Dunkle Materie und dunkle Energie

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Dunkle Materie und dunkle Energie. Franz Embacher Fakul tät für Physik der Universität Wien. Vortrag am Vereinsabend von ANTARES – NÖ Astronomen St. Pölten, 9. 9. 2011. Die Bestandteile…. Woraus besteht das Universum? Sterne, Planeten,…  Galaxien Staub Gas - PowerPoint PPT Presentation

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Dunkle Materie und dunkle Energie

Dunkle Materie und dunkle EnergieFranz EmbacherFakultt fr Physik der Universitt WienVortrag am Vereinsabend vonANTARES N AstronomenSt. Plten, 9. 9. 20111Die BestandteileWoraus besteht das Universum?

Sterne, Planeten, GalaxienStaubGaselektromagnetische Strahlung(Licht, Radar-, UV-, Rntgen- undGammastrahlung,kosmische Hintergrundstrahlung = CMB)Neutrinos...?normale(baryonische)Materie}2Die normale MaterieBaryonische Materie

besteht aus den bekanntesten Elementarteilchen(Protonen, Neutronen, Elektronen,)

Normale Materie wechselwirkt mit Photonen(Licht-Teilchen) leuchtetKernkrfte (starke und schwache Kraft)Gravitationskraft (Schwerkraft)Bildet Atomkerne, Atome ( Chemie),Sterne und PlanetenBaryonenLeptonen3Andromeda-Galaxiexxx

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Andromeda-Galaxie4Hubble Deep Fieldxxx

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http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2f/Hubble_ultra_deep_field.jpg5alle Galaxienxxx

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6SchwerkraftDie Schwerkraft dominiert alle bekanntenKrfte ber groe Entfernungen. Sie hltGalaxien zusammen (Bindungskraft) undbestimmt ihre Dynamik.7UnstimmigkeitenBereits seit den 1930er Jahren tratenUnstimmigkeiten auf:

1932 Jan Hendrik Oort: Die Scheibe derMilchstrae ist dnner als aus derSchwerkraft der beobachteten Materieerklrbar.1933 Fritz Zwicky: der Coma-Galaxienhaufenkann nicht durch die Schwerkraft seinersichtbaren Bestandteile zusammengehaltenwerden.1960 Vera Rubin: Rotationskurven8RotationskurvenGeschwindigkeiten einzelner, weit drauen umeine Galaxie kreisender SterneMvrAus dem NewtonschenGravitationsgesetz folgt:v = G Mr4-fache Entfernung halbe Geschwindigkeit9RotationskurvenTheoretische Erwartung:

normiert auf Radius = 1, v(Rand) = 110BeobachtungRotationskurve der Galaxie NGC 3198

20304010r (kpc)v (km/s)50100150200flache Rotationskurve11BeobachtungErklrung?

Halo ausMaterie, dieman nichtsieht!12Dunkle MaterieGalaktischer Halo, der nicht leuchtet, aber90% der gesamten Masse der Galaxie enthlt!Es gibt weitere Hinweise auf die dunkle Materie13GravitationslinsenGravitationslinseGalaxy Cluster 0024+1654

erlauben einegenauereBestimmung derMassen vonGalaxienhaufen Besttigunghttp://www.math.sunysb.edu/~tony/whatsnew/column/grav-lens-0299/images/HSTgravlens.jpg14Kosmologische Argumente: CMB-Fluktuationen380 000 Jahre nach dem Urknall zu groeInhomogenitten (Strahlungsdruck)!

DTT= 6 10-6

15Kosmologische Argumente: CMB-Fluktuationenxxx

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16Kosmologische Argumente: StrukturbildungComputersimulationen

Zur Bildung der heutigen Strukturen (Galaxien und Galaxienhaufen)war nicht gengen Zeit auer, es gibt dunkle Materie!Galaxienfallen in diePotentialtpfeder dunklenMaterie17Galaxienzhlungen

18Kosmologische Argumente: Primordiale NukleosyntheseEntstehung der Elemente im Urknall und ihreVerteilung im Universum

75% Wasserstoff25% Helium+ wenig andere ElementeKernphysik kann die Verteilung der Elementeunter der Annahme erklren, dass nur etwaein Fnftel der im Universum vorhandenenMaterie der baryonisch ist!Daher scheiden die offensichtlichsten Kandidaten(ausgebrannte Sterne, braue Zwerge,= MACHOs) aus!19Eigenschaften der dunklen MaterieDunkle Materie

wechselwirkt mit dem Rest des Universums(fast?) nur ber die Schwerkraftist nicht baryonisch, alsokeine normale Materieist berwiegend nichtrelativistisch(cold dark matter, CDM)kann bei einem Gravitationskollaps keineEnergie abstrahlen und daher nicht zu kleinenkompakten Objekten (Sternen) kondensieren20Woraus besteht die dunkle Materie?Und woraus besteht sie? Wir wissen es nicht!

Neutrinos (hot dark matter, HDM)? Zu wenige, zu schnell!Materie in einem Paralleluniversum? Wrde kondensieren!Schwach wechselwirkende Teilchen (WIMPs)Supersymmetrie (leichtestessupersymmetrisches Teilchen) wird vielleicht am LHC entdeckt!?Axionen? wird vielleicht am LHC entdeckt!?21Doch damit nicht genugDie dunkle Energie

Was ist das Vakuum? Knnte es eineEnergiedichte besitzen?Kosmologische Kontante (Einsteins grteEselei)Aus den Grundgleichungen der Kosmologiefolgt: Eine nichtverschwindende (positive)Energiedichte des Vakuums beschleunigt dieExpansion! Dies war jahrzehntelang eine reintheoretische Spekulation, bis22WeltmodelleExpansion des Universums

Kosmologisches Prinzip: das Universumist auf groen Skalen homogen und isotrop(zumindest nherungsweise erfllt).Auf groen Skalen wird das Universumgleichmig aufgeblasen.Skalenfaktor

Rotverschiebung des Lichtsa(t) =Entfernung zur Zeit tEntfernung heutez = lbeobachtet lemittiert lemittiert -a = 11 + z23WeltmodelleMateriedominiertes Universum

24WeltmodelleUniversum mit Vakuumenergiedichte

25Wie kann ein Weltmodell berprft werden?Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation

Vakuumdominiertes Modell: Energiedichte des Vakuums = 73% der gesamten EnergiedichteMateriedominiertes Modell: Energiedichte des Vakuums = 0Linearer Bereich: D = zcH026Wie kann ein Weltmodell berprft werden?Supernovae vom Typ Ia als StandardkerzenDoppelsternsystemMaterieflussZndung bei Erreichen einer kritischen Masseweier Zwerg Supernovae dieses Typs sind alle (ungefhr)gleich hell!27Beobachtung von Supernovae vom Typ IaSupernova-Daten (seit 1998)

28Richtungs-Korrelationen in der HintergrundstrahlungBestimmung des Anteils der Materie an derkritischen Dichte des Universums

29Das heutige Standardmodell der KosmologieEnergieinhalt des Universums:

73% dunkle Energie27% Materie und Strahlung:23% dunkle Materie4% gewhnliche (baryonische) Materie:0.5% leuchtend3.5% nicht leuchtend0.3% Neutrinos0.005% Photonen (v. a. Hintergrundstrahlung)Energie = Masse c230Das heutige Standardmodell der KosmologieEnergieinhalt des Universums:0.5 %sichtbar3.5 %dunkel27 %dunkel73 %dunkelbaryonischeMaterienicht-baryonischeMateriedunkle Energie(kosmologische Konstante)0.3 %Neutrinos31DankeDanke fr Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Prsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/ Antares2011/32