Dunkle Energie –Ein kosmisches Raetsel
Dunkle Energie-ein kosmisches Rätsel
Dunkle Energie –Dunkle Energie –ein kosmisches ein kosmisches
RRätselätselC.WetterichC.Wetterich
A.Hebecker,M.Doran,M.Lilley,J.Schwindt,A.Hebecker,M.Doran,M.Lilley,J.Schwindt,C.MC.Müüller,G.Schller,G.Schääfer,E.Thommes,fer,E.Thommes,R.CaldwellR.Caldwell
Woraus besteht Woraus besteht unserunser
Universum ?Universum ?
Feuer , Luft, Wasser, Erde !
Quintessenz !
Expansion des Expansion des UniversumsUniversums
Alle Längenskalen im Universum sind Alle Längenskalen im Universum sind proportional zu kosmischem proportional zu kosmischem Skalenfaktor a(t)Skalenfaktor a(t)
Hubble parameter H(t) misst Hubble parameter H(t) misst "Expansionsgeschwindigkeit des "Expansionsgeschwindigkeit des Universums”Universums”
Definition: Definition:
Kritische DichteKritische Dichte ρρcc =3 H² M² =3 H² M² Kritische Energiedichte des Kritische Energiedichte des
Universums Universums ( M : reduzierte Planck-Masse , M( M : reduzierte Planck-Masse , M-2-2=8 =8 ππ G ; G ; H : Hubble Parameter )H : Hubble Parameter )
ΩΩbb==ρρbb//ρρcc
Anteil der Baryonen an der Anteil der Baryonen an der (kritischen) Energiedichte(kritischen) Energiedichte
Zusammensetzung des Zusammensetzung des UniversumsUniversums
ΩΩb b = 0.045= 0.045
ΩΩdmdm= 0.225= 0.225
ΩΩh h = 0.73= 0.73
~60,000 von >300,000Galaxien
BaryonenBaryonen StaubStaub ΩΩbb=0.045=0.045 Nur 5 Nur 5
Prozent Prozent unseres unseres UniversumsUniversums
bestehen bestehen aus aus bekannter bekannter Materie !Materie !
SDSS
Abell 2255 Cluster~300 Mpc
Ωb=0.045
Von Nukleosynthese,Kosmischer Hintergrundstrahlung
Dunkle MaterieDunkle Materie
ΩΩmm = 0.27 “Materie” insgesamt = 0.27 “Materie” insgesamt
Die meiste Materie ist dunkel !Die meiste Materie ist dunkel !
Bisher nur durch Gravitation spürbarBisher nur durch Gravitation spürbar
Alles was klumpt! Alles was klumpt! GravitationspotentialGravitationspotential
Gravitationslinse,HST
Dunkle +Dunkle +baryonische Materie :baryonische Materie :
Alles was klumpt !Alles was klumpt !
Räumlich flaches Räumlich flaches UniversumUniversum
Theorie (Inflationäres Universum )Theorie (Inflationäres Universum )
ΩΩtottot =1.0000……….x =1.0000……….x
Beobachtung ( WMAP )Beobachtung ( WMAP )
ΩΩtottot =1.02 (0.02) =1.02 (0.02)
ΩΩtottot = = 11
Foto des UrknallsFoto des Urknalls
NASA/GSFCChuck Bennett (PI)Michael GreasonBob Hill Gary Hinshaw Al KogutMichele LimonNils OdegardJanet WeilandEd Wollack
PrincetonChris Barnes Norm Jarosik Eiichiro KomatsuMichael Nolta
UBCMark Halpern
ChicagoStephan Meyer
BrownGreg Tucker
UCLANed Wright
Science Team:
Wilkinson Microwave Anisotropy ProbeA partnership between NASA/GSFC and Princeton
Lyman PageHiranya PeirisDavid SpergelLicia Verde
Mittelwerte
Ωtot =1.02
Ωm =0.27
Ωb =0.045
Ωdm =0.225
ΩΩtottot=1=1
Dunkle EnergieDunkle Energie
ΩΩmm + X = 1 + X = 1
ΩΩmm : 30% : 30%
ΩΩhh : 70% : 70% Dunkle Dunkle
EnergieEnergieh : homogen , oft auch ΩΛ statt Ωh
Dunkle Energie :
homogen verteilt
Dunkle Energie :
Vorhersage:
Die Expansion des Universums beschleunigt sich heute !
Zeit
Perlmutter Perlmutter 20032003
AbstandAbstand
Supernova Ia Hubble-Supernova Ia Hubble-DiagrammDiagramm
Riess et al. 2004Riess et al. 2004Rotverschiebung z
StrukturbildungStrukturbildung
Aus winzigen Anisotropien wachsen die Aus winzigen Anisotropien wachsen die Strukturen des UniversumsStrukturen des Universums
Sterne , Galaxien, GalaxienhaufenSterne , Galaxien, Galaxienhaufen
EinEin primordiales Fluktuationsspektrum primordiales Fluktuationsspektrum beschreibtbeschreibt allealle Korrelatonsfunktionen !Korrelatonsfunktionen !
Strukturbildung : Strukturbildung : FluktuationsspektrumFluktuationsspektrum
Waerbeke
CMB passt mit
Galaxienverteilung
Lyman – α
und
Gravitationslinsen-Effekt !
Konsistentes kosmologisches Modell !
Zusammensetzung des Zusammensetzung des UniversumsUniversums
ΩΩb b = 0.045 = 0.045 sichtbar sichtbar klumptklumpt
ΩΩdmdm= 0.225 = 0.225 unsichtbarunsichtbar klumptklumpt
ΩΩh h = 0.73 = 0.73 unsichtbarunsichtbar homogenhomogen
Dunkle Energie –Ein kosmisches Raetsel
Dunkle Energie-ein kosmisches Rätsel
Was ist die dunkle Energie ?
Kosmologische Konstante oder Quintessenz ?
Kosmologische Kosmologische KonstanteKonstante
Konstante Konstante λλ verträglich mit allen verträglich mit allen SymmetrienSymmetrien
Zeitlich konstanter Beitrag zur Zeitlich konstanter Beitrag zur EnergiedichteEnergiedichte
Warum so klein ? Warum so klein ? λλ/M/M44 = 10 = 10-120-120
Warum gerade heute wichtig?Warum gerade heute wichtig?
Kosm. Konst. | Quintessenz statisch | dynamisch
Kosmologische Kosmologische MassenskalenMassenskalen
Energie - DichteEnergie - Dichte
ρρ ~ ( 2.4×10 ~ ( 2.4×10 -3-3 eV )eV )- 4- 4
Reduzierte Planck Reduzierte Planck MasseMasse
M=2.44M=2.44×10×101818GeVGeV Newton’s Newton’s
KonstanteKonstante
GGNN=(8=(8ππM²)M²)Nur VerhNur Verhältnisse vonältnisse von Massenskalen sind beobachtbar ! Massenskalen sind beobachtbar !
homogene dunkle Energie: homogene dunkle Energie: ρρhh/M/M44 = 6.5 = 6.5 10ˉ¹²¹10ˉ¹²¹
Materie: Materie: ρρmm/M/M4= 3.5 10ˉ¹²¹= 3.5 10ˉ¹²¹
ZeitentwicklungZeitentwicklung
ρρmm/M/M4 4 ~ aˉ~ aˉ³ ³ ~~
ρρrr/M/M4 4 ~ aˉ~ aˉ44 ~ ~ t t -2-2 Strahlungsdominiertes Universum
Grosses Alter kleine Grosses Alter kleine GrössenGrössen
Gleiche Erklärung für dunkle Gleiche Erklärung für dunkle Energie ?Energie ?
tˉ² Materie dominiertes Universum
tˉ3/2 Strahlungsdominiertes Universum
QuintessenzQuintessenzDynamische dunkle Dynamische dunkle Energie ,Energie ,
vermittelt durch vermittelt durch SkalarSkalarfeldfeld
(Kosmon)(Kosmon)C.Wetterich,Nucl.Phys.B302(1988)668 C.Wetterich,Nucl.Phys.B302(1988)668 24.9.87 24.9.87B.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)LB.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)L17, 20.10.8717, 20.10.87
KosmonKosmon
Skalarfeld ändert seinen Wert auch in Skalarfeld ändert seinen Wert auch in der der heutigenheutigen kosmologischen kosmologischen EntwicklungEntwicklung
Potenzielle und kinetische Energie des Potenzielle und kinetische Energie des Kosmons tragen zur Energiedichte des Kosmons tragen zur Energiedichte des Universums beiUniversums bei
Zeitabhängige dunkle Energie : Zeitabhängige dunkle Energie :
ρρhh(t) fällt mit der Zeit ! (t) fällt mit der Zeit !
