Materie? Baryonische dunkle Materie (Planeten, Braune Zwerge, MACHOs, ) Schwarze Löcher

12 Nicht-baryonische dunkle Materie Nicht-baryonische dunkle Materie: Neutrinos ( hot dark matter, HDM) WIMPs ( cold dark matter, CDM) supersymmetrische Teilchen, z.b. Neutralino Axion (Postulat aus einer Symmetriebrechung der Quantenchromodynamik) Direkte experimentelle Hinweise bisher nicht eindeutig (z.b. PAMELA: Positronen-Überschuss in der kosmischen Strahlung; aus vermuteter Annihilation supersymmetrischer Teilchen der dunklen Materie)

13 Dunkle Materie: supersymmetrische(s) Teilchen? Hypothese: Zu jedem Teilchen gibt es ein ein sehr viel schwereres supersymmetrisches Teilchen (...ino ). Das leichteste stabile Teilchen (Neutralino) ist ein Kandidat für die dunkle Materie. Experimenteller Nachweis durch LHC?

14 Alternative zum Konzept der dunklen Materie Modifizierte Gravitationstheorie MOND (MOdified Newtonian Dynamics, Milgrom 1983) Relativistische Erweiterung TeVeS (Tensor-Vektor- Skalar, Bekenstein 2004) Welche Theorie ist richtig: Newton/Einstein mit dunkler Materie oder MOND/TeVeS ohne dunkle Materie?

15 Starker Hinweis auf die Existenz dunkler Materie? Aber: Der Bullet Cluster Zwei Galaxienhaufen stoßen zusammen Der größte Teil der baryonischen Materie in den Haufen liegt als heißes Gas vor Das Gas spürt den Zusammenstoß am meisten Aus dem Gravitationslinseneffekt lässt sich das gesamte Gravitationspotenzial rekonstruieren, das durch dunkle Materie dominiert ist Gasverteilung (rot) und Gravitationspotenzial (blau) stimmen nicht überein Effekt durch MOND-Theorie nicht erklärbar

16 E. Hubble (1923): Spiralnebel sind Welteninseln aus Sternen wie die Milchstraße Edwin Hubble ( )

17 E. Hubble (1929): Rotverschiebung des Galaxienlichts Interpretation der Rotverschiebung? linearer Zusammenhang H=velocity/distance

18 Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART): Theorie der Gravitation, beschreibt das Universum im Großen Feldgleichungen: R μν Ricci-Tensor, beschreibt Krümmung der Raumzeit g μν metrischer Tensor der ART (Bewegungen auf Geodäten) T μν Energie-Impuls-Tensor (setzt sich aus verschiedenen Energieformen zusammen) G Gravitationskonstante Λ kosmologische Konstante c Lichtgeschwindigkeit Lösungen? Albert Einstein ( )

19 Kosmologisches Prinzip: Universum ist homogen und isotrop ( Robertson-Walker-Metrik) Feldgleichungen der ART mit kosmologischem Prinzip Friedmann-Gleichung R(t): Skalenfaktor des Universums k: Raumkrümmungskonstante A. Friedmann ( )

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21 Zu bestimmen: Hubble-Parameter H(t) (Expansionsrate des Universums; heutiger Wert H 0 ) k Raumkrümmungskonstante (k=0: euklidisch flach, k=+1 parabolisch, k=-1 hyperbolisch) Bremsparameter q(t) bzw. Dichte ρ(t) bzw. Dichte im Verhältnis zu kritischen Dichte Ω = ρ/ρ critical = ΣΩ i kosmologische Konstante Λ bzw. Beitrag zur Dichte Ω Λ

22 Supernovae Typ Ia als Standardkerzen SN Ia: Explosion eines CO-Zwerges, der von einem Begleiter Masse aufnimmt und dabei die Chandrasekhar-Grenzmasse von 1,4 Sonnenmassen überschreitet. einheitliche absolute Helligkeit im Maximum M=-19.5 mag (hängt noch etwas von der Abklingrate ab)

23 Das Hubble-Diagramm naher SNe Ia lokale momentane Expansionsrate des Universums: H 0 = 62+/-5 km s -1 Mpc -1 (Sandage, Tammann et al. 2006)

24 Das Hubble-Diagramm ferner SNe Ia Ferne SNe Ia weichen von der Linie gleich-mäßiger Expansion ab Messfehler? (schwierige Photometrie, Korrekturen etc.) Haben ferne SNe Ia die gleichen Eigenschaften wie nahe?

