Dunkle Materie. Kurt Grießer

Dunkle Materie Kurt Grießer 1

Stephen Hawking: Die kürzeste Geschichte der Zeit: Was (wie viel) wissen wir wirklich über das Universum? 2

Stephen Hawking: Die kürzeste Geschichte der Zeit: Wieso wissen wir es? 3

Prof. H. Lesch in einem Interview 2006: Das größte Problem, das uns Astrophysiker quält, ist die Dunkle Materie. Meinem Dafürhalten nach ist dieses Problem für die Astrophysiker die absolute Katastrophe. Es ist fürchterlich. 4

Wieso wissen wir etwas über dunkle Materie? Was wissen wir über dunkle Materie? Woraus besteht Sie? Steht die Astronomie vor einer neuen Revolution? Konsequenzen für die Kosmologie? 5

September 2005 6

April 2009 7

August 2010 Dem dunklen Universum auf der Spur 8

Inhalt Teil 1: Wir wissen von Umfang und Verteilung dunkler Materie durch ihre Gravitationswirkung. Teil 2: Diese Entdeckung revolutioniert ein weiteres Mal (4) die Physik und die Astronomie. 10

Inhalt Teil 1: Wir wissen von Umfang und Verteilung dunkler Materie durch ihre Gravitationswirkung. Teil 3: Wir wissen (noch) nicht, woraus, aus was für Teilchen die Dunkle Materie besteht. 11

Inhalt Teil 1: Wir wissen von Umfang und Verteilung dunkler Materie durch ihre Gravitationswirkung. Teil 4:. Kosmologische Bedeutung der Dunklen Materie 12

dunkel? nicht leuchtend Keine elektromagnetische Wechselwirkung 13

Leuchtende Materie ist diejenige, die mittels elektromagnetischer Strahlung jeglicher Frequenz beobachtbar ist. d.h. Materie, die aus Protonen, Neutronen (Quarks) und Elektronen besteht. Baryonische Materie. 14

Snake 15

Pferdekopfnebel 16

Infrarot-Aufnahme: Molekül- bzw. Dunkelwolke Banard 68 17

Radio-Strahlung 18

Wasserstoff. 19

Dunkel: Keinerlei Signale durch. elektromagnetische Wechselwirkung jeglicher Frequenz. Nur indirekte Beobachtung möglich, da elektromagnetische Strahlung die einzige Möglichkeit der Datenübermittlung aus dem Kosmos darstellt. 20

Feitzinger: (Galaxien und Kosmologie) Dunkle Materie ist Etwas, das zwar Träger von Gravitationskräften ist, aber über elektromagnetische Strahlung direkt nicht nachgewiesen werden kann oder noch nicht nachgewiesen werden konnte. 21

Es fällt schwer, die Vorstellung zu akzeptieren, es gäbe Materie, die unsichtbar ist und dennoch alles Sichtbare beeinflussen kann. 22

Wasserstoff. Zur dunklen Materie zählen nicht: Exoplaneten lichtschwache Sterne (Braune Zwerge) Schwarze Löcher Gas- oder Staubwolken 23

Wasserstoff. Zur dunklen Materie zählt nicht: Die sogenannte baryonische Materie bestehend aus Protonen, Neutronen, Elektronen 24

Erste Hinweise Jan Oort (1900 1992) Fritz Zwicky ( 1898-1974 ) 25

S&T1993//4 26

Fritz Zwicky 1898-1974 27

Durchbruch Vera Rubin 1928 Vera Rubin 1950 Dipl. 28

Kann aus der Leuchtkraft eines Systems (Galaxie) auf dessen (deren) Masse geschlossen werden? Vera Rubin 1950 Dipl. 29

Beweise für Dunkle Materie 1. Rotationsmuster einzelner Spiralgalaxien 2. Hohe thermische Geschwindigkeit von Galaxien in Galaxienhaufen 3. Röntgenblasen in Galaxienhaufen Kollision zweier Galaxien 4. Gravitationslinseneffekt 30

