Dunkle Materie und Energie - uni- Dunkle Materie Dunkle Energie Zusammenhalt von Galaxienhaufen I 1933:

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  • Dunkle Materie Dunkle Energie

    Dunkle Materie und Energie

    Christoph Smaczny

    6. Juli 2017

    Christoph Smaczny

    Dunkle Materie und Energie

  • Dunkle Materie Dunkle Energie

    Zusammenhalt von Galaxienhaufen

    I 1933: Fritz Zwicky untersucht Coma-Galaxienhaufen

    I Galaxien bewegen sich zu schnell in Relation zur sichtbaren

    Masse

    I Virialsatz: T = −U/2 T = 1

    2 MV 2, U = −GM2/R

    ⇒ M = R V 2/G I Zwicky errechnet für M 3 · 1014 Sonnenmassen von denen nur

    1012 durch sichtbare Galaxien erklärbar

    Christoph Smaczny

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    Heiÿes Gas in Galaxienhaufen

    I 1970er: Röntgenemission von Galaxienhaufen gemessen

    I Ursprung: Heiÿes Gas

    I Bestimmung von Temperatur und Verteilung des Gases

    möglich

    I Gesamtmasseverteilung im Galaxienhaufen durch

    Hydrostatische Gasgleichung bestimmbar:

    M(r) ≈ kTµmp r G

    ∆ρ ρ

    I Masse des Gases 4 bis 5 mal so groÿ wie die der Sterne

    I Diskrepanz zwischen detektierbarer und erforderlicher Masse

    verringert sich auf einen Faktor von ca. 6

    Christoph Smaczny

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    Stabilität von Scheibengalaxien

    I 1960er: Computer werden hinreichend leistungsfähig für

    N-Körpersimulationen (N ≈ 100 000) I Miller und Prendergast (1968) und unabhängig davon Hohl

    (1969) wollen Spiralgalaxien simulieren

    I Anfangsbedingungen der Simulation: Runde Scheibe aus

    Teilchen im Gleichgewicht (Gravitation ≈ Zentrifugalkraft) ⇒ Erwartung: Globale Struktur sollte sich nicht ändern

    Christoph Smaczny

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    I Frank Hohl (1971)

    I 100 000 Sterne

    I Schlieÿlich wieder ungefähr

    rund, jedoch

    Teilchenbahnen nicht mehr

    Kreisförmig

    I Instabil

    Christoph Smaczny

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    I Verschiedene Ansätze zur Behebung des Problems wurden

    probiert

    I Ein Ansatz: Künstliches Kühlen einiger Teilchen

    I Sinnvoll, da Gaswolken kollidieren und dabei Energie verlieren

    können

    Christoph Smaczny

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    I Miller, Prendergast and Quirk (1970)

    I links: gekühlte Teilchen (Gas), rechts: ungekühlte Teilchen

    (Sterne)

    I Sterne zeigen auch leichte (hier nicht gut erkennbare)

    Spiralstruktur

    I Nach längerer Zeit jedoch auch hier Instabilität

    Christoph Smaczny

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    Dunkle-Materie-Halos

    I 1973, Ostriker und Peebles: Simulation von Galaxien mit

    Dunkle-Materie-Halos

    I Virialsatz: 2T + U = 0 mit T = Trot + Tran ⇒ t + r = 1/2 mit t = Trot/(−2U) und r = Tran/(−2U)

    Christoph Smaczny

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    Abbildung: Ein�uss von Halos auf die Entwicklung von Galaxien (Ostriker und Peebles, 1973).

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    Rotationskurven von Spiralgalaxien

    I Rotation um Massepunkt M: GmM r2

    = FG = FZ = mV 2

    r ⇒ V = √

    GM R

    I Rotationsgeschwindigkeit nimmt mit 1/ √ r ab

    I Wenn Masse ausgedehnt, kugelsymmetrisch: M → M(r)

    I V (r) = p √

    GM(r) r

    I p zur Korrektur von nicht-kugelsymmetrischer Verteilung

    Christoph Smaczny

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    I 21-cm-Emissionslinie von

    neutralem Wassersto�, auch

    in groÿer Entfernung von

    Zentrum, wo kaum sichtbare

    Sterne: keine 1√ r -Abnahme.

