Dunkle Materie und die Rotation der Milchstraße Vortrag im Rahmen des Seminars Entstehung und Entwicklung der Galaxis Marius Halosar 11.01.2013
Inhalt Ganz kurze Geschichte der dunklen Materie (DM) Einige Gründe, warum sie eingeführt wurde Die Galaxis und ihre Parameter Rotationskurven Der Bullet Cluster und der Beweis für DM Gegenmeinungen Alternativen zur DM Analyse der DM Ende
Warum Dunkle Materie? Schon im Jahr 1933 entdeckte Fritz Zwicky durch Anwendung des Virialtheorems auf den Coma Haufen, dass dieser nicht durch die Gravitationswirkung seiner sichtbaren Bestandteile allein zusammengehalten werden kann. Er postulierte daher als erster den Begriff Dunkle Materie. Seine Hypothese stieß aber auf breite Ablehnung. Seit ca. 1960 wurde insbesondere von der amerikanischen Astronomin Vera Rubin die Rotationsgeschwindigkeit von Spiralgalaxien untersucht. Die Rotationskurven zeigen in den äußeren Bereichen keine 1/r Abnahme, wie es nach Newton sein sollte, sondern laufen flach. Dieses Verhalten konnte nur durch einen Halo aus dunkler Materie erklärt werden! Gravitationslinsen Strukturbildung im frühen Universum und Silk Dämpfung (Joseph Silk,1968) Die intensive Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie bei hohen Temperaturen dämpfte nach dem Urknall effizient die Bildung von Strukturen auf kleinen Skalen im expandierenden Kosmos. (Silk Dämpfung) Daher sollten auf diesen Skalen auch keine Temperatur - bzw. Dichteschwankungen in der Hintergrundstrahlung erkennbar sein. Zum Zeitpunkt der Rekombination waren diese Fluktuationen aber bereits vorhanden. ( δ P ~ 10-5 ) Da dies aber nicht auf das Klumpen von baryonischer Materie zurückgeführt werden kann, wird angenommen, dass nicht mit Strahlung wechselwirkende dunkle Materie Potentialtöpfe gebildet hat, um die sich die Fluktuationen herausbildeten! Die bisher größte N-body (Milleniums)-Simulation XXL enthält 6720 3 DM - Partikel mit je 8,5.10 9 M sun in einer Box von 4,1 Gpc Seitenlänge und umfasst 13,7 GJ. Sie verfolgt das nichtlineare Wachstum von DM-Strukturen in einem expandierenden Universum. (2011)
Millenium survey XXL, erstellt am Jülich Supercomputer, 2010. Jeder Zoom bringt 8 fache Vergrößerung
Die Galaxis und ihre Parameter Unsere Milchstraße besteht wie alle Spiralgalaxien aus dem Bulge, der Scheibe (dicke und dünne Scheibe), sowie dem Halo, der näherungsweise als isotherme Kugel angesehen werden kann. Diesem wird die Masse der dunklen Materie zugerechnet. Es handelt sich um ein stoßfreies System und die Sterne und das Gas bewegen sich im gemeinsamen Gravitationspotential. Das System relaxiert durch Phasenmischung. Die grundlegenden Parameter für das Milchstraßensystem sind nach wie vor kontrovers, was besonders die Rotationsgeschwindigkeit am Ort der Sonne, den Abstand zum GZ und die Oortschen Konstanten betrifft. Mit den offiziellen Empfehlungen der IAU von : V R = 220 km/s und R 0 = 8,5 Kpc ergibt sich für einen Sonnenumlauf P = 240.10 6 Jahre
Rotationskurven der Galaxis Rotationskurven sind grundlegend für die Massenverteilung Enorme Datenmengen wurden zu deren Ermittlung mit verschiedenen Methoden zusammengetragen: HI und CO Linienmessungen für die innere Galaxis optische Distanz -u. Geschwindigkeitsmessungen sowohl vom Boden aus, als auch durch Satelliten für die äußere Galaxis. Trotz aller dieser Anstrengungen ist die Rotationskurve der Galaxis bislang nur annähernd bekannt, da die Messwerte besonders außerhalb der Sonnenbahn stark streuen. Eine japanische Studie, die alle bekannten Messwerte an einheitliche Ausgangsparameter anpasst, soll im Folgenden vorgestellt werden (Y. Sofue et. al, 2008): Unified Rotation Curve of the Galaxy Decomposition into the Vaucouleurs Bulge, Disc, Dark Halo and the 9 kpc rotation Dip
Der Aufbau der Milchstraße Gesamtmasse der individuellen Komponenten Bulge Masse: M = 1,8. 10 10 M о zentrale Dichte: ρ Scheibe Masse: M = 6,5. 10 10 M 0 zentrale Dichte: ρ = 8 M о /pc 3 Balken angenommene halbe Länge: 4 kpc Dunkler Halo Masse:(r=20 kpc) M = 1,24. 10 11 M 0 zentrale Dichte: ρ = 0,03 M 0 /pc 3 Gesamte Masse (bei r=20 kpc) M = 2.07. 10 11 M 0
Die galaktische Rotationskurve Bemerkenswert an der Kurve sind insbesondere die beiden Minima bei 3 und 9 kpc Abstand vom Zentrum. Nachdem beide in allen Plots jüngeren Datums auftreten (HI-Dicke, C-Sterne, OB-Sterne, H II-Regionen) scheint es sich um ein azimutal großskaliges Phänomen zu handeln und nicht nur um lokale Abweichungen naher Sterne von einer Kreisbewegung. Die Senke bei 3 kpc könnte mit dem Balken in Verbindung stehen, die bei 9 kpc wird von den Autoren mit einem massiven Ring bei 11 kpc erklärt.