Masse, Radius Umlaufsgeschwindigkeit Umlaufsgeschwindigkeit, Radius Masse 31

Rotationsmuster unseres Planetensystems Zentrifugalkraft = Gravitationskraft v G Z 32

Rotationsmuster unseres Planetensystems Zentrifugalkraft = Gravitationskraft Z v M m G R 33

Zentrifugalkraft = Gravitationskraft mv2 mm = G ; R R² v2 GM = : R R² G M v² = R G M R R v2 M = G v = 34

47,9 km/s v = v G M R 1 R 35,0 29,8 Kepler -Kurve 24,1 13,1 9,6 6,8 5,4 4,7 35

Sind gleiche Überlegungen auch bei Galaxien möglich? 36

Radialgeschwindigkeits Rotationsbild M31 Rot: Entfernung Blau: Annäherung Weiß: keine Abstandsänderung 37

RadialgeschwindigkeitsRotationsbild M31 Weiß: nur Ortsänderung keine Abstandsänderung Änderung: in 2.000 Jahren 1/10 Bogensekunde 38

Doppler Sterne bewegen sich von uns weg Maximaler Dopplereffekt Sterne bewegen sich auf uns zu 40

Kein Doppler-Effekt messbar Erde 41

Zur Berechnung 42

v R M 43

V² = GM/R V ρ = const M R 44

GM v = R 2 4 innen : M = ρ V = ρ π R 3 3 ρ = konst 45

GM v = R 2 4 innen : M = ρ V = ρ π R 3 ρ = konst 3 3 G ρ 4 π R 2 2 v = R ; v R Gerade 3R 46

V V² = GM/R M: fast die gesamte leuchtende Masse liegt innerhalb von R R 47

Kepler - Kurve 48

47,9 km/s v = v G M R 1 R 35,0 29,8 Kepler -Kurve 24,1 13,1 9,6 6,8 5,4 4,7 49

Wie wird die Geschwindigkeit gemessen? 50

Feitzinger S.63 51

Doppler - Effekt λ λ v = c λ v = c λ 52

Feitzinger S.64 53

Kein Doppler-Effekt messbar A+R Folie 54

Kein Doppler-Effekt messbar 55

Kein Doppler-Effekt messbar Eigenbewegung des Zentrums der Milchstraße 56

Eigenbewegung: μ = 5,9 mbs/a R = 7,94 kpc μ R V = 220 km/s M = 3,6 1011 M V = Rμ 57

Vg = 225 km/s Vb = 15 km/s M = v² r / G Mg = 3,6 1011 M Mb = 1,6 109 M 58

Vg = 225 km/s M = v² r / G Vb = 15 km/s Mg = 3,6 1011 M Mb = 1,6 109 M Prozentualer Anteil der Dunkelmaterie M g Mb Mg Mb = 1 = 1 Mg vb v g 2 = 99,5 % 59

Spektr.d.Wiss. Kosmologie 61

blau: H 21-cm-Linie SuW2008/5/37 violett: IR-UVEmisson 62

Geschwindigkeitsfeld: rot: vom Beobachter weg blau: auf den Beobachter zu SuW2008/5/37 63

SuW2008/5/37 64

Sc - Galaxien Sc - Galaxien 9 Rotationskurven Zunehmende Leuchtkraft d.h. zunehmende Masse d.h. zunehmende Umlaufgeschw. VON oben nach unten Spektr.d.Wiss. Kosm. V.R. DM S.69 65

Sc - Galaxien Bis jetzt (1990) ist noch keine galaktische Rotationskurve beobachtet worden, die in eine Kepler-Kurve übergegangen ist. Trefil: Fünf Gründe S.109 66

GM v = R 2 v = konst v2 M = R G M R. 67

GM v = R 2 4 v 3 M = π R ρ = R 3 G k1 R 3 ρ = k 2 R 2 v = konst R3 ρ = k R 1 ρ R2 68

