Dunkle Materie Dunkle Energie

1. Dunkle MaterieDunkle Energie

2. Übersicht • Einleitung • Erste Anzeichen • Dunkle Materie • Dunkle Energie • Theorie • Kandidaten für • Dunkle Materie • Dunkle Energie

3. Einleitung • Was bedeutet “dunkel“? • Mit dunkel drückt man aus, dass es sich um Erscheinungsformen handelt, • die kein, oder nur sehr wenig Licht ausstrahlen • und/oder gar nicht mit elektromag. Strahlung wechselwirken

4. Einleitung Aufgrund Einsteins Masse-Energie-Äquivalenz E = mc² entspricht jeder Energiedichte auch eine Materiedichte und umgekehrt alle unterschied- lichen Arten in einem Diagramm Von ges. Dichte entspricht: Dunkle Energie 74% Dunkle Materie 22% “Normale“ Materie 4%

5. Einleitung • Warum muss die Verteilung so aussehen? • Was für eine Theorie steckt dahinter? • Wie kann man diese dunkle Substanz • erklären bzw. welche Eigenschaften müssen solche Teilchen haben?

6. Erste Anzeichen – Dunkle Materie Rotationsgeschwindigkeiten von Galaxien Fritz Zwicky entdeckte 1933 im Coma Cluster eine Diskrepanz zwischen der Menge an strahlender Materie und der, die man aufgrund der Rotationsbewegung der Sterne am Rand erwarten würde: Er verwendete hierbei das Virial Theorem:

7. Erste Anzeichen – Dunkle Materie Rotationsgeschwindigkeiten von Galaxien • Entweder Newtons Gravitations-Gesetz stimmt nicht • mehr MOND-Theorien(MOdified Newtonian Dynamics): • Gravitation nicht mehr • Exponent etwas kleiner als 2 • Nicht so überzeugend wie DM • Oder Galaxie-Haufen muss • mehr Materie enthalten Halos um Galaxie, die dunkle Materie enthalten

8. Erste Anzeichen – Dunkle Materie Gravitationslinsen • Gemäß der Allgemeinen Relativitäts Theorie können • Massen die Raumzeit krümmen und somit die Bahn • des Lichts verändern, dass an ihnen vorbei strahlt • Von uns beobachteten Galaxien werden verbogen • dargestellt, und zwar um so mehr je näher Strahlen an • Masse vorbei strahlen • Bei symmetrischer Verteilung der Masse wird Galaxie • direkt dahinter zu Ring verformt (Einstein Ring) • Ist Massenansammlung nicht direkt zwischen uns • und Galaxie, sieht man mehrere verbogene • Bilder der gleichen Galaxie

9. Erste Anzeichen – Dunkle Materie Gravitationslinsen

10. Erste Anzeichen – Dunkle Materie Gravitationslinsen • Heißes Gas emittiert • Röntgenstahlung (rot) • Massenverteilung durch • Gravitationslinseneffekt • bestimmt (blau) Bild von derselben Galaxie

11. Erste Anzeichen – Dunkle Materie Heißes Gas • Heißes Gas (10 Mio. Grad) emittiert Röntgenstrahlung • Gemessene Röntgenstrahlung (rot) zeigt, dass Gas • sich in Nähe von Galaxienhaufen befindet • Große Masse notwendig • um heißes Gas zu binden • Masse der sichtbaren • Materie nicht groß genug • Dunkle Materie

12. Erste Anzeichen – Dunkle Energie Beschleunigte Expansion • Aus Messung von SN1a Helligkeit lässt sich • Entfernung d bestimmen: • Auch aus Rotverschiebung z lässt sich d bestimmen

13. Erste Anzeichen – Dunkle Energie Beschleunigte Expansion • Entfernte Objekte (großes z) erscheinen dunkler • Frage: Woher kommt diese • Beschleunigung? • Kraft, die gegen Gravitation • wirkt • Übt negativen Druck aus Beschleunigte Expansion Dunkle Energie

14. Theorie Kritische Dichte • Materiedichte die groß genug ist um Expansion • zum erliegen zu bringen • Dichteparameter beschreibt Verhältnis:

15. Theorie Kritische Dichte Aufgrund der Friedmann-Gleichung, die die Krümmung des Raums beschreiben ergeben sich versch. Modelle für Abweichungen von Raum geschlossen, kugelförmig Raum offen, hyperbolisch Raum offen, flach

16. Theorie Kritische Dichte • Welche Komponente stecken alle in ? • Aufgrund der Äquivalenz von Massen und Energie • tragen folgende Komponente bei: Strahlungsdichte Baryonendichte (Normale Materie) Dichte der Dunklen Materie Dichte der Dunklen Energie • Werte sind abhängig von Zeit

17. Theorie Kritische Dichte Woher wissen wir nun aber, was für einen Wert hat? Überlegungen zur zeitlichen Entwicklungen lassen gewisse Schlüsse zu: • Nur für bleibt es • auch • Alter zu jung für • Auch zu jung für Dunkle Energie, Inflation

18. Theorie Inflations-Theorie • 1979 von Alan Guth entwickelt • Frage: Warum ist Universum so alt bzw. so flach? • Frage: Warum ist Struktur und Temperatur in unter- • schiedlichen Raumgebieten fast gleich • obwohl diese nicht miteinander hätten • wechselwirken können?

