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

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  • Dunkle Materie Dunkle Energie
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  • bersicht Einleitung Erste Anzeichen Dunkle Materie Dunkle Energie Theorie Kandidaten fr Dunkle Materie Dunkle Energie
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  • Einleitung Was bedeutet dunkel? Mit dunkel drckt man aus, dass es sich um Erscheinungsformen handelt, die kein, oder nur sehr wenig Licht ausstrahlen und/oder gar nicht mit elektromag. Strahlung wechselwirken
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  • Einleitung Aufgrund Einsteins Masse-Energie-quivalenz E = mc 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%
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  • Einleitung Warum muss die Verteilung so aussehen? Was fr eine Theorie steckt dahinter? Wie kann man diese dunkle Substanz erklren bzw. welche Eigenschaften mssen solche Teilchen haben?
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  • Erste Anzeichen Dunkle Materie 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 wrde: Er verwendete hierbei das Virial Theorem: Rotationsgeschwindigkeiten von Galaxien
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  • Oder Galaxie-Haufen muss mehr Materie enthalten Entweder Newtons Gravitations-Gesetz stimmt nicht mehr Halos um Galaxie, die dunkle Materie enthalten Erste Anzeichen Dunkle Materie MOND-Theorien(MOdified Newtonian Dynamics): Gravitation nicht mehr Exponent etwas kleiner als 2 Nicht so berzeugend wie DM Rotationsgeschwindigkeiten von Galaxien
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  • Gem der Allgemeinen Relativitts Theorie knnen Massen die Raumzeit krmmen und somit die Bahn des Lichts verndern, dass an ihnen vorbei strahlt Von uns beobachteten Galaxien werden verbogen dargestellt, und zwar um so mehr je nher 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 Erste Anzeichen Dunkle Materie Gravitationslinsen
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  • Erste Anzeichen Dunkle Materie Gravitationslinsen
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  • Erste Anzeichen Dunkle Materie Gravitationslinsen Heies Gas emittiert Rntgenstahlung (rot) Massenverteilung durch Gravitationslinseneffekt bestimmt (blau) Bild von derselben Galaxie
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  • Erste Anzeichen Dunkle Materie Heies Gas Heies Gas (10 Mio. Grad) emittiert Rntgenstrahlung Gemessene Rntgenstrahlung (rot) zeigt, dass Gas sich in Nhe von Galaxienhaufen befindet Groe Masse notwendig um heies Gas zu binden Masse der sichtbaren Materie nicht gro genug Dunkle Materie
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  • Erste Anzeichen Dunkle Energie Beschleunigte Expansion Aus Messung von SN1a Helligkeit lsst sich Entfernung d bestimmen: Auch aus Rotverschiebung z lsst sich d bestimmen
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  • Erste Anzeichen Dunkle Energie Beschleunigte Expansion Entfernte Objekte (groes z) erscheinen dunkler Frage: Woher kommt diese Beschleunigung? Kraft, die gegen Gravitation wirkt bt negativen Druck aus Beschleunigte Expansion Dunkle Energie
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  • Theorie Kritische Dichte Materiedichte die gro genug ist um Expansion zum erliegen zu bringen Dichteparameter beschreibt Verhltnis:
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  • Theorie Kritische Dichte Aufgrund der Friedmann-Gleichung, die die Krmmung des Raums beschreiben ergeben sich versch. Modelle fr Abweichungen von Raum geschlossen, kugelfrmig Raum offen, hyperbolisch Raum offen, flach
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  • Theorie Kritische Dichte Welche Komponente stecken alle in ? Aufgrund der quivalenz von Massen und Energie tragen folgende Komponente bei: Strahlungsdichte Baryonendichte (Normale Materie) Dichte der Dunklen Materie Dichte der Dunklen Energie Werte sind abhngig von Zeit
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  • Theorie Kritische Dichte Woher wissen wir nun aber, was fr einen Wert hat? berlegungen zur zeitlichen Entwicklungen lassen gewisse Schlsse zu: Nur fr bleibt es auch Alter zu jung fr Auch zu jung fr Dunkle Energie, Inflation
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  • 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 htten wechselwirken knnen?