Trefil: Fünf Gründe 69

. S&T2008/8/33 70

Projezierte Dichte der Dunklen Materie in einer simulierten Galaxie mit der Größe der Milchstraße. Myriaden von Klumpen aus Dunkler Materie kreisen in dem Halo der Galaxie.. 71

Struktur einer Spiralgalaxie früher!! heute Spektr.d.Wiss. Kosmologie 72

Weitere Gesetzmäßigkeit: Fluchtgeschwindigkeit Virialsatz 73

Virial - Satz In einem gravitativ abgeschlossenen Gebiet ist die potentielle Energie dem Betrage nach gleich der doppelten kinetischen Energie. Epot = 2 Ekin Beispiel: Planetensystem. 74

Virial - Satz Gravitationskraft = Zentripedalkraft mm G R2 mm G R mm G R = mv2 R = mv2 = m 2 2 v 2 E pot = 2 E kin. 75

Virial - Satz Gravitationskraft G m M / R² = Zentrifugalkraft = G m M/ R = E pot. m v² / R 2* (v² * m/2) = 2 Ekin 76

Fluchtgeschwindigkeit bei vorgegebener zentraler Gesamtmasse Gravitationskraft = Zentripedalkraft mm G R2 mm G R mv2 = R = v =. mv2 G M R 77

Masse bei vorgegebener Flucht-Geschwindigkeit Gravitationskraft = Zentripedalkraft mm G R2 mm G R mv2 = R = mv 2 M = R v2 G Erforderliche gravitativ wirkende Masse M, einen Körper mit der Geschwindigkeit v im Gravitationsfeld zu halten.. 78

Anwendung auf einen Galaxienhaufen 79

Galaxienhaufen Wassertropfen Bestandteile Wasser-Moleküle Galaxien Zusammenhalt Oberflächenspannung Schwerkraft Temperatur Wärmebewegung Bewegung der G.. 80

Galaxienhaufen Wassertropfen Temperatur Wärmebewegung Bewegung der G. Temperaturzunahme Zusammenhalt nur gewährleistet, wenn Virialsatz erfüllt d.h. wenn v kleiner als die Fluchtgeschwindigkeit ist. Zunahme der W.- Bewegung Tropfen verdampft Mindestmasse erforderlich:. 81

Mindestmasse um eine Galaxie mit der Geschwindigkeit v im Haufen zu halten: M. Rv G 2 82

M Masse Leuchtkraft aller Einzelgalaxien Rv G 2 Radius R zum Schwerpunkt Geschwindigkeiten aller Einzelgalaxien Obige Bedingung n i c h t erfüllt. 83

Coma - Haufen S&T2008/8/32 85

Galaxienhaufen Coma Haufen Röntgen -Aufnahme (rot) der visuellen Aufnahme überlagert Spektr.d.Wiss. Kosmologie 86

Galaxienhaufen Röntgenstrahlung Galaxien Temperatur Geschwindigkeit Masse Wärmebewegung Geschwindigkeit Mindestmasse erforderlich Coma Haufen Mindestmasse nicht erreicht 87

Galaxienhaufen Coma Haufen Röntgen -Aufnahme (rot) der visuellen Aufnahme überlagert Spektr.d.Wiss. Kosmologie 88

Visuelles Licht Spektr.d.Wiss. Kosmologie Röntgenlicht hohe Temperatur 89

2 sich durchdringende Galaxienhaufen 90

DM Spektr.d.Wiss. Kosmologie 92

Rö Spektr.d.Wiss. Kosmologie 93

I II Gas Gas Gal St Gal St DM DM 95

I II Gal St DM Gas Gal St DM 96

Dieses Bild hat die Zweifler an der Dunklen Materie auf weniger als 2 % der Astronomen reduziert. So stümperhaft (Kesselflicker) geht man mit einem physikalischen Gesetz nicht um, das über 300 Jahre jeden Test bestanden hat. S&T2008/5/32 97

Spiegel 98

Spiegel 99

Spiegel 100

Spiegel 101

MACJS0025.4-1222 NASA 102

Dunkle Sterne? Antwort: nein Energieabstrahlung durch Infrarot im Frühstadium der Kontraktion nicht möglich. 104

Dunkle Galaxien? Antwort: ja VIRGO HI21 Beobachtungstatsachen Rotierende Wasserstoffwolke, Rotationskurven lassen auf eine Massenansammlung in Form einer Galaxie schießen. Masse: 1010 Sonnenmassen davon nur 1 % neutraler Wasserstoff (21cm Linie) Entfernung: 50 Mio Lj keine leuchtenden Sterne feststellbar vorhandene Sterne müssten sichtbar sein.. Internet 105

Virgo HI 21. Dunkle Galaxien 106

Beobachtungsorte: Arecibo Observatory Cardiff University Wales Westerbork Synthesis Radio Teleskop, Niederlande. Intrenet 107

Das allein entscheidende Kriterium für das Vorhandensein von Materie ist nicht ihre Leuchtkraft, sondern ihr Fähigkeit andere Massen anzuziehen. Dunkle Materie ist überall dort zu finden, wo leuchtende Materie sichtbar ist. (Umgebung von Galaxien; zwischen Galaxien in Galaxienhaufen) 111

Materie Gravitation Ist die Gravitation gleichsam ein Dogma der Astronomie, das wie die Bibel der Religion oder das Grundgesetz unseres Staates über jeden Zweifel erhabene Gültigkeit beanspruchen kann? 112

MOND MOdifizierte Newtonsche Dynamik Gravitationsgesetz 1/r² Dunkle Materie Mordehai Milgram: 1983 Gravitationsgesetz 1/r Keine DM 113

MOND Mordechai Milgrom 1987 S&T2007/4/33 114

MOND S&T2007/4/31 115

MOND Newton m v2 mm = GN 2 ; r r GN M v = r 2 Mi lg rom (e inf ach) : m v2 mm = GM ; r r v 2 = GM M = const 116

MOND GN M v = r GM M = vm2 GN r = GM G N > > GM 2 N 117

MOND Das Milgram sche Gesetz soll für sehr groß r gelten. r groß GN/GM groß GM sehr klein Bei geschickter Wahl von GM könnte man folgende Ergebnisse erzielen: 118

MOND 119

MOND S&T2008/8/32 120

MOND S&T2007/4/31. 121

MOND Milrams Vorschlag Nur anwendbar auf kleinere Galaxien (Newton sches Gesetz) nicht anwendbar großräumig (ART) Galaxienhaufen Mikrowellenhintergrund Gravitationslinsen 122

Gravitationslinse. 123

Gravitationslinse X = 4 G M / (c² d) Winkel x d M = (c² d) * X / 4 G 124

Gravitationslinse Abell 2218 125

Diese Ergebnisse stellen erneut eine Revolution in Physik und Astronomie dar. 126

Revolution 4 127

Revolution 1 Vom geozentrischen zum heliozentrischen Weltbild Kopernikus 1473-1543 Galilei 1564 1642 Tycho Brahe Kepler 1525 1601 1571-1630 Newton 1642-1727 128

Revolution 1 Vom geozentrischen zum heliozentrischen Weltbild Kopernikus an der astronomischen Uhr des Straßburger Münsters 1473-1543 129

Revolution 1 Vom geozentrischen zum heliozentrischen Weltbild Tycho Brahe 1525-1601 130

Revolution 1 Vom geozentrischen zum heliozentrischen Weltbild Galileo Galilei 1564-1642 131

Revolution 1 Vom geozentrischen zum heliozentrischen Weltbild Johannes Kepler 1571-1630 132

Revolution 1 Vom geozentrischen zum heliozentrischen Weltbild Keplersche Gesetze: 1. Planeten bewegen sich auf Ellipsen 2. Flächensatz 3. T²/a³ = const 133

Revolution 1 Vom geozentrischen zum heliozentrischen Weltbild Newton m M F = G 2 R 134

