(Einstein Symp. Heidelberg 07/05)
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Dunkle Energieein kosmisches Rätsel Dunkle Energie – Ein kosmisches Raetsel Woraus besteht unser Universum ? Quintessenz ! Feuer , Luft, Wasser, Erde ! Dunkle Energie dominiert das Universum Energie - Dichte im Universum = Materie + Dunkle Energie 30 % + 70 % Was ist Dunkle Energie ? Materie : Alles was klumpt Abell 2255 Cluster ~300 Mpc Materie Alles was klumpt! Gravitationspotential Materie kann durch Gravitationsanziehung gemessen werden ! Die meiste Materie ist dunkel ! Dunkle Materie bisher nur durch Gravitation spürbar Gravitationslinse,HST Energiedichte in Materie gemessen Was ist Anteil ? Benötigt : Gesamtenergiedichte Gesamte Energie – Dichte : gemessen durch Anisotropie der kosmischen Hintergrund - Strahlung Kritische Dichte ρc =3 H² M² Kritische Energiedichte des Universums M : reduzierte Planck-Masse , G : Newton’sche Gravitationskonstante M-2=8 π G Ωm=ρm/ρc Anteil der Materie an der (kritischen) Energiedichte Kleinste und größte Länge H-1 ≈ 10 000 000 000 Lichtjahre Größe unseres Universums M-1 = 10-32 cm : Planck – Länge Kosmologie und Elementar-Teilchenphysik Zusammensetzung des Universums Baryonen Ωb = 4.5 % sichtbar klumpt unsichtbar klumpt unsichtbar homogen Dunkle Materie Ωdm= 22 % Dunkle Energie Ωh = 73 % Gesamte Energie – Dichte : gemessen durch Anisotropie der kosmischen Hintergrund - Strahlung Foto des Urknalls : Ωtot=1 WMAP Ωtot=1 Ωm= 0.3 Gravitationslinse,HST Dunkle Energie : klumpt nicht homogen im Raum verteilt Ωm + X = 100 % Ωm : 30% klumpt Ωh : 70% Dunkle Energie h : homogen Raum zwischen den Klumpen ist nicht leer : Dunkle Energie ! Dunkle Energie ist völlig gleichförmig über den Raum verteilt “ überall gleich viel “ “ homogen “ Übt keine Kraft auf Teilchen aus – “ Wohin sollte sie ziehen ? “ Zwei wichtige Vorhersagen Die Expansion des Universums beschleunigt sich heute ! Strukturbildung : Ein primordiales Fluktuationsspektrum Was ist die Dunkle Energie ? Kosmologische Konstante oder Quintessenz ? Kosmologische Konstante Konstante λ verträglich mit allen Symmetrien (Einstