Dunkle Materie und dunkle Energie

Dunkle Materie und dunkle
Energie
Franz Embacher
Fakultät für Physik der Universität Wien
Vortrag am Vereinsabend von
ANTARES – NÖ Astronomen
St. Pölten, 9. 9. 2011
Die Bestandteile…
Woraus besteht das Universum?
•
•
•
•
}
Sterne, Planeten,…  Galaxien
normale
Staub
(„baryonische“)
Materie
Gas
elektromagnetische Strahlung
(Licht, Radar-, UV-, Röntgen- und
Gammastrahlung,
kosmische Hintergrundstrahlung = CMB)
• Neutrinos
• ...?
Die normale Materie
„Baryonische“ Materie
• besteht aus den bekanntesten Elementarteilchen
(Protonen, Neutronen, Elektronen,…)
Baryonen
Leptonen
• Normale Materie wechselwirkt mit Photonen
(Licht-Teilchen)  „leuchtet“
• Kernkräfte („starke“ und „schwache“ Kraft)
• Gravitationskraft (Schwerkraft)
• Bildet Atomkerne, Atome ( Chemie),
Sterne und Planeten
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 bekannten
Kräfte über große Entfernungen. Sie hält
Galaxien zusammen („Bindungskraft“) und
bestimmt ihre Dynamik.
Unstimmigkeiten
Bereits seit den 1930er Jahren traten
Unstimmigkeiten auf:
• 1932 Jan Hendrik Oort: Die Scheibe der
Milchstraße ist dünner als aus der
Schwerkraft der beobachteten Materie
erklärbar.
• 1933 Fritz Zwicky: der Coma-Galaxienhaufen
kann nicht durch die Schwerkraft seiner
sichtbaren Bestandteile zusammengehalten
werden.
• 1960 Vera Rubin: „Rotationskurven“
Rotationskurven
Geschwindigkeiten einzelner, weit draußen um
eine Galaxie kreisender Sterne
Aus dem Newtonschen
Gravitationsgesetz folgt:
M
v
v =
r
GM
r
4-fache Entfernung  halbe Geschwindigkeit
Rotationskurven
Theoretische Erwartung:
v
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
r
0
1
2
3
4
normiert auf Radius = 1, v(Rand) = 1
5
Beobachtung
Rotationskurve der Galaxie NGC 3198
„flache“ Rotationskurve
v (km/s)
200
150
100
50
r (kpc)
10
20
30
40
Beobachtung
Erklärung?
„Halo“ aus
Materie, die
man nicht
sieht!
Dunkle Materie
Galaktischer Halo, der nicht leuchtet, aber
90% der gesamten Masse der Galaxie enthält!
Es gibt weitere Hinweise auf die dunkle Materie…
Gravitationslinsen…
Gravitationslinse
Galaxy Cluster 0024+1654
…erlauben eine
genauere
Bestimmung der
Massen von
Galaxienhaufen
 Bestätigung
Kosmologische Argumente: CMB-Fluktuationen
380 000 Jahre nach dem Urknall – zu große
Inhomogenitäten (Strahlungsdruck)! DT
T
-6
= 6  10
Kosmologische Argumente: CMB-Fluktuationen
xxx
•
•
•
•
xxx
Xxx
xxx
xxx
Kosmologische Argumente: Strukturbildung
Computersimulationen
Galaxien
fallen in die
„Potentialtöpfe“
der dunklen
Materie
Zur Bildung der heutigen Strukturen (Galaxien und Galaxienhaufen)
war nicht genügen Zeit – außer, es gibt dunkle Materie!
Galaxienzählungen
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 erklären, dass nur etwa
ein Fünftel der im Universum vorhandenen
Materie 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, also
keine „normale Materie“
• ist überwiegend nichtrelativistisch
(„cold dark matter“, CDM)
• kann bei einem Gravitationskollaps keine
Energie abstrahlen und daher nicht zu kleinen
kompakten Objekten („Sternen“) kondensieren
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?
 Würde kondensieren!
• Schwach wechselwirkende Teilchen (WIMPs)
• Supersymmetrie (leichtestes
supersymmetrisches 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 eine
Energiedichte besitzen?
• Kosmologische Kontante (Einsteins „größte
Eselei“)
• Aus den Grundgleichungen der Kosmologie
folgt: Eine nichtverschwindende (positive)
Energiedichte des Vakuums beschleunigt die
Expansion! Dies war jahrzehntelang eine rein
theoretische Spekulation, bis…
Weltmodelle
Expansion des Universums
• Kosmologisches Prinzip: das Universum
ist auf großen Skalen homogen und isotrop
(zumindest näherungsweise erfüllt).
• Auf großen Skalen wird das Universum
„gleichmäßig aufgeblasen“.
• Skalenfaktor
Entfernung zur Zeit t
a(t) =
Entfernung heute
• Rotverschiebung des Lichts
z =
l beobachtet - l emittiert
l emittiert
a =
1
1+z
Weltmodelle
Materiedominiertes Universum
at
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
2
4
6
8
10
t Mrd Jahre
Weltmodelle
Universum mit Vakuumenergiedichte
at
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
2
4
6
8
10
12
14
t Mrd Jahre
Wie kann ein Weltmodell überprüft werden?
Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation
D Mpc
Vakuumdominiertes Modell:
Energiedichte des Vakuums = 73%
der gesamten Energiedichte
2000
1500
1000
500
Linearer Bereich: D =
0
0
1
2
c
z
H0
3
Materiedominiertes Modell:
Energiedichte des Vakuums = 0
4
5
6
z
Wie kann ein Weltmodell überprüft werden?
Supernovae vom Typ Ia als „Standardkerzen“
Doppelsternsystem
weißer
Zwerg
Materiefluss
„Zündung“ bei
Erreichen einer
kritischen Masse
 Supernovae dieses Typs sind alle (ungefähr)
gleich hell!
Beobachtung von Supernovae vom Typ Ia
Supernova-Daten (seit 1998)
D Mpc
2000
1500
1000
500
0
0
1
2
3
4
5
6
z
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
Energie = Masse c 2
• 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)
Das heutige Standardmodell der Kosmologie
Energieinhalt des Universums:
0.5 % 3.5 % 27 %
0.3 %
sichtbar dunkel dunkel Neutrinos
baryonische
Materie
nicht-baryonische
Materie
73 %
dunkel
dunkle Energie
(kosmologische Konstante)
Danke
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Diese Präsentation finden Sie im Web unter
http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/ Antares2011/