Zurück zur ersten Seite Dunkle Materie Grundlagen & Experimentelle Suche! Tim Niels Plasa 26.06.2003 SS 2003

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  • Zurck zur ersten Seite Dunkle Materie Grundlagen & Experimentelle Suche! Tim Niels Plasa 26.06.2003 SS 2003
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 2 Der Rote Faden n Warum soll dunkle Materie existieren? n Woraus knnte die dunkle Materie bestehen? n Einige Experimente und ihre Ergebnisse n Ausblick fr die folgenden Jahre
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 3 70 25
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 4 Nicht-baryonische DM 4 3 0.27
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 5
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 6 CDM = kalte dunkle Materie nichtrelativistische Bewegung im Zeitalter der Galaxienentstehung HDM = Heie dunkle Materie relativistische Bewegung whrend der Galaxienentstehung
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 7 Warum ist dunkle Materie notwendig? n Rotationskurven von Galaxien n Messungen des Cobe und WMAP- Satelliten (Geometrie des Universums) n Galaxienclusterdynamik
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 8 COBE & WMAP Akkurate Messungen der CBR anisotropen Erscheinungen tot = 1,02 0.02 = 0.73 0.04 M = 0.27 0.04 baryonic = 0.04 0.004 non baryonic = 0.23 0.04 1 7
  • Folie 9
  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 9 Abzhlen von Sternen Sterne = 0,005 - 0,01 Nukleosynthese 0,0095< Bary 0,1 Relativbewegung der Galaxien Ma >0,3 Ausbildung groer Strukturen Ma >0,3 Supernova + Hintergrundstrahlung tot = 1,02 0,02 = 0,73 0,04 Wie kommt man auf die Massenverteilung ? Kritische Dichte = 3H 0 / G = 11 p/m 3
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 10 Dunkle Materie in Galaxien - Galaxienbildung in bestimmter Reihenfolge (top-down Szenario) - Dunkle Materie in Halos - Baryonische Materie im Kern und in Scheibe - Was knnen wir ber die Struktur der Halos sagen?
  • Folie 11
  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 11 Scheibengalaxien machen etwa 20 - 30% der Galaxien aus und eignen sich zum Beobachten der Eigenschaften der dunklen Halos - es handelt sich um flache Systeme, deren Rotation gegen die Gravitation gegensteuert.
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 12 NGC 891 Eine Spiralengalaxie
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  • Zurck zur ersten Seite Die Rotationskurven der Spiralgalxien Meistens rotieren sie nicht gleichmig - es gibt eine Varianz der Rotationskurven abhngig von ihrer Leuchtverteilung. Dies hier sind zwei Extremflle: Links: Typisch fr Scheiben geringerer Leuchtkraft Rechts: Charakteristisch fr hohe Leuchtkraft (wie die Milchstrae) km /s kpc
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 14 Was hlt die Scheibe im Gleichgewicht ? Der Hauptanteil der kinetisch Energie ist in der Rotation In der radialen Richtung sorgt die Gravitation fr die radiale Beschleunigung, die fr die fast kreisfrmige Bewegung der Sterne und des Gas verantwortlich ist. In der vertikalen Richtung gleicht sich die Gravitation mit dem vertikalen Druckgradienten (der mit der zuflligen Bewegung der Sterne in der Scheibe zusammenhngt) aus
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  • Zurck zur ersten Seite 15 Das radiale Gleichgewicht der Scheiben Mit der Newtonschen Mechanik kann man die Masse innerhalb eines bestimmten Radius bestimmen. wobei M(R) die eingeschlossene Masse im Radius R ist. Die Form von V(R) kann unterschiedlich sein. Fr groe Spiralgalxien wie der unseren, ist V(R) normalerweise flach, sodass die eingeschlossene Masse im sichtbaren Bereich M(R) R^ 2
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 16
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  • Zurck zur ersten Seite 17 NGC 3198 Distanz: 9,2 Mpc Scheibenlnge:2,7 kpc Grter Radius: 30 kpc Maximale Geschwindigkeit: 157 km/s M(HI): 4,8 (10 9 Sonnen) M(tot): 15,4 (10 10 Sonnen) M(dunkle M.): 4,1 (10 10 Sonnen) M(Halo): 1,9 (10 10 Sonnen) Tatschliche Beobachtungen!
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 18 Galaxie im Radiobereich 21cm Galaxie im sichtbaren Bereich
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 19 Das erwartete V(R) von Sternen und Gas fllt unter der beobachteten Rotationskurven in den uerenTei- len der Galaxie. Dies gilt fr fast alle Spiralgalaxien mit den viel zu hohen Rotationskurven! Wir fassen zusammen, dass die leuchtende Materie die Ge- schwindigkeit innerhalb eines kleinen Radius dominiert, aber ber diesem Radius erhlt das dunkle Halo stark an Einfluss.