KosmonKosmon Winzige MasseWinzige Masse
mmcc ~ H ~ H
Neue langreichweitige Neue langreichweitige WechselwirkungWechselwirkung
““Fundamentale” Fundamentale” WechselwirkungenWechselwirkungen
Starke,elektromagnetische,schwacheWechselwirkung
Gravitation Kosmodynamik
Auf astronomischen Skalen:
Graviton
+
Kosmon
Evolution des Evolution des KosmonfeldsKosmonfelds
FeldgleichungFeldgleichung
Potenzial V(Potenzial V(φφ) bestimmt Details des ) bestimmt Details des ModellsModells
z.B. z.B. V(V(φφ) =M) =M4 4 exp( - exp( - φφ/M )/M ) Für wachsendes Für wachsendes φφ fällt Potenzial gegen fällt Potenzial gegen
NullNull
Kosmologische Kosmologische GleichungenGleichungen
Quintessenz wird heute Quintessenz wird heute wichtigwichtig
ZustandsgleichungZustandsgleichung
p=T-V Druckp=T-V Druck kinetische kinetische EnergieEnergie
ρρ=T+V Energiedichte=T+V Energiedichte
ZustandsgleichungZustandsgleichung
Hängt von spezifischer Evolution des Hängt von spezifischer Evolution des Skalarfelds abSkalarfelds ab
Negativer DruckNegativer Druck
w < 0 w < 0 ΩΩh h wächstwächst
w < -1/3 Expansion des w < -1/3 Expansion des Universums istUniversums ist
beschleunigtbeschleunigt
w = -1 Kosmologische w = -1 Kosmologische KonstanteKonstante
Wie kann man Wie kann man Quintessenz von Quintessenz von kosmologischer kosmologischer
Konstanten Konstanten unterscheiden ?unterscheiden ?
Zeitabhängigkeit der dunklen Zeitabhängigkeit der dunklen EnergieEnergie
Kosmologische Konstante : Ωh ~ t² ~ (1+z)-3
M.Doran,…
Wie unterscheidet man Q Wie unterscheidet man Q von von ΛΛ ? ?
A) Messung A) Messung ΩΩhh(z) H(z)(z) H(z)
ΩΩhh(z) zur Zeit der(z) zur Zeit der Strukturbildung , CMB - Strukturbildung , CMB -
EmissionEmission oder Nukleosyntheseoder Nukleosynthese
B) Zeitvariation der fundamentalen B) Zeitvariation der fundamentalen “Konstanten”“Konstanten”
QuintessenzQuintessenzundund
ZeitabhängigkeitZeitabhängigkeitfundamentalerfundamentaler
KonstantenKonstanten
C.Wetterich , Nucl.Phys.B302,645(1988C.Wetterich , Nucl.Phys.B302,645(1988))
Sind fundamentale Sind fundamentale “Konstanten”“Konstanten”zeitabhängig ?zeitabhängig ?
Feinstrukturkonstante Feinstrukturkonstante αα (elektrische (elektrische Ladung)Ladung)
Verhältnis Nukleonmasse zu Verhältnis Nukleonmasse zu PlanckmassePlanckmasse
Quintessenz und Quintessenz und Zeitabhängigkeit der Zeitabhängigkeit der
“fundamentalen “fundamentalen Konstanten”Konstanten”
Feinstrukturkonstante hängt vom Wert Feinstrukturkonstante hängt vom Wert desdes
Kosmon Felds ab: Kosmon Felds ab: αα((φφ))
aehnlich Higgsfeld in schwacher aehnlich Higgsfeld in schwacher WechselwirkungWechselwirkung
Zeitentwicklung von Zeitentwicklung von φφ Zeitentwicklung von Zeitentwicklung von αα
JordanJordan
A.CocA.Coc
PrimordialePrimordialeHäufigkeiten derHäufigkeiten derleichten Elementeleichten Elementeaus deraus derNukleosyntheseNukleosynthese
wennwenn jetzige Messung von jetzige Messung von 44He bestätigt:He bestätigt:
ΔαΔα//αα ( z=10 ( z=1010 10 ) = -1.0 10) = -1.0 10-3 -3 GUT 1GUT 1ΔαΔα//αα ( z=10 ( z=1010 10 ) = -2.7 10) = -2.7 10-4 -4 GUT 2GUT 2
C.Mueller,G.Schaefer,…C.Mueller,G.Schaefer,…
Variation der Variation der Feinstrukturkonstanten als Feinstrukturkonstanten als
Funktion der RotverschiebungFunktion der Rotverschiebung
Webb et al Srianand et alSrianand et al
Variation der Variation der FeinstrukturkonstantenFeinstrukturkonstanten
Drei unabhängige Datensätze von Drei unabhängige Datensätze von Keck/HIRESKeck/HIRES
ΔΔαα//αα = - 0.54 (12) 10 = - 0.54 (12) 10-5-5
Murphy,Webb,Flammbaum, june 2003Murphy,Webb,Flammbaum, june 2003
VLTVLT
ΔΔαα//αα = - 0.06 (6) 10 = - 0.06 (6) 10-5-5
Srianand,Chand,Petitjean,Aracil, feb.2004Srianand,Chand,Petitjean,Aracil, feb.2004
z ≈ 2
Zeitvariation der Kopplungskonstanten ist winzig –
wäre aber von grosser Bedeutung !
Mögliches Signal für Quintessenz
Παντα ρει
Kommt der Äther, Kommt der Äther, in Form des Kosmonfelds, wieder zurück?in Form des Kosmonfelds, wieder zurück?
Alles fliesstAlles fliesst
KosmodynamikKosmodynamik
Kosmon vermittelt neue langreichweitige Kosmon vermittelt neue langreichweitige WechselwirkungWechselwirkung
Reichweite : Grösse des Universums – HorizontReichweite : Grösse des Universums – Horizont
Stärke : schwächer als GravitationStärke : schwächer als Gravitation
Photon ElektrodynamikPhoton Elektrodynamik
Graviton GravitationGraviton Gravitation
Kosmon KosmodynamikKosmon Kosmodynamik
Kleine Korrekturen zum Kleine Korrekturen zum GravitationsgesetzGravitationsgesetz
““Fünfte Kraft”Fünfte Kraft”
vermittelt durch skalares Feldvermittelt durch skalares Feld
Kopplungsstärke schwächer als GravitationKopplungsstärke schwächer als Gravitation
( nicht-renormierbare Wechselwirkung ( nicht-renormierbare Wechselwirkung ~ M~ M-2 -2 ))
Abhängigkeit von der Zusammensetzung Abhängigkeit von der Zusammensetzung
Verletzung des ÄquivalenzprinzipsVerletzung des Äquivalenzprinzips Quintessenz: führt zu Zeitabhängigkeit der Quintessenz: führt zu Zeitabhängigkeit der
fundamentalen “Konstanten”fundamentalen “Konstanten”
R.Peccei,J.Sola,C.Wetterich,Phys.Lett.B19R.Peccei,J.Sola,C.Wetterich,Phys.Lett.B195,183(1987)5,183(1987)
C.Wetterich , C.Wetterich , Nucl.Phys.B302,645(1988Nucl.Phys.B302,645(1988))
Verletzung des Verletzung des ÄquivalenzprinzipsÄquivalenzprinzips
Verschiedene Verschiedene Kopplung des Kopplung des Kosmons an Proton Kosmons an Proton und Neutronund Neutron
Differentielle Differentielle BeschleunigungBeschleunigung
Verletzung des Verletzung des ÄquivalenzprinzipsÄquivalenzprinzips
Erde
p,n
p,n
Kosmon
Verknüpfung zwischen Zeitabhängigkeit von α
und Verletzung des Äquivalenzprinzips
differentielle Beschleunigung η typisch : η = 10-14
MICROSCOPE – Satteliten-MissionMICROSCOPE – Satteliten-Mission
ZusammenfassungZusammenfassung
o ΩΩhh = 0.7 = 0.7
o Q/Q/ΛΛ : dynamische und statische : dynamische und statische dunkle Energie unterscheidbardunkle Energie unterscheidbar
o Q : zeitlich veränderliche Q : zeitlich veränderliche “ “fundamentale Kopplungen” , fundamentale Kopplungen” , Verletzung des Verletzung des
ÄquivalenzprinzipsÄquivalenzprinzips
????????????????????????????????????????????????
Warum wird Quintessenz gerade in Warum wird Quintessenz gerade in der heutigen kosmologischen der heutigen kosmologischen Epoche wichtig ?Epoche wichtig ?
Haben dunkle Energie und dunkle Haben dunkle Energie und dunkle Materie etwas miteinander zu tun ?Materie etwas miteinander zu tun ?
Kann Quintessenz in einer Kann Quintessenz in einer fundamentalen vereinheitlichten fundamentalen vereinheitlichten Theorie erklärt werden ?Theorie erklärt werden ?
EndEndee
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