Isaac Newton 1642-1727 Wikipedia 135

Revolution 1 1642-1727 1564-1642 1571-1630 136

Revolution 2 Fixsternsphäre endgültig überwunden Sternanordnung in einer Scheibe 1750 Herschel Sternzählungen linsenförmig; 10.000 x 1.000 Lichtjahre Sonne in der Nähe des Zentrums Sonne im Zentrum der Milchstraße 1917 / 1918 Shapley 137

Revolution 2 138

Revolution 2 139

Revolution 3 Einstein 1917: Allgemeine Relativitätstheorie kosmologische Betrachtung: Kosmos ist statisch. 140

Revolution 3 Stephen Hawking Die kürzeste Geschichte der Zeit: Im 20. Jahrhundert wandelte sich unser Bild vom Universum. Wir erkannten, wie unbedeutend unser Planet in der Weite des Universums ist; 141

Revolution 3 Stephen Hawking Die kürzeste Geschichte der Zeit: Wir entdeckten, dass Raum und Zeit gekrümmt und untrennbar miteinander verschränkt sind, 142

Revolution 3 Stephen Hawking Die kürzeste Geschichte der Zeit: Dass das Universum expandiert und einen Anfang in der Zeit hat. 143

Revolution 3 Stephen Hawking Die kürzeste Geschichte der Zeit: Die Entdeckung, dass sich das Universum ausdehnt, war eine der großen geistigen Revolutionen des 20. Jahrhunderts 144

Revolution 3 5. Oktober 1923, Edwin Hubble: Andromeda - Nebel als Galaxie erkannt Die Milchstraße eine Galaxie wie viele andere 145

Revolution 3 Andromeda - Nebel als Galaxie erkannt Die Milchstraße eine Galaxie wie viele andere Ein Mittelpunkt des Kosmos existiert nicht Expansion des Kosmos Urknall Big Bang 146

Albert Einstein 1879-1955 147

Revolution 3 Friedmann 1923 Folgerung aus ART: Kosmos kann expandieren aber auch kontrahieren. Keine besondere Beachtung gefunden 148

Revolution 3 Friedmann Unsere Kenntnisse sind vollständig ungenügend, um Zahlenrechnungen auszuführen und zu entscheiden, welche Welt unser Weltall ist. 149

George Lemaitre Revolution 3 1894-1966 Folgerte aus den Einsteinschen Gln die Expansion des Universums und stellt das Hubble Gesetz auf. 150

Revolution 3 151

Einstein Revolution 3 1879-1955 Lemaitre 1984-1966 Einstein: Lemaîtres Arbeit ist formal korrekt, aber physikalische abscheulich. 152

Revolution 3 Lemaitre Spektr..d.Wiss. Kosmologie SuW2006/7 153

Revolution 3 Hubble 154

Revolution 3 Spektr.d.Wiss. Kosmologie SuW2006/7 155

Revolution 3 156

Revolution 3 Spektr.d.Wiss. Kosmologie SuW2009/11/54 157

Revolution 4 Jan Hendrik Oort 1932 Dicke der Scheibe der Milchstraße 1900 1992 Masse der Galaxis aus Bewegung aus Masse-Leuchtkraft Widerspruch Fritz Zwicky 1933 Dynamik des Coma Haufens Postulierte eine zusätzliche Masse; Ablehnung Vera Rubin 1928-2004 1960 Durchbruch Rotationskurven von Galaxien 158

Jan Hendrik Oort 1900-1992 S&T1993/4/44 159

Revolution 4 Fritz Zwicky 1898-1974 160

Revolution 4 Vera Rubin Vera Rubin 1950 Dipl. 161

Revolution 4 Dunkle Materie 28 % Dunkle Energie 68 % Baryonische Materie 4% 162

Revolution 4 Spektr.d.Wiss. Kosmologie 163

Revolution 4 S&T2010//4/14 164

Revolution 4 Unser bekannter Kosmos ist ein in sich logisch widerspruchsfreies Gebäude. Als wissenschaftlich gesicherte Erkenntnis gilt ausschließlich nur das, was diesem Axiom genügt. Widersprüche zeigen, dass dieses Gebäude fehlerhafte Stellen hat oder (noch) nicht vollständig ist. 165