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 20 Begeman 1987 Minimale Scheibe maximales Halo Maximale Scheibe minimales Halo
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  • Zurck zur ersten Seite 21 Fr die Zerlegung von NGC 3198 wurde das stellare M/L Verhltnis als grtmglich angenommen; ohne Bezug zu einem hohlen dunklen Halo - dies nennt man eine maximum disk (minimum halo) Zerlegung. Mehr als 1000 Galaxien sind auf diesem Wege analysiert worden - die Zerlegung sieht oft so aus wie fr NGC 3198, mit vergleichbaren Peaks fr die Geschwindigkeitsverteilungen von der Scheibe und dem dunklen Halo. Es wird angenommen, dass dies schlielich teilweise auf die adiabatische Kompression des dunklen Halo durch die Baryonen zurckzu- fhren ist, wenn Sie sich zusammenziehen, um die Scheibe zu formen. Das dunkle Materie Halo ist notwendig um die Rotationskurven zu erklren! Dark matter halo
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  • Zurck zur ersten Seite Galaxie separat - Galaxiecluster Parameter fr dunkle Halos(Dichte, Geschwindigkeitsverteilung, Form...) Seit etwa 1985 haben die Beobachter Modelle dunkler Halos entwickelt, denen ein Kern mit konstanter Dichte zugrunde liegt. Bei den gewhnlichen Modelle gibt es eine Isothermale Sphren mit einem gut definierten Kern-Radius und zentraler Dichte, wobei r -2 bei einem weiten Radius => dadurch wird V(r) ~ konstant wie beobachtet.
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  • Zurck zur ersten Seite 23 Isothermale Sphre
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  • Zurck zur ersten Seite Es gibt auch die pseudo-isothermale Sphre o {1 + (r / r c ) 2 } -1 Benutzt man dieses Modell fr den dunklen Halo von groen Galaxien wie der Milchstrae, so findet man o ~ 0.01 Solar- massen pc -3 und r c ~ 10 kpc Sie sind im Zentrum konstant dicht, mit r - 2 CDM Simulationen produzieren immer wieder Halos, welche im Zentrum zugespitzt sind. Dieser Sachverhalt ist seit den 80ern bekannt (Navarro et al 1996 = NFW) bekannt mit der Dichte- verteilung: (r / r s ) - 1 {1 + (r/r s )} - 2 Diese sind im Zentrum zugespitzt, mit r - 1
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  • Zurck zur ersten Seite 25 Verteilung der inneren Abnahme der Dichte ~ r Beispiel fr etwa 60 leuchtschwache Galaxien Optische Rotationskurven teilen uns die Abnahme der Dichte mit. NFW Halos haben = -1 Flache Kerne haben = 0 de Blok et al 2002 NFW
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  • Zurck zur ersten Seite 26 Man kann sagen, dass die Dichteverteilung der dunklen Halos viel ber dunkle Materie aussagt. Zum Beispiel knnte die bewiesene Prsenz von cusps einige dunkle Materie Partikel ausschlieen (z.B. Gondolo 2000). Vielleicht ist auch die Theorie der CDM falsch. - mit sich selbst wechselwirkende dunkle Materie knnte ein flaches Zentrum (r) durch heat transfer in die klteren zentralen Gebiete ermglichen. (-->Kernkollaps wie in globularen Sternhaufen) (siehe Burkert 2000, Dalcanton & Hogan 2000) Alternative: Es gibt viele Wege zur Konvertierung von CDM cusps in zentrale Kerne, sodass wir bisher keine cusps gesehen haben...
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 27 Massive kompakte Halo Objekte (MACHOs) Weakly Interacting Massive Particles ( WIMPs), Neutrinos & Axionen Neue Physik Kandidaten fr die dunkle Materie
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 28 Massive kompakte Halo Objekte (MACHOs) Geringe (sub- solare) Sternenmasse. Gewhnliche baryonische Zusammenstellungen. Gebrauch vom Gravitationslinseneffekt zum Studieren. Mglicherweise verantwortlich fr 25% bis 50% der dunklen Materie
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 29 Woraus bestehen Machos? Braune Zwerge Neutronensterne Weie Zwerge Planeten
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 30
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 31 Massive Compact Halo Objects MACHOs Macho ist nicht direkt zu sehen. Aber es kann sich zwichen einem Himmelskrper und uns bewegen. MACHO fungiert dann als Gravitationslinse! Das Licht kommt verzerrt an, im Extremfall als Ring. Macho ist nicht direkt zu sehen. Aber es kann sich zwichen einem Himmelskrper und uns bewegen. MACHO fungiert dann als Gravitationslinse! Das Licht kommt verzerrt an, im Extremfall als Ring. )
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 32 Zum Gravitationslinseneffekt Verformung des Hintergrunds durch unsichtbare Materie im Vordergrund Ohne MachoMit Macho
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 33 ==> mag=Helligkeit exponentiell aufgetragen
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Niels Plasa 34 Weakly Interacting Massive Particles ( WIMPs) Teilchen, die nicht aus dem Standard Modell kommen - insbesondere Neutralinos Schwere (> 45GeV) neutrinoartige Teilchen von Eichtheorien. Dunkle Materie aus dem Teilchenzoo
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  • Zurck zur ersten Seite Tim Ni