11.4 Dunkle Materie und Dunkle Energie. Seite 38 Kapitel 11.

Ähnliche Dokumente
Dunkle Materie und dunkle Energie

Kosmologie im dunklen Universum

Hands on Particle Physics International Masterclasses. WIMP's & Co

Kai Zuber Institut für Kern- und Teilchenphysik TU Dresden

Jochen Müller. Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik

Moderne Kosmologie. Michael H Soffel. Lohrmann Observatorium TU Dresden

Kai Zuber Institut für Kern- und Teilchenphysik TU Dresden

WIMP-Teilchen. Auf der Suche nach Cold Dark Matter mit astrophysikalischen Experimenten

Gliederung. Massenbestimmung von Galaxien/Galaxienhaufen Entstehung großräumiger Strukturen Kandidaten für dunkle Materie Alternative Vorstellungen

Aus was besteht unser Universum?

Kosmologie. Wintersemester 2014/15 Vorlesung # 4,

Über die Vergangenheit und Zukunft des Universums

Kosmologie. Eine kurze Einführung. Sarah Aretz CERN

Kosmogonie. Das frühe Universum. Vom Urknall bis zur Rekombination

Die dunkle Seite des Universums

Seminar Dunkle Materie - Neue Experimente zur Teilchen- und Astroteilchenphysik

Alles aus Nichts: der Ursprung des Universums. Simon White Max Planck Institute for Astrophysics

Kosmologie. Wintersemester 2015/16 Vorlesung # 14,

Kosmologische Konstante. kosmischer Mikrowellen-Hintergrund. Strukturbildung im frühen Universum

Die Suche nach der dunklen Materie

Dunkle Materie, dunkle Energie

Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien Christopher Wiebusch Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien Dunkle Materie -1-

Das neue kosmologische Weltbild zum Angreifen!

Dunkle Energie, Dunkle Materie und Urknall wie unser Universum zusammenpasst

Kosmologie. der Allgemeinen Relativitätstheorie. Das Standard-Modell der. Kosmologie

Das neue Bild des Universums

Themen. 1. Experimentelle Beobachtungen und Hubble. 2. Die Kosmologischen Epochen. 3. Die Hintergrundstrahlung

Standardmodell der Kosmologie

Das dunkle Universum

Die Entwicklung des Universums vom Urknall bis heute. Gisela Anton Erlangen, 23. Februar, 2011

Neues aus Kosmologie und Astrophysik 1.0

Indirekte Suche nach Dunkler Materie mit VHE Gamma Strahlung

Die beschleunigte Expansion

Die dunkle Seite des Universums

Der Urknall und die Kosmische Hintergrundstrahlung

Kosmische Evolution: der Ursprung unseres Universums

Indirekte Nachweismethoden für Dunkle Materie

Die Entstehung des Universums - was wir wissen und wo wir rätseln

Das Universum rennt... [18. Jun.] Und das Universum dehnt sich noch schneller aus... Hubble und das Universum

Kosmologie. Wintersemester 2015/16 Vorlesung # 11,

Inhaltsverzeichnis Vorwort Einleitung Kapitel 1: Sonnensystem Kapitel 2: Sterne, Galaxien und Strukturen aus Galaxien

Die Entwicklung des Universums vom Urknall bis heute

Dunkle Materie. Beobachtungsbefunde

DIE THERMISCHE GESCHICHTE DES UNIVERSUMS & FREEZE-OUT. 14. Dezember Kim Susan Petersen. Proseminar Theoretische Physik & Astroteilchenphysik

Direkter Nachweis Dunkler Materie

Versuchsanleitung zum Astrophysikalischen Praktikum Standardkerzen: Entfernungsbestimmung von M100

Kosmologie. Wintersemester 2015/16 Vorlesung # 15,

Der Urknall. Wie unser Universum aus fast Nichts entstand

Geheimnisse des Universums: Das Rätsel der Dunklen Materie und Energie

Die Materie trägt nicht dominant zur Gesamtdichte bei: Ω M 27%. Der größte (und am wenigsten verstandene Anteil) ist die Dunkle Energie :

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Sterne, Galaxien und das Universum

3. Kosmologie, oder Was ist die Masse des Universums?

Untersuchung der kosmischen Höhenstrahlung mit dem AMS01- Detektor im Weltraum

Sterne, Galaxien und das Universum

Urknall und Dunkle Energieüber. des Universums. Dunkle Energie Ein kosmisches Raetsel

Der Anfang des Universums Spekulation oder Wissenschaft?