25 Beschleunigte Expansion aus dem Hubble-Diagramm ferner SNe Ia ferne SNe schwächer/weiter entfernt als erwartet Expansionsgeschwindigkeit in den letzten 6 Mrd Jahren gewachsen! Dunkle Energie!???

26 Die Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) das Echo des Urknalls erlaubt Rückschlüsse auf globale Eigenschaften des Universums Penzias & Wilson 1965

27 Die Mikrowellenhintergrundstrahlung stammt aus der Epoche der Rekombination des Universums Jahre nach dem Urknall, zu der das Universum durchsichtig wird (letzte Streuung der Photonen am Plasma) hat das Spektrum eines Schwarzen Körpers der Temperatur 2.73 K ( z 1100) insbesondere ihre Temperaturfluktuationen enthalten wichtige Informationen über die physikalischen Bedingungen seit dem Urknall

28 Akustische Wellen im primordialen Plasma (siehe Wayne Hu, Erwärmung in den Plasmabereichen, wo Teilchen in einen Potentialtopf fallen Abkühlung außerhalb der Potentialtöpfe

29 Schwingungsmoden im primordialen Plasma

30 Das Powerspektrum der CMB- Temperaturfluktuationen Interpretation der Peaks?

31 Der erste Peak je nach Raumkrümmung erscheinen die Fluktuationen unter einem anderen Raumwinkel Ergebnis: Innerhalb der Messgenauigkeit ist der Raum flach und damit ist die mittlere Dichte des Universums kritisch Interpretation hängt vom Modell der Fluktuationen im primordialen Plasma ab Ergebnis hängt vom Hubble- Parameter ab Flachheit des Raumes starkes Indiz für eine inflationäre Frühphase (löst Flachheitsund Horizontproblem)

32 Der zweite Peak erster Oberton, bestätigt die Interpretation des ersten Peaks als Grundschwingung einer akustischen Schwingung im primordialen Plasma Das relative Verhältnis des ersten zum zweiten Peak spiegelt den Baryonenanteil an der Energiedichte wider (ca. 5%!)

33 Der höheren Peaks sind empfindlich auf das Verhältnis der Energiedichten von früh klumpender dunkler Materie zu Strahlung, da die Strahlung in der strahlungsdominierten Frühphase des Universums das Potential der Materieverteilung ändert und nur die höheren Schwingungsmoden noch in der kurzen strahlungsdominierten Frühphase angeregt werden.

34 Das kosmologische Konkordanz-Modell SNe Ia, CMB, Galaxienhaufen und andere Messungen ergeben weitgehend unabhängig voneinander ein konsistentes Bild des Aufbaus und der Geschichte des Universums.

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36 Was steckt hinter der dunklen Energie? Kosmologische Konstante? (ursprünglich Einstein, 1917) Zeitlich konstant, quantenmechanische Nullpunktsenergie? Derzeit durch Supernova-Daten bevorzugt (w=1). Quintessenzen? Energiedichte der dunklen Energie ist zeitlich variabel

37 Gibt es die dunkle Energie wirklich? Der Kosmos ist auf großen Skalen nicht homogen ( Seifenblasenuniversum ). ART: Je nach Massendichte ist die Raumzeitkrümmung verschieden Damit sind auch die lokalen Eigenzeiten verschieden. Effekte der dunklen Energie möglicherweise durch intrinsische Zeitverschiebungen nur vorgetäuscht (Leith, Ng, Wiltshire 2008)