Kumulierte Rotationskurven von Spiralgalaxien RGs naher Spiralgalaxien: Die Rotationskurven bleiben weit über die opt. Scheibe (10 kpc) hinaus flach! Diese äußeren (Gas) - Scheiben wurde mit der HI-21 cm Linie vermessen.
Bullet-Cluster: 1E0657 558 (z = 0.296) Image Credit: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.overlaid with X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al.
Merging von 2 Galaxienhaufen Die beiden Haufen haben sich vor 100 MJ kollisionsfrei durchdrungen. (Entfernung ca. 1 Gpc) Das heiße Clustergas hingegen ist aufeinander geprallt, geschockt, und hinkt den Haufen nach Die Masse des Röntgen-Plasmas ist größer als die der baryonischen Materie in den jeweiligen Haufen Die Schwerpunkte der Massenkonzentrationen von Haufen bzw. Gas sind räumlich deutlich getrennt Beide Haufen bewirken auf Hintergrundgalaxien einen Lensingeffekt (Krümmung u. Verstärkung), durch den das effekt. Potential der Linsen ermittelt werden kann Die Konturen des Gravitationspotentials mit ihren Maxima entsprechen recht genau jenen der Haufen und nicht denen des heißen Plasmas! Dieser Gravitationslinseneffekt kann nur durch nicht sichtbare dunkle Materie erklärt werden, die wegen ihrer schwachen WW mit sich selbst und dem Plasma nichtbaryonischer Natur sei dürfte Eine Änderung des Gravitationsgesetzes oder der ART kann diese Beobachtung nicht erklären! Quelle: Clowe et al. A DIRECT EMPIRICAL PROOF OF THE EXISTENCE OF DARK MATTER (2006)
Warum keine Dunkle Materie? Im Paper Local-Group tests of dark-matter concordance cosmology (Kroupa et al.,2010) untersuchen die Autoren 5 unvereinbare Probleme zwischen beobachteten Eigenschaften der Satellitengalaxien im lokalen Universum und der CDM des λ-ccm der Kosmologie: 1) CCM sagt eine Relation zwischen der CDM Masse und der Leuchtkraft der Milchstraße voraus, die aber nicht beobachtet wird. 2) Die Massenverteilung der beobachteten DM-Halos von Satellitengalaxien ist mit der λ-cdm Hypothese höchstens mit 4,5% Wahrscheinlichkeit verträglich. 3) Die Beobachtung von Spiralgalaxien indiziert eine Korrelation zwischen der Bulgemasse und der Anzahl leuchtkräftiger Satelliten, die aber vom CCM nicht vorausgesagt wird. 4) Sowohl die 11 klassischen Satellitengalaxien, als auch deren 13 leuchtschwache neu entdeckte Zwerggalaxien der MS bilden eine gemeinsame schmale Scheibe, die nahezu senkrecht auf die MS orientiert ist. Das CCM sagt eine isotrope Verteilung voraus. 5) Das Invariant baryonic galaxy Problem. Der chilenische Astronom Moni Bidin verfasste (April 2012) Kinematical and chemical vertical structure of the galactic thick disc. A lack of DM in the solar neighborhood, wobei er in der Sonnenumgebung keinerlei DM entdeckte, jedoch einen prolaten Halo aus dunkler Materie nicht ausschließen konnte. Bereits im Juli 2012 fanden hingegen Silvia Garbari et al. in A new determination of the local dark matter density from the kinematics of K dwarfs die lokale Dichte der DM in der Sonnenumgebung ρ = 0,025 M o /pc 3. Die lokale Dichte extrapoliert aus der Rotationskuve bei angenommenem sphärischem Halo liegt bei 0,005-0,013 M o /pc 3 (Weber & Boer,2010)
Dark matter, a debate um die Existenz bzw. Nichtexistenz der dunklen Materie am 18. Nov. 2010 in Bonn zwischen: Professor Simon White, Direktor am Max-Planck Institut (links) und Professor Pavel Kroupa von der Universität Bonn (rechts)