Auf der Jagd nach Dunkler Materie

Die Milchstraße als Beispielgalaxie

Das Standardmodell der Kosmologie

Standardmodell der Materie und Wechselwirkungen:

Urknall und Entwicklung des Universums

- Weltmodelle - kosmologische Konstante - kosmologische Inflation - experimentelle Überprüfung der Urknalltheorie

Kosmologisches Dreieck, dunkle Materie, dunkle Energie

Raum, Zeit, Universum Die Rätsel des Beginns. Bild : pmmagazin

Galaktische und Extragalaktische Physik

Dunkle Materie Dunkle Energie. by Cristian Gohn-Kreuz

Urknall im Tunnel: Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München

Galaxien am Rande des Universums?

Vom Urknall zur Dunklen Energie

Einführung in die Astronomie und Astrophysik II

FORTGESCHRITTENE TEILCHENPHYSIK FÜR. Achim Geiser. Caren Hagner. Sommersemester Universität Hamburg, IExpPh. Teilchenphysik und Kosmologie

DasVermächtnisdesUrknalls Die Hintergrundstrahlung

Urknall und. Entwicklung des Universums. Grundlegende Beobachtungen Das Big-Bang Modell Die Entwicklung des Universums 1.1

Moderne Physik: Elementarteilchenphysik, Astroteilchenphysik, Kosmologie

Teilchen, Strings und dunkle Materie

Dunkle Materie und Dunkle Energie Die unbekannten Bausteine des Universums Prof. Dr. Stefan Schael RWTH Aachen

Die Urknalltheorie. KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft.

Direkter Nachweis dunkler Materie

Kosmologie. der Allgemeinen Relativitätstheorie. Jenseits des Standard-Modells

Vom Elementarteilchen zum Universum Verbindungen zwischen den Welten des ganz Kleinen und des ganz Großen

Die Geometrie. des Universums. Max Camenzind APCOSMO SS2012

Vom Higgs-Boson zur Weltformel

Dunkle Materie. Rotation der Milchstraße. und die. Vortrag im Rahmen des Seminars Entstehung und Entwicklung der Galaxis

LHC: Beschleuniger, Experimente, physikalische Ziele. Peter Mättig Bergische Universität Wuppertal

Der Urknall. und die ersten drei Minuten

Kosmogonie. Entstehung der Strukturen im Universum. Seminar des Physikalischen Vereins Frankfurt am Main Rainer Göhring

Die Dunkle Seite des Universums Berner Physiker auf der Suche nach Dunkler Materie

Gigantische Explosionen

Einführung in die Astrophysik. Die großräumige Struktur des Universums

Vom Kleinsten zum Größten von den Elementarteilchen zum Universum. Andreas Wipf

Modul Extragalaktik Repräsentativer Fragenkatalog

Typ Ia Supernovae und Kosmologie

Dunkle Materie, was ist das? oder Die dunkle Seite des Universums

Kapitel 8. Dunkle Materie. 8.1 Hinweise auf Dunkle Materie

Messung der kosmologischen Expansion mit Supernovae

Kosmologie und Strukturbildung. Matthias Steinmetz (AIP)

Astronomische Einheit

Semestereinführung WS 2016/2017

Einsteins Universum. Das Geheimnis der Dunklen Energie. Recklinghausen Andreas Müller

Transkript:

