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?
Massenbestimmung aus der Bewegung von Körpern Gravitationskraft = Zentripetalkraft
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
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?
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
Strukturbildung im jungen Universum Bereits wenige 100 Mio Jahre nach dem Urknall leuchten die ersten Galaxien. Wie ist das möglich?
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
Was steckt hinter der dunklen Materie? Baryonische dunkle Materie (Planeten, Braune Zwerge, MACHOs, ) Schwarze Löcher
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 CP-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)
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?
Alternative zum Konzept der dunklen Materie Modifizierte Gravitationstheorie MOND (MOdified Newtonian Dynamics, Milgrom 1983) Relativistische Erweiterung TeVeS (Tensor-VektorSkalar, Bekenstein 2004) Welche Theorie ist richtig: Newton/Einstein mit dunkler Materie oder MOND/TeVeS ohne dunkle Materie?
Aber: Der Bullet Cluster Starker Hinweis auf die Existenz dunkler Materie? 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
E. Hubble (1929): Rotverschiebung des Galaxienlichts Interpretation der Rotverschiebung? linearer Zusammenhang H=velocity/distance
Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART): Theorie der Gravitation, beschreibt das Universum im Großen Feldgleichungen: Rμν Ricci-Tensor, beschreibt Krümmung der Raumzeit gμν metrischer Tensor der ART (Bewegungen auf Geodäten) Tμν Energie-Impuls-Tensor (setzt sich aus verschiedenen Energieformen zusammen) G Gravitationskonstante Albert Einstein (1879 1955) Λ kosmologische Konstante c Lichtgeschwindigkeit Lösungen?
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 (1888 1925)
Zu bestimmen: Hubble-Parameter H(t) (Expansionsrate des Universums; heutiger Wert H0 ) 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/ρcritical = ΣΩi kosmologische Konstante Λ bzw. Beitrag zur Dichte ΩΛ
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)
Das Hubble-Diagramm naher SNe Ia lokale momentane Expansionsrate des -1-1 Universums: H0 = 62+/-5 km s Mpc (Sandage, Tammann et al. 2006)
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?
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!???
Die Mikrowellenhintergrundstrahlung stammt aus der Epoche der Rekombination des Universums 380 000 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
Das Powerspektrum der CMBTemperaturfluktuationen Interpretation der Peaks?
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 Damit steht die Gesamtenergiedichte fest Ergebnis hängt vom HubbleParameter ab Flachheit des Raumes starkes Indiz für eine inflationäre Frühphase (löst Flachheitsund Horizontproblem)
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%!)
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.
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
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)