Einstein(s Gleichungen) und die dunkle Seite des Universums Joerg Jaeckel Deutsches Elektronen Synchrotron (DESY)
Woraus besteht unser Universum?
Inventar des Universums Dunkle Energie 73% Normale Materie 4% (davon nur ca. 10% leuchtend) Dunkle Materie 23% Neutrinos 0.1-2%
Was ist dunkle Materie/Energie? Wissen wir nicht! Dunkle Materie: Alles was klumpt! Dunkle Energie: Der Rest!
Dunkle Materie Woher wissen wir, daß es sie gibt?
Hinweise auf dunkle Materie Dunkle Materie ist dunkel, d.h. sie strahlt kein Licht aus (und absorbiert auch keines) Macht sich nur durch Gravitation bemerkbar - Klumpen aus dunkler Materie ziehen andere Objekte an
Hinweise auf dunkle Materie Rotationsgeschwindigkeit der Galaxien Bewegung der Galaxien in Galaxienhaufen Gravitationslinsen Strukturbildung Kosmische Hintergrundstrahlung
Rotation von Galaxien NGC 6503
Rotation von Galaxien Beobachtete flache Rotationskurve Kepler sches Gesetz: Erwartet aus Verteilung der leuchtenden Materie Rotationskurve der Galaxie NGC 6503 durch Dopplereffekt von Wasserstoff
Bewegung in Galaxienhaufen Selbes Prinzip wie bei Galaxien! Coma Galaxienhaufen
Gravitationslinsen Verzerrtes Abbild (Partieller Einstein Ring) Entfernte Galaxie A.Tyson, Physics Today, 1992:6, pg.24 Galaxienhaufen ( Gravitationslinse ) Beobachter
Gravitationslinsen Abell 2218
Strukturbildung Ohne dunkle Materie gäbe es heute weniger Struktur als beobachtet.
Dunkle Materie Was ist sie (nicht)?
Kosmische Hintergrundstrahlung - ein Foto des Urknalls
Kurze Geschichte des Universums Kosmische Hintergrundstrahlung Hier entstehen die Fluktuationen. Quantenfluktuationen!
Die KHS liefert viele Größen... Dunkle Materie ist keine normale Materie
Was ist es dann? Supersymmetrische Teilchen Axionen WIMPs WIMPzillas... Gar keine Teilchen: Modifizierte Gravitation??
Das Standardmodell Quarks Leptonen Ladung +2/3 Ladung 1/3 Ladung 1 Ladung 0 1. Familie Up u Down d Elektron e e-neutrino ν e 2. Familie Charm c Strange s Myon µ µ-neutrino ν µ 3. Familie Top t Bottom b Tauon τ τ-neutrino ν τ Gravitation das Graviton Schwache Wechselwirkung die W-W und Z-BosonenZ Elektromagnetische Wechselwirkung das Photon (γ)( Starke Wechselwirkung die Gluonen
SUSY Im Rahmen sogenannter supersymmetrischer Theorien besitzt jedes Boson einen fermionischen Partner und umgekehrt Spin 1/2 Leptons (e, ν e, ) Quarks (u, d, ) 1 Gluons W ± Z 0 Photon (γ)( 0 2 Standardteilchen Higgs Graviton Superpartner Sleptons (e, ~ ν ~ e, ) Squarks (u, ~ ~ d, ) Gluinos Wino Zino Photino (γ) ~ Higgsino Gravitino Spin 0 1/2 1/2 3/2 Falls die R-Parität erhalten ist, ist das leichteste S-Teilchen S stabil Als bester Kandidat für die dunkle Materie gilt das Neutralino Neutralino = C 1 Photino + C 2 Zino + C 3 Higgsino
Direkte Produktion: LHC LHC am CERN (Genf) Betrieb ab 2007 Protonen und Antiprotonen werden mit den bisher höchsten h Energien zur Kollision gebracht. Entdeckung neuer Teilchen wird erwartet, z.b. Higgs-Teilchen und die supersymmetrischer Partner der normalen Materie.
DAMA Sonne DAMA Experiment im Gran Sasso (Natrium-Iodid Szintillationsdetektor) beobachtet eine jährlichej Modulation mit hoher statistischer Signifikanz [Riv. N. Cim. 26 (2003) 1-73] 1 Erde Jährliche Modulation der Nachweisrate dunkler Materieteilchen Time (day) Stabilität des Detektors? Stabilität des Hintergrundsignals?