11.4 Dunkle Materie und Dunkle Energie Seite 38

Astrophysikalische Hinweise auf die Existenz von Dunkler Materie 1) Rotationskurven von Galaxien 2)Galaxienhaufen 3)Gravitationslinsen 4)Strukturbildung 5)Nukleosynthese Seite 39

Rotationskurven von Galaxien Seite 40

Rotationskurve der Milchstraße Leuchtende Materie, Gas, Staub: 1011 M Dunkle Materie / Halo: 1012 M Seite 41

Abell 1689 (Hubble Space Telescope): Galaxienhaufen & Gravitationslinse Distanz: 675 Mpc 3.2' = 630 kpc Seite 42

Dunkle Materie: Galaxienhaufen Galaxienhaufen sind die massivsten, gravitativ gebundenen Objekte des Universums Ausdehnung: 2-10 Mpc Galaxien bewegen sich mit v ~1000 km/s Massenabschätzung: Virialtheorem (2<T>=<V>): M~1015 M Röntgenemission von heißem Gas: 1015 M Massen/Leuchtkrafverhältniss ~ 100! Sichtbare (leuchtende) Materie ~1% der gravitativen Materie Seite 43

Röntgenstrahlung von Galaxienhaufen Coma cluster: X-rays (Rosat, 0.5-2 kev) XMM-Newton 0.3-2 kev Seite 44

Dunkle Materie: Gravitationslinsen Gravitationslinseneffekt: erster Nachweis bei der Vermessung starker Linseneffekt schwacher Linseneffekt Nachweis von dunkle Materie-Halo mit schwachen Linseneffekt (statistische Analyse) Seite 45

Dunkle Materie: Gravitationslinsen Kollidierende Galaxienhaufen ( Bullet -Cluster) Gravitationslinsen: Verteilung der grav. Materie Röntgenemission: Heißes, barionisches Gas Optisches Bild: Verteilung der Galaxien Nachweis von nicht-barionischer, dunkler Materie-Halo Schock-erhitztes Gas Dunkle Halo Seite 46

Dunkle Materie: Strukturbildung CMB-Fluktuationen sind zu schwach (~2 Größenordnungen), um heutige Strukturen zu erklären Nicht-barionische dunkle Materie (WIMPS?) nötig! WIMP: Weakly Interacting Massive Particle Seite 47

Dunkle Materie: Nukleosynthese Erzeugung von leichten Elementen (Deuterium, He, Li) in den ersten drei Minuten (-> Primordiale Nukleosynthese) Primordiale Deuterium-Häufigkeit im Universeum konsistent mit ca. Ωbar~0,03 Unabhängige und konsistente Bestätigung aus CMBFluktuationen Gesamtmasse Ωm~0,25->Ωnichtbarion~0,22 Nukleosynthesemodelle -> Nur wenig barionische Materie! Seite 48

Eigenschaften der dunklen Materie Stabil (auf Zeitskalen des Alters des Universums) Elektrisch neutral Schwach wechselwirkend (Wechselwirkungsquerschnitt in etwa gleich der schwachen Wechselwirkung, aber nur elastische Streuung) kalt ( nicht-relativistisch bei der Entkopplung, Strukturbildung) Nicht barionisch (Nukleosynthese, CMB) Dichte der dunklen Materie ~ 0,25 ρcrit Konsistent mit Primordialer Nukleosynthese Seite 49

Heiße oder kalte dunkle Materie? Strukturbildung dominiert durch dunkle Materie Strukturbildung: Gravitationskollaps Relativistische Teilchen entkommen aus Potentialtopf, nicht-relativistische verklumpen Kosmologische Simulationsrechnungen mit heißer, dunkler Materie (gezeigt ist die Dichte als Farbskala) Kosmologische Simulation mit kalter, dunkler Materie Beide Simulationen bei verschiedenen kosmologischem Seite 50 Alter