Alternativen zur dunklen Materie? In den letzten Jahre ist das Konzept der DM vermehrt in Zweifel gezogen worden, was durch die beschriebene Debatte auch in der Öffentlichkeit Spuren hinterlassen hat. Doch welche Alternativen bieten sich an? Eine Modifikation der Newtonschen Dynamik erscheint als ketzerischer Akt. Aber: Das Grundgesetz musste schon 3x modifiziert werden: 1) Bei kleinen Abständen (Durch die Quantenmechanik) 2) Bei hohen Geschwindigkeiten (Durch die spezielle Relativitätstheorie) 3) Bei großen Massen (Durch die ART) Der israelische Physiker Mordehai Milgrom schlug daher 1983 eine weitere Modifikation des Grundgesetzes bei geringen Beschleunigungen vor, um die Rotationskurven bei Scheibengalaxien ohne DM erklären zu können: MOND STVG (Skalar-Tensor-Vektor Gravity) wurde von dem Physiker John Moffat entwickelt und ist eine weitere alternative Theorie, die unter dem Namen MOG (modified gravity) bekannt geworden ist. Sie postuliert ein Vektorfeld Φμ und 3 Konstante G,μ,ω, die Skalarfeldern zugeordnet werden. MOG konnte erfolgreich an einer Reihe von astrophysikalischen und kosmologischen Phänomenen getestet werden und löst auch das Problem des Bullet-Clusters ohne Zuhilfenahme von DM.
MOdifizierte Newton`sche Dynamik (MOND Hypothese) Grundlagen: aus F = m. a wird F = m. μ( a/a 0 ). a wobei μ( a/a 0 ) = 1 für a/a 0 >> 1 und μ( a/a 0 ) = a/a 0 für a/a 0 << 1 a 0 ist eine neue Naturkonstante, die beschreibt, ab wann die Modifikation relevant wird. Milgrom bestimmte sie zu a 0 = 1,2. 10-10 m / s 2 bzw. a 0 = 3,9 pc / Myr 2 Es gilt: F = m. G. m G. r -2 und für a /a 0 << 1 erhält man G. m G.r -2 = a 2 /a 0 Somit wird a = (G. m G. a 0 ) ½ / r Kreisbahnbeschleunigung: a = v 2 / r Damit wird: v 2 = (G. m G. a 0 ) ½ Daraus folgt, dass die Rotationsgeschwindigkeit in weitem Abstand konstant ist und nicht mehr vom Radius abhängt. Die Funktion μ( x ) wird kann aus μ( x ) = x / (1+x) oder aus μ( x ) = x /(1+x 2 ) ½ berechnet werden. Eine relativistische MOND-Formulierung wurde 2004 von Jakob Bekenstein vorgeschlagen und ist als Tensor-Vektor-Skalar Gravitationstheorie bekannt.
Was ist dunkle Materie? Im λcdm Modell beträgt der Anteil der DM aus den WMAP - Daten im Universum 22,2%. Es ist sehr merkwürdig, dass wir dabei nicht einmal ansatzweise wissen, woraus sie besteht. Diese Tatsache zählt neben der Dunklen Energie zu einer der wichtigsten Fragen der modernen Kosmologie. Geforderte Eigenschaften an die DM: Sie sollte nichtbaryonischer Natur sein, d.h. außer über die Gravitation nicht mit baryonischer Materie, Strahlung oder sich selbst wechselwirken. Sie sollte sehr früh entkoppelt haben, sodass die Strukturbildung schon bald nach dem Urknall einsetzen konnte. Man unterscheidet heiße (HDM), warme (WDM) und kalte (CDM) dunkle Materie Als HDM kommen in erster Linie Neutrinos in Betracht. Durch ihre große freie Weglänge kommen sie aber für das beobachtete bottom-up Szenario nicht in Frage. (Kleinere Strukturen als Galaxienhaufen werden ausgewaschen!) Zur WDM zählen verschiedene supersymmetrische Teilchen z.b. das Gravitino. Als Kandidaten für die CDM sind die hypothetischen WIMPs (weakly interacting massif particle) und die Axionen, die in der QCD eine Rolle spielen,im Gespräch Für beide Teichen sind bereits aufwändige Nachweisexperimente gelaufen. Gefunden hat man dabei bisher...
NICHTS! Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! ENDE