Revolution 4 Unser bekannter Kosmos ist ein in sich logisch widerspruchsfreies Gebäude. Unser Kosmos ein Gebäude mit 25 Räumen. Wir beobachten gerade eines davon. Die übrigen 24 sind unseren Nachfahren vorbehalten. Wenn das keine Revolution ist, die sich seit 1960 breit macht. 166

Verteilung - Struktur der Dunklen Materie 171

Filamente S&T2006/5/32 174

SuW2007/8/20 175

SuW2007/8/22 176

Dunkle Materie SuW2007/4/16 Leuchtende Materie 177

Dunkle Materie: Galaxienbrücke im kosmischen Leerraum Wie Perlen auf einer Schnur stehen 14 Zwerggalaxien in einer Reihe - gehalten von Dunkler Materie 179

Filamente 180

Revolution 4 Sichtbar: Kerzen Sterne Galaxien Nicht sichtbar: Baum Struktur der Anordnung 181

Revolution 4 Was wir sehen und direkt erforschen können, die normale Materie, ist nur Dekoration im Universum. Das Schicksal des Alls wird von Dunkler Materie und der Dunkler Energie bestimmt. 182

Woraus besteht nun die Dunkle Materie? 184

Wir wissen es (noch) nicht. 185

Kosmologie Die Antwort muss gemeinsam von den Kosmologen und den Teilchenphysikern gefunden werden. 186

Immo Appenzeller: SuW 2010 / 10 Die physikalische Natur der Dunklen Materie ist zur Zeit noch unverstanden. 187

Immo Appenzeller: SuW 2010 / 10 Sehr wahrscheinlich besteht sie aus bis jetzt unentdeckten Elementarteilchen, die überhaupt nicht oder nur extrem wenig mit den Teilchen der sichtbaren Materie und mit elektromagnetischen Feldern in Wechselwirkung treten. 188

Eigenschaften der Dunklen Materie. 1. Gravitative Wirkung hat zur Entdeckung geführt ausführlich besprochen 2. DM Teilchen vernichten sich gegenseitig. kann man Zerfallstrümmer beobachten? 189

S&T2009/4/25 190

Eigenschaften der Dunklen Materie. 1. Gravitative Wirkung hat zur Entdeckung geführt ausführlich besprochen 2. DM Teilchen vernichten sich gegenseitig. kann man Zerfallstrümmer beobachten? 3. WIMPS Weakly Interakting Massive Particles 193

Wimps stellen augenblicklich die beste Arbeitshypothese dar. Man postuliert ein Teilchen und gibt ihm den Namen seiner hypothetischen Eigenschaften: schwach wechselwirkend: Massiv: baryonischer Materie Masse, weil gravitative Wirkung keine Masse unserer Erfahrung 194

Tagung in München September 2011 Topics on Astroparticle and Undergroundphysics FAZ 14. September 2011 195

300 Wissenschaftler diskutieren sehr kontrovers über 3 NachweisExperimente für WIMPS Cresst Gran Sasso bei Rom Dama Gran Sasso CoGent Soudan-Mine in Missesota 196

Ergebnis: Die Jäger nach der Dunklen Materie sind nach wie vor weit von einer Lösung des vielleicht größten Rätsels der Astrophysik weit entfernt. Einigkeit bestand unter allen Beteiligten nur darin, dass niemand die Existenz Dunkler Materie bestreitet. 197

Ergebnis: Die Jäger nach der Dunklen Materie sind nach wie vor weit von einer Lösung des vielleicht größten Rätsels der Astrophysik entfernt. Man spricht (WIMPS) höchstens von Hinweisen, nicht aber von Beweisen. 198

Camille Flameron Revolution 4 1888 Mittelalterlicher Holzschnitt 199

Da nke für s Zuh ö r en 200

Wir wissen sicher nicht alles. Auch wissen wir nicht, wie viel wir nicht wissen. Denn das, was wir nicht wissen, ist teilweise nicht sichtbar. 201