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  • Theorie Inflations-Theorie Beginn der Inflation: nach Sekunden Ende der Inflation: nach Sekunden Ausdehnung am Ende: ca. -fach vergrert Ausdehnung mit berlichtgeschwindigkeit; aber kein Widerspruch zu spez.Relativittstheorie, da Raum sich so schnell ausbreitet und Materie nur mitgerissen wird
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  • Theorie Inflations-Theorie Grund fr diese schnelle Expansion: Inflaton-Feld Skalares Quantenfeld: hnlich wie elektrisches Feld, aber keine Richtung ausge- zeichnet Ist homogen und hat endliche Energiedichte Inflaton befindet sich in einem Potential, das von Temp. abhngig ist
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  • Theorie Inflations-Theorie Bei hoher Temp. befindet sich Inflaton im Minimum und hat Wert = 0 Sinkt Temp. Verndert sich Potential und es entsteht tieferes Minimum bei 0 Bei bergang in tieferes Niveau wird Energie frei => Vakuum Energie Damit Inflation mglichst lang dauert muss Verlauf sehr flach sein
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  • Theorie Inflations-Theorie Folgen der Inflation: Gebiete die heute auerhalb des Horizonts sind, waren vor Inflation dicht gepackt und konnten wechselwirken Gleichmigkeit der Temp. und der Struktur erklrt Abweichungen von sind prop. zu 1/S Skalenfaktor S wchst um viele Grenordnungen Inflation treibt auf 1 zu und erklrt somit flache Geometrie
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  • Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung Neben Inflationstheorie liefert uns die Untersuchung der CMB ebenfalls einen Wert fr die relative Dichte Darber hinaus erhlt man noch spezifische Werte fr die einzelnen Komponenten Untersuchung besonders wichtig fr Verstndnis von der Zusam- mensetzung des Universums
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  • Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung Kosmische Hintergrundstrahlung ist perfekte Schwarz- krperstrahlung fr Macht Groteil der Strahlung im Universum aus Energiedichte der Strahlung lsst sich berechnen Man erhlt dann fr :
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  • Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung Viel interessanter sind allerdings die sehr kleinen Temperaturschwankungen die von WMAP gemessen wurden:
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  • Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung Wie kommt es zu Temperaturschwankung? Akkustische Schwingungen Oszillationen im frhen Plasma Ursache: Quantenfluktuation des Inflaton-Feldes hnlich zu stehender Welle in Flte, aber stattdessen ber Zeit und nicht ber Lnge aufgetragen
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  • Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung Lnge der Flte 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 Obertnen Oberschwingungen verursachen max. Auslenkungen in kleineren Raumgebieten
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  • 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. erhht sich => Strahlung blauer
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  • Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung Photonendruck wird mit der Zeit grer und beginnt gegen Gravitation zu wirken => Plasma wird aus Pot.-Senke gedrckt => 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
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  • Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung Strkste 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
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  • Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung Grundschwingung zur Zeit der Rekomb. gerade in Phase grter Dichte 1.Oberschwingung auf Grund doppelter Frequenz gerade in Phase geringster Dichte => geringe Temp.-Diff => kleinerer Peak
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  • Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung Was kann man aus diesen Daten schlieen? Winkel berechnen fr 1.Peak Winkel gemessen: Wre Universum nicht flach, wrden wir die Temp.- Schwankungen unter anderem Winkel beobachten:
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  • Theorie Kosmische-Hintergrundstrahlung Powerspektrum auch ab- hngig von und Baryonendichte nimmt zu => Dichte in Senke nimmt zu => 1.Peak wird noch grer als 2.Peak => Messung der ersten drei Peaks sagt aus, dass Dichte der DM fnfmal grer als Baryonendichte sein muss =>
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  • Kosmische-Hintergrundstrahlung Frher war allerdings 3.Peak noch sehr ungenau vermessen Gut bestimmt waren nur: (vernachlssigbar) Lsung: Kombination von WMAP und SN1a-Daten Beschl. Expansion ist abhngig von WMAP empfindlich fr tot.Dichte: Theorie
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  • Zusammenfassung Theorie Zusammenfassend ergeben sich dann folgende Werte:
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  • Baryonische Dunkle Materie Kand

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