Dunkle Materie und dunkle Energie Franz Embacher Fakultät für Physik der Universität Wien Vortrag am Vereinsabend von ANTARES – NÖ Astronomen St. Pölten,

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  • Folie 1
  • Dunkle Materie und dunkle Energie Franz Embacher Fakultt fr Physik der Universitt Wien Vortrag am Vereinsabend von ANTARES N Astronomen St. Plten, 9. 9. 2011
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  • Die Bestandteile Woraus besteht das Universum? Sterne, Planeten, Galaxien Staub Gas elektromagnetische Strahlung (Licht, Radar-, UV-, Rntgen- und Gammastrahlung, kosmische Hintergrundstrahlung = CMB) Neutrinos...? normale (baryonische) Materie }
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  • Die normale Materie Baryonische Materie besteht aus den bekanntesten Elementarteilchen (Protonen, Neutronen, Elektronen,) Normale Materie wechselwirkt mit Photonen (Licht-Teilchen) leuchtet Kernkrfte (starke und schwache Kraft) Gravitationskraft (Schwerkraft) Bildet Atomkerne, Atome ( Chemie), Sterne und Planeten BaryonenLeptonen
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  • Andromeda-Galaxie xxx Xxx xxx
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  • Hubble Deep Field xxx Xxx xxx
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  • alle Galaxien xxx Xxx xxx
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  • Schwerkraft Die Schwerkraft dominiert alle bekannten Krfte ber groe Entfernungen. Sie hlt Galaxien zusammen (Bindungskraft) und bestimmt ihre Dynamik.
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  • Unstimmigkeiten Bereits seit den 1930er Jahren traten Unstimmigkeiten auf: 1932 Jan Hendrik Oort: Die Scheibe der Milchstrae ist dnner als aus der Schwerkraft der beobachteten Materie erklrbar. 1933 Fritz Zwicky: der Coma-Galaxienhaufen kann nicht durch die Schwerkraft seiner sichtbaren Bestandteile zusammengehalten werden. 1960 Vera Rubin: Rotationskurven
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  • Rotationskurven Geschwindigkeiten einzelner, weit drauen um eine Galaxie kreisender Sterne M v r Aus dem Newtonschen Gravitationsgesetz folgt: v = G M r 4-fache Entfernung halbe Geschwindigkeit
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  • Rotationskurven Theoretische Erwartung: normiert auf Radius = 1, v (Rand) = 1
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  • Beobachtung Rotationskurve der Galaxie NGC 3198 2030304010 r (kpc) v (km/s) 50 100 150 200 flache Rotationskurve
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  • Beobachtung Erklrung? Halo aus Materie, die man nicht sieht!
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  • Dunkle Materie Galaktischer Halo, der nicht leuchtet, aber 90% der gesamten Masse der Galaxie enthlt! Es gibt weitere Hinweise auf die dunkle Materie
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  • Gravitationslinsen Gravitationslinse Galaxy Cluster 0024+1654 erlauben eine genauere Bestimmung der Massen von Galaxienhaufen Besttigung
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  • Kosmologische Argumente: CMB-Fluktuationen 380 000 Jahre nach dem Urknall zu groe Inhomogenitten (Strahlungsdruck)! T T = 6 10 6
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  • Kosmologische Argumente: CMB-Fluktuationen xxx Xxx xxx
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  • Kosmologische Argumente: Strukturbildung Computersimulationen Zur Bildung der heutigen Strukturen (Galaxien und Galaxienhaufen) war nicht gengen Zeit auer, es gibt dunkle Materie! Galaxien fallen in die Potentialtpfe der dunklen Materie
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  • Galaxienzhlungen
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  • Kosmologische Argumente: Primordiale Nukleosynthese Entstehung der Elemente im Urknall und ihre Verteilung im Universum 75% Wasserstoff 25% Helium + wenig andere Elemente Kernphysik kann die Verteilung der Elemente unter der Annahme erklren, dass nur etwa ein Fnftel der im Universum vorhandenen Materie der baryonisch ist! Daher scheiden die offensichtlichsten Kandidaten (ausgebrannte Sterne, braue Zwerge, = MACHOs) aus!
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  • Eigenschaften der dunklen Materie Dunkle Materie wechselwirkt mit dem Rest des Universums (fast?) nur ber die Schwerkraft ist nicht baryonisch, also keine normale Materie ist berwiegend nichtrelativistisch (cold dark matter, CDM) kann bei einem Gravitationskollaps keine Energie abstrahlen und daher nicht zu kleinen kompakten Objekten (Sternen) kondensieren
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  • Woraus 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 (leichtestes supersymmetrisches Teilchen) wird vielleicht am LHC entdeckt!? Axionen? wird vielleicht am LHC entdeckt!?
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  • Doch damit nicht genug Die dunkle Energie Was ist das Vakuum? Knnte es eine Energiedichte besitzen? Kosmologische Kontante (Einsteins grte Eselei) Aus den Grundgleichungen der Kosmologie folgt: Eine nichtverschwindende (positive) Energiedichte des Vakuums beschleunigt die Expansion! Dies war jahrzehntelang eine rein theoretische Spekulation, bis
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  • Weltmodelle Expansion des Universums Kosmologisches Prinzip: das Universum ist auf groen Skalen homogen und isotrop (zumindest nherungsweise erfllt). Auf groen Skalen wird das Universum gleichmig aufgeblasen. Skalenfaktor Rotverschiebung des Lichts a(t) = Entfernung zur Zeit t Entfernung heute z = beobachtet emittiert emittiert a = 1 1 + z
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  • Weltmodelle Materiedominiertes Universum
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  • Weltmodelle Universum mit Vakuumenergiedichte
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  • Wie kann ein Weltmodell berprft werden? Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation Vakuumdominiertes Modell: Energiedichte des Vakuums = 73% der gesamten Energiedichte Materiedominiertes Modell: Energiedichte des Vakuums = 0 Linearer Bereich: D = z c H 0
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  • Wie kann ein Weltmodell berprft werden? Supernovae vom Typ Ia als Standardkerzen Doppelsternsystem Materiefluss Zndung bei Erreichen einer kritischen Masse weier Zwerg Supernovae dieses Typs sind alle (ungefhr) gleich hell!
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  • Beobachtung von Supernovae vom Typ Ia Supernova-Daten (seit 1998)
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  • Richtungs-Korrelationen in der Hintergrundstrahlung Bestimmung des Anteils der Materie an der kritischen Dichte des Universums
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  • Das heutige Standardmodell der Kosmologie Energieinhalt des Universums: 73% dunkle Energie 27% Materie und Strahlung: 23% dunkle Materie 4% gewhnliche (baryonische) Materie: 0.5% leuchtend 3.5% nicht leuchtend 0.3% Neutrinos 0.005% Photonen (v. a. Hintergrundstrahlung) Energie = Masse c 2
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  • Das heutige Standardmodell der Kosmologie Energieinhalt des Universums: 0.5 % sichtbar 3.5 % dunkel 27 % dunkel 73 % dunkel baryonische Materie nicht-baryonische Materie dunkle Energie (kosmologische Konstante) 0.3 % Neutrinos
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  • Danke Danke fr Ihre Aufmerksamkeit! Diese Prsentation finden Sie im Web unter http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/ Antares2011/