    I M(r) ∝ r I Aber Ober�ächenhelligkeit

    nimmt exponentiell ab:

    I (r) = I0e −r/h

    Christoph Smaczny

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    Gravitationslinsen

    I ART: Licht wird im Gravitationsfeld abgelenkt

    I Massenverteilung eines als Gravitationslinse wirkenden

    Galaxienhaufens bestimmbar

    I Ergebnisse i. d. R. vergleichbar mit denen aus Messung der

    Röntgenemission

    Christoph Smaczny

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    Abbildung: Quasar QSO 2237+0305 hinter dem Kern einer etwa 400 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie, die als Gravitationslinse wirkt (NASA, ESA)

    Christoph Smaczny

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    Zusammensetzung dunkler Materie

    I Vermutungen bis in 80er: kaltes Gas, leichte Sterne,

    Neutronensterne, leichte schwarze Löcher ⇒ Baryonische dunkle Materie

    I Nicht-Baryonische dunkle Materie die nur schwach mit Baryonen und Photonen interagiert

    I Teilchen aus der Theorie der Supersymmetrie

    Christoph Smaczny

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    Alternative Theorien

    I MOND-Theorie: 1983 von Mordehai Milgrom als Alternative

    zum Postulat der Dunklen Materie vorgeschlagen

    I F = m µ(|a|/a0) a mit µ(x) = 1 für x � 1 und µ(x) = x für x � 1

    I Gute Voraussage von Rotationskurven

    I Anwendung auf Galaxienhaufen: Diskrepanz verringert, aber es

    bleibt ca. Faktor 2 bis 3

    I Mond ist nicht relativistisch ⇒ z. B. keine Aussagen zu Gravitationslinsene�ekt

    I Relativistische Erweiterung: TeVeS (Tensor�vector�scalar

    gravity)

    Christoph Smaczny

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    Beschleunigte Expansion des Universums

    I 1917: Einstein bemerkte, dass Universum laut ART nicht

    stabil; führte Kosmologische Konstante Λ ein, um Universum statisch zu machen

    I 1929: Hubbel'sches Gesetz ⇒ Einstein verwarf Kosmologische Konstante

    I 1934, Lemaître: Kosmologische Konstante als Vakuumenergie

    au�assen ⇒ Beitrag ρΛ = Λ8πG zur Energiedichte

    Christoph Smaczny

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    I Kritische Dichte: ρc = 3H2

    8πG

    I Dichteparameter ΩΛ = ρΛ ρc , ΩM =

    ρM ρc

    I Leuchtkraftentfernung dL = √

    L 4πl

    I Rotverschiebung z = λobs−λemλem I dL(z ;H0,ΩM ,ΩΛ) =

    1+z H0

    ∫ z 0

    dz ′√ ΩM(1+z ′)3+ΩΛ

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    I Erste systematische Suche nach weit entfernten Typ Ia

    Supernovae in 1980ern → geringer Erfolg, da Supernovae selten

    I 1988: Saul Perlmutter initiiert Supernova Cosmology Project

    um gebremste Expansion zu zeigen

    I ab 1994: parallele Forschung von Brian Schmidt und Adam

    Riess im High-z Supernova Search Team

    I Licht schwächer als erwartet ⇒ Beschleunigte Expansion I Nobelpreis 2011 für Perlmutter, Schmidt und Riess

    Christoph Smaczny

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    I Perlmutter (1999)

    I Best-Fit:

    ΩM = 0, 28, ΩΛ = 0, 72

    Christoph Smaczny

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    Erklärungsansätze

    I Quanten�uktuation I In relativistischer Quantenphysik ist das Vakuum mit

    Quanten�uktuationen gefüllt I Die sich ergebende Energiedichte weicht jedoch um 122

    Gröÿenordnungen vom erwarteten Wert ab

    I Quintessenz: ähnlicher E�ekt wie während In�ation könnte

    wirken

    Christoph Smaczny

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    Sanders, Robert H. (2010): The Dark Matter Problem, A

    Historical Perspective.

    http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/

    laureates/2011/advanced-physicsprize2011.pdf

    https://arxiv.org/pdf/astro-ph/9812133.pdf

    Christoph Smaczny

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    http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2011/advanced-physicsprize2011.pdf http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2011/advanced-physicsprize2011.pdf https://arxiv.org/pdf/astro-ph/9812133.pdf

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