Dunkle Energie Don t be fooled by the light side. Dark energy dominates the universe
Wie findet man Dunkle Energie? Dunkle Energie ist homogen verteilt Kräfte auf einen Punkt (Galaxie) heben sich auf (sind von allen Seiten gleich) Um etwas über die Dunkle Energie zu erfahren müssen wir Krümmung und Expansion des Universums studieren!
Der gekrümmte Raum Winkelsumme im Dreieck >180!!!!
Die Geometrie des Universums Positive Krümmung (Kugel) Negative Krümmung (Hyperboloid) Flach (Ebene) Je nach Geometrie erscheint das Objekt in unterschiedlicher Größe!
Bestimme Geometrie aus KHS Das Universum ist flach! Keine räumliche Krümmung!
Hubbles Gesetz Schon in den 20er Jahren beobachtete Hubble Dopplereffekt!
Abstand messen... ist schwer! Hinfliegen geht nicht... Dauert ein Weilchen Triangulation geht nicht... Winkel zu klein
Abstand messen Messe Entfernung durch Messung der Helligkeit einer bekannten Lichtquelle. Brauche Lichtquelle bekannter Leuchtstärke!
Supernovae SN 1998S in NGC 3877 SN 1994D in NGC 4526
Modernes Hubblediagramm
Ausdehnung Erklärt Hubbles Gesetz!
Ausdehnungsgeschwindigkeit Dichte gravitierender Masse & Energie Newton sche Konstante Krümmungsterm ist sehr klein oder Null (flach) Wir kennen H wir kennen ρ! Materie reicht nicht! 73% Dunkle Energie
Gesamtenergie z.b. KHS (Heute vergleichsweise klein) Normale + Dunkle Materie??? Wie Unterscheiden? H hängt von t ab!
Ausdehnung des Universums
Das Universum dehnt sich aus
Die kosmologische Konstante ein Kandidat für Dunkle Energie Kosmologische Konstante In der Quantenfeldtheorie ist eine KK ganz natürlich. Vakuumenergie aus Quantenfluktuationen.
Vakuumenergie (Quantenmechanik) Energieniveaus des harmonischen Oszillators Nichtverschwindende Nullpunktsenergie wegen Heisenberg scher Unschärferelation: Ort und Impuls nicht gleichzeitig bestimmt und also nicht gleichzeitig exakt Null
Vakuumenergie (Quantenfeldtheorie) Elektromagnetisches Feld entspricht (unendlich) vielen harmonischen Oszillatoren Quantenfeldtheorie nur bis zur Planck Skala gültig Ein klein wenig daneben...
Vakuumenergie Hilft SUSY? positiv für Bosonen (Spin 0, 1, 2) (z.b. Photonen) negativ für Fermionen (Spin 1/2, 3/2) (z.b. Elektronen) Wenn Massen von Teilchen und ihren Superpartnern exakt gleich wären, wäre die Vakuumenergie =0! In der Natur ist das nicht so. Die Superpartner der normalen Materie sind alle deutlich schwerer.
Λ=0 Quintessenz (Skalares) Feld trägt die dunkle Energie. Ein Quintessenzfeld rollt sein Potential herunter. Dynamische Entwicklung der dunklen Energie!
SNAP Mehr und weiter entfernte Supernovae.
Zusammen mit SNAP (und anderen Beobachtungen) kann das KK eventuell ausschließen... Planck Genauere Vermessung der KHS.
oder wir warten... Die Zukunft des Universums
Nochmal Ausdehnung
Es dehnt sich aus und aus... 3 2.5 2 1.5 1 0.5 Phantomenergie Big Rip Kosmologische Konstante 20 40 60 80 100 120 140 Quintessenz 1. 10 35 1. 10 28 1. 10 21 1. 10 14 1. 10 7 20 40 60 80 100 120 140
10 14 Jahre Was passiert mit uns??? Gesamtes Gas in Galaxien wird in Sterne umgewandelt
2 10 14 Jahre Sterne sterben Das Licht geht aus.
10 37 Jahre Das Ende der Galaxien. Galaxien lösen sich auf und werden in Schwarze Löcher umgewandlet
10 100 Jahre Wir werden alle verstrahlt. Schwarze Löcher Werden durch Hawkingstrahlung aufgelöst
Summary
Dunkle Energie: Homogen verteilt! -kosmologische Konstante oder kosmisches Feld -eventuell schwierig zu entscheiden Summary Dunkle Materie: Klumpt! -Teilchen -Kandidaten aus Erweiterungen des Standardmodells -gute Chancen auf Entdeckung in naher Zukunft
Alles dehnt sich aus... schwierig zu erkennen sie ist, die Zukunft. Ungewiss sie ist......spannend sie ist