Dunkle Materie und dunkle Energie

Dunkle Materie und dunkle Energie Franz Embacher Fakultät fürPhysik der Universität Wien Vortrag am Vereinsabend vonANTARES – NÖ AstronomenSt. Pölten, 9. 9. 2011

Die Bestandteile… • Woraus besteht das Universum? • Sterne, Planeten,…  Galaxien • Staub • Gas • elektromagnetische Strahlung(Licht, Radar-, UV-, Röntgen- undGammastrahlung,kosmische Hintergrundstrahlung = CMB) • Neutrinos • ...? } normale(„baryonische“)Materie

Die normale Materie • „Baryonische“ Materie • besteht aus den bekanntesten Elementarteilchen(Protonen, Neutronen, Elektronen,…) • Normale Materie wechselwirkt mit Photonen(Licht-Teilchen)  „leuchtet“ • Kernkräfte („starke“ und „schwache“ Kraft) • Gravitationskraft (Schwerkraft) • Bildet Atomkerne, Atome ( Chemie),Sterne und Planeten Baryonen Leptonen

Andromeda-Galaxie • xxx • xxx • Xxx • xxx • xxx

Hubble Deep Field • xxx • xxx • Xxx • xxx • xxx

alle Galaxien • xxx • xxx • Xxx • xxx • xxx

Schwerkraft Die Schwerkraft dominiert alle bekanntenKräfte über große Entfernungen. Sie hältGalaxien zusammen („Bindungskraft“) undbestimmt ihre Dynamik.

Unstimmigkeiten • Bereits seit den 1930er Jahren tratenUnstimmigkeiten auf: • 1932 Jan Hendrik Oort: Die ScheibederMilchstraße ist dünner als aus derSchwerkraft der beobachteten Materieerklärbar. • 1933 Fritz Zwicky: der Coma-Galaxienhaufenkann nicht durch die Schwerkraft seinersichtbaren Bestandteile zusammengehaltenwerden. • 1960 Vera Rubin: „Rotationskurven“

Rotationskurven Geschwindigkeiten einzelner, weit draußen umeine Galaxie kreisender Sterne Aus dem Newtonschen Gravitationsgesetz folgt: M v G M v = r r 4-fache Entfernung  halbe Geschwindigkeit

Rotationskurven Theoretische Erwartung: normiert auf Radius = 1, v(Rand) = 1

Beobachtung Rotationskurve der Galaxie NGC 3198 „flache“ Rotationskurve v (km/s) 200 150 100 50 r (kpc) 10 20 30 40

Beobachtung Erklärung? „Halo“ ausMaterie, dieman nichtsieht!

Dunkle Materie Galaktischer Halo, der nicht leuchtet, aber90% der gesamten Masse der Galaxie enthält! Es gibt weitere Hinweise auf die dunkle Materie…

Gravitationslinsen… GravitationslinseGalaxyCluster 0024+1654 …erlauben einegenauereBestimmung derMassen vonGalaxienhaufen Bestätigung

Kosmologische Argumente: CMB-Fluktuationen 380 000 Jahre nach dem Urknall – zu großeInhomogenitäten (Strahlungsdruck)! DT -6 = 6 10 T

Kosmologische Argumente: CMB-Fluktuationen • xxx • xxx • Xxx • xxx • xxx

Kosmologische Argumente: Strukturbildung Computersimulationen Galaxienfallenin die„Potentialtöpfe“der dunklenMaterie Zur Bildung der heutigen Strukturen (Galaxien und Galaxienhaufen)war nicht genügen Zeit – außer, es gibt dunkle Materie!

Galaxienzählungen

Kosmologische Argumente: PrimordialeNukleosynthese • Entstehung derElemente im Urknall und ihreVerteilung im Universum • 75% Wasserstoff25% Helium+ wenig andere Elemente • Kernphysik  kann die Verteilung der Elementeunter der Annahme erklären, dass nur etwaein Fünftel der im Universum vorhandenenMaterie der baryonisch ist! • Daher scheiden die offensichtlichsten Kandidaten(ausgebrannte Sterne, braue Zwerge,…= „MACHOs“) aus!

Eigenschaften der dunklen Materie • Dunkle Materie • wechselwirkt mit dem Rest des Universums(fast?) nur über die Schwerkraft • ist nicht baryonisch, alsokeine „normale Materie“ • ist überwiegend nichtrelativistisch(„colddark matter“, CDM) • kann bei einem Gravitationskollaps keineEnergie abstrahlen und daher nicht zu kleinenkompakten Objekten („Sternen“) kondensieren

Woraus besteht die dunkle Materie? • Und woraus besteht sie? Wir wissen es nicht! • Neutrinos („hotdark matter“, HDM)? Zu wenige, zu schnell! • Materie in einem Paralleluniversum? Würde kondensieren! • Schwach wechselwirkende Teilchen (WIMPs) • Supersymmetrie (leichtestessupersymmetrisches Teilchen) wird vielleicht am LHC entdeckt!? • Axionen? wird vielleicht am LHC entdeckt!?

Doch damit nicht genug… • Die „dunkle Energie“ • Was ist das „Vakuum“? Könnte es eineEnergiedichte besitzen? • Kosmologische Kontante (Einsteins „größteEselei“) • Aus den Grundgleichungen der Kosmologiefolgt: Eine nichtverschwindende (positive)Energiedichtedes Vakuums beschleunigtdieExpansion! Dies war jahrzehntelang eine reintheoretischeSpekulation, bis…

Weltmodelle • Expansion des Universums • Kosmologisches Prinzip: das Universumist auf großen Skalen homogen und isotrop(zumindest näherungsweise erfüllt). • Auf großen Skalen wird das Universum„gleichmäßig aufgeblasen“. • Skalenfaktor • Rotverschiebung des Lichts Entfernung zur Zeit t a(t) = Entfernung heute l - l 1 beobachtet emittiert z = a = 1 + z l emittiert

Weltmodelle Materiedominiertes Universum

Weltmodelle Universum mit Vakuumenergiedichte

Wie kann ein Weltmodell überprüft werden? Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation Vakuumdominiertes Modell: Energiedichte des Vakuums = 73% der gesamten Energiedichte Materiedominiertes Modell: Energiedichte des Vakuums = 0 c Linearer Bereich:D = z H 0

Wie kann ein Weltmodell überprüft werden? Supernovae vom Typ Ia als „Standardkerzen“ Doppelsternsystem „Zündung“ bei Erreichen einer kritischen Masse weißer Zwerg Materiefluss  Supernovae dieses Typs sind alle (ungefähr)gleich hell!

Beobachtung von Supernovae vom Typ Ia Supernova-Daten (seit 1998)

Richtungs-Korrelationen in der Hintergrundstrahlung Bestimmung des Anteils der Materie an der„kritischen Dichte“ des Universums

Das heutige Standardmodell der Kosmologie • Energieinhalt des Universums: • 73% dunkle Energie • 27% Materie und Strahlung: • 23% dunkle Materie • 4% gewöhnliche (baryonische) Materie: • 0.5% leuchtend • 3.5% nicht leuchtend • 0.3% Neutrinos • 0.005% Photonen (v. a. Hintergrundstrahlung) 2 Energie = Masse c

Das heutige Standardmodell der Kosmologie Energieinhalt des Universums: 0.5 %sichtbar 3.5 %dunkel 73 %dunkel 27 %dunkel 0.3 %Neutrinos baryonische Materie nicht-baryonische Materie dunkle Energie(kosmologische Konstante)

Danke Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Diese Präsentation finden Sie im Web unter http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/ Antares2011/

Dunkle Materie und dunkle Energie