Kosmologische Masseneinschränkung von Neutrinos Einschränkungen ergeben sich aus den Messungen der großskaligen Strukturen und Vergleich mit kosmologischen (N-Body) Simulationen Zusätzliche Einschränkungen aus Pencil-Beam Ly-α Beobachtungen (Skalen ~ 1 Mpc, nichtlineare Strukturbildung führt aber zu systematischen Unsicherheiten) WMAP: 1 massives Neutrino, 2 ohne Masse Degenerierte Neutrinomassen Neutrinos tragen nur einen kleinen Teil zur dunklen Materie bei Dunkle Materie ist kalt (nicht-relativistisch) Seite 51

Kandidaten für Dunkle Materie aus der Teilchenphysik: Physik jenseits des Standard-Modells! Taoso et al. 2007 Seite 52

Experimentelle Suche nach Dunkler Materie: Direkte Suche Nachweisprinzip Erwartete Streurate: 1 Ereignis/kg/Jahr Seite 53

Nachweismethoden WIMP Elastic nuclear scattering Ge 10% energy Ge, Si Ionization Liquid Xe Target Heat Al2O3, LiF 100% energy slowest cryogenics Light NaI, Xe 1% energy fastest no surface effects CaWO4, BGO WIMP Seite 54

Resultate direkte Suche nach Dunkler Materie Bislang noch kein Nachweis-> Grenzen für den Querschnitt Verbesserung um 2 Größenordnung geplant! Untergrund Signalregion Beispiel: CDMS-II Detektor Seite 55

Experimentelle Suche nach dunkler Materie: Indirekte Suche Nachweis der Sekundärteilchen in Selbst-Annihilation Annihilationsrate ~Dichte2 Nachweismethoden Suche nach Antimaterie in der kosmischen Strahlung Suche nach Neutrinos aus der Sonne und Erde Suche nach Gamma-Strahlung von Zwerggalaxien, galaktisches Zentrum Bislang noch kein eindeutiger Nachweis -> Grenzen an Dichte und Annihilationsquerschnitt Seite 56

Zusammenfassung: Dunkle Materie Materie im Universum überwiegend dunkel (nicht-barionisch) Neutrinos sind keine guten Kandidaten für dunkle Materie Viele Kandidaten aus Teilchenphysik jenseits des Standardmodells Direkte und indirekte Suche nach astrophysikalischen DunkleMaterie-Kandidaten Zukunft: Suche nach Physik jenseits des Standard-Modells mit LHC Seite 57

Dunkle Energie Aus WMAP-Messungen (jeweils 1-2% relative Unsicherheiten): Ω0=1 -> Universum ist euklidisch Ωm=0,26 Also: ΩΛ=0,74 -> Es gibt eine kosmologische Konstante Die Expansion des Universums wird durch die kosmologische Konstante getrieben Die Energiedichte der Materie wird mit a-3(t) abfallen Seite 58

Unabhängige Beobachtungen zeigen beschleunigte Expansion Schon vor der WMAP-Messung zeigte sich bei der Messung von Supernovae vom Typ Ia, dass die Objekte systematisch schwächer bei großen Rotverschiebungen zu sein scheinen, als die näheren SNe. Seite 59

Dunkle Energie: Kosmologische Konstante Allgemeine Relativitätstheorie: Gravitationsdruck Pv=ρvc2 (kein Analogon in klassischer Newton-Theorie) In einem expandierenden Vakuum mit konstanter Energiedichte wächst die interne Energie des Systems mit der Expansion! Die kosmologische Konstante ist ein Maß für die Vakuumenergiedichte Peacock (1999) Seite 60

Erklärungsversuche für Dunkle Energie Generell: Feldtheorien haben eine Vakuumenergie, die sich aus der Energie ableitet, bei der die Symmetriebrechung verläuft z.b.: Elektroschwache Theorie ΛEW~(100 GeV)4 GUT: ΛGUT~(1016 GeV)4 Gravitation: Λpl~(1019 GeV)4 Beobachtete Konstante: Λcos~(10-12 GeV)4 Größter bekannter Fehler...56...124 Größenordnung daneben... Seite 61