19. Theorie Inflations-Theorie • Beginn der Inflation: nach Sekunden • Ende der Inflation: nach Sekunden • Ausdehnung am Ende: ca. -fach vergrößert • Ausdehnung mit Überlichtgeschwindigkeit; aber kein • Widerspruch zu spez.Relativitätstheorie, da Raum sich • so schnell ausbreitet und Materie nur mitgerissen wird

20. Theorie Inflations-Theorie • Grund für diese schnelle Expansion: Inflaton-Feld • Skalares Quantenfeld: ähnlich wie elektrisches Feld, • aber keine Richtung ausge- • zeichnet • Ist homogen und hat endliche Energiedichte • Inflaton befindet sich in einem Potential, das von • Temp. abhängig ist

21. Theorie Inflations-Theorie • Bei hoher Temp. befindet • sich Inflaton im Minimum • und hat Wert = 0 • Sinkt Temp. Verändert sich • Potential und es entsteht • tieferes Minimum bei 0 • Bei Übergang in tieferes • Niveau wird Energie frei • => Vakuum Energie • Damit Inflation möglichst • lang dauert muss Verlauf • sehr flach sein

22. Theorie Inflations-Theorie • Folgen der Inflation: • Gebiete die heute außerhalb des Horizonts sind, • waren vor Inflation dicht gepackt und konnten • wechselwirken Gleichmäßigkeit der Temp. und der Struktur erklärt • Abweichungen von sind • prop. zu 1/S² • Skalenfaktor S wächst um • viele Größenordnungen Inflation treibt auf 1 zu und erklärt somit flache Geometrie

23. Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung • Neben Inflationstheorie liefert uns die • Untersuchung der CMB ebenfalls einen • Wert für die relative Dichte • Darüber hinaus erhält man noch spezifische • Werte für die einzelnen Komponenten Untersuchung besonders wichtig für Verständnis von der Zusam- mensetzung des Universums

24. Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung • Kosmische Hintergrundstrahlung ist perfekte Schwarz- • körperstrahlung für • Macht Großteil der Strahlung im Universum aus • Energiedichte der Strahlung • lässt sich berechnen • Man erhält dann für :

25. Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung Viel interessanter sind allerdings die sehr kleinen Temperaturschwankungen die von WMAP gemessen wurden:

26. Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung • Wie kommt es zu Temperaturschwankung? • Akkustische Schwingungen • Oszillationen im frühen Plasma • Ursache: Quantenfluktuation des Inflaton-Feldes • Ähnlich zu stehender Welle in Flöte, aber stattdessen • über Zeit und nicht über Länge aufgetragen

27. Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung • Länge der Flöte entspricht der Dauer, die Akkustische • Welle braucht um Plasma bis Recomb. zu durchqueren • Durch Inflation verursachte Schwankung der Energie- • dichte beginnt zur gleichen Zeit • => Grundschwingung mit Obertönen • Oberschwingungen verursachen max. Auslenkungen • in kleineren Raumgebieten

28. Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung • In dichteren Regionen sammelt sich DM • => tiefere Pot.-Senke • Strahlung aus Pot.-Senke rotverschoben • Mit der Zeit sammelt sich auch Baryon-Photon-Plasma • in diesen Senken • => Druck und Temp. erhöht sich => Strahlung blauer

29. Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung • Photonendruck wird mit der Zeit größer und beginnt • gegen Gravitation zu wirken • => Plasma wird aus Pot.-Senke gedrückt • => Temp.-Schwankung wieder geringer • Oszillation be- • ginnt wieder • von vorne • Druck wirkt nur • auf Baryonen • und Photonen • nicht auf DM • Farbe von Sen- • ke wieder rot

30. Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung • Stärkste Temp.-Unterschiede sind unter Winkel • von ca. 1° beobachtbar => 1.Peak im Powerspektrum • Durch Grund- • schwingung • verursacht • 2.Peak bei ca. 0,3° • durch1.Ober- • schwingung • verursacht • => viel kleiner als • 1.Peak

31. Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung • Grundschwingung • zur Zeit der Rekomb. • gerade in Phase • größter Dichte • 1.Oberschwingung • auf Grund doppelter • Frequenz gerade in • Phase geringster • Dichte • => geringe Temp.-Diff • => kleinerer Peak

32. Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung • Was kann man aus diesen Daten schließen? • Winkel berechnen für 1.Peak • Winkel gemessen: • Wäre Universum nicht flach, würden wir die Temp.- • Schwankungen unter anderem Winkel beobachten:

33. Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung Powerspektrum auch ab- hängig von und Baryonendichte nimmt zu => Dichte in Senke nimmt zu => 1.Peak wird noch größer als 2.Peak => Messung der ersten drei Peaks sagt aus, dass Dichte der DM fünfmal größer als Baryonendichte sein muss =>

34. Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung • Früher war allerdings 3.Peak noch sehr ungenau • vermessen • Gut bestimmt waren nur: (vernachlässigbar) • Lösung: Kombination von WMAP und SN1a-Daten • Beschl. Expansion ist abhängig von • WMAP empfindlich für tot.Dichte:

35. Theorie Zusammenfassung Zusammenfassend ergeben sich dann folgende Werte:

36. Kandidaten – Dunkle Materie Baryonische Dunkle Materie • Objekte mit großer Dichte und kleinem Querschnitt um • Sicht nicht abzudecken • Neutronensterne und Schwarze Löcher (unsichtbar) • - Produzieren schwere Elemente => Dichte schwerer • Elemente viel geringer => Anzahl von NS und SL • reicht nicht aus • Braune Zwerge (fast unsichtbar) • - Sterne mit zu wenig Masse für Kernfussion • => strahlen nur schwach im IR-Bereich • - Zu viel würde aber gegen gemessene • Baryonendichte von 4% verstoßen • => können trotzdem nur einen kleinen • Anteil der DM in Halos erklären • => MACHO (Massive Astrophysical Compact Halo Object)

37. Kandidaten – Dunkle Materie Nicht-Baryonische Dunkle Materie • Aufgeteilt in Heiße-, Warme- und Kalte-Dunkle-Materie (HDM, WDM, CDM): • HDM: - ultrarelativistisch • - sehr leicht => viele sind notwendig • - Neutrinos • WDM: - relativistisch • - Masse von 1eV • - Gravitino oder Photino wären möglich • Problem: HDM und WDM bewegen sich zu schnell • um in Pot.Topf zu klumpen => kann akkust. • Schwingung und Galaxienstruktur nicht • erklären => Top-Down-Szenario

38. Kandidaten – Dunkle Materie Nicht-Baryonische Dunkle Materie • CDM: nicht relativistisch und schwerer • => können wie beschrieben klumpen • Kandidaten für CDM: • WIMP's (Weakly Interacting Massive Particles) • - unterliegen nur Gravitation und schw. WW • - LSP (Lightest Supersymmetric Particle) wie das • Neutralino (Masse: 100 GeV - 1 TeV) • Weitere Kandidaten für DM: • Axionen: - elek. neutral => keine em. WW • - geringe WW mit schw. und starker Kraft • - Masse: eV

39. Kandidaten – Dunkle Energie Eigenschaften • Strahlt keine elektromag. Wellen ab • Keine Teilchen wie bei Dunkler Materie • => würde sonst klumpen • Homogene Verteilung • => etwas Gleich-Verteiltes übt keine • Kraft auf andere Körper aus • => etwas Gleich-Verteiltes kann auch • kein Licht in best. Richtung ablenken • Übt negativen Druck aus: - Postiver Druck => hohe Dichte • => Anziehung • - Negativer Druck => Abstoßung

40. Kandidaten – Dunkle Energie Kosmologische Konstante • Konstante , die zu Einstein's Feldgleichung hinzugefügt • wurde um beschl. Expansion zu erklären • Wird heute als zeitlich konst. Vakuumsenergiedichte • interpretiert • Verhältnis zwischen Druck und Dichte (Zustandsgl.): • Ursache könnte Nullpunktsenergie aus QM sein • Problem: Unterschied zw. gemessener E-Dichte und • naiv berechneter ca. 120 Größenordnungen • Trotzdem favorisiertes Modell -Modell

41. Kandidaten – Dunkle Energie Quintessenz • dynamisches Skalarfeld (ähnlich Inflaton): Kosmon • homogen verteilte pot. und kin. Energie des Kosmons • Energiedichte verändert • sich mit der Zeit • => Erklärt aktuell gemes- • sene geringe DE-Dichte • => Verhältnis zw. DM u.DE • gleich bis zu best. Zeit- • punkt, dann beginnt • beschl. Expansion

42. Quellen • Riordan, Schramm: Die Schatten der Schöpfung • Physik Journal (12/04): Dunkle Energie • De Boer: Einführung in die Kosmologie • de.wikipedia.org, en.wikipedia.org • Scientific American (02/04): The Cosmic Symphony • www.astro.uni-bonn.de

43. vielen Dank fürihre aufmerksamkeit

44. “if it's not Dark,then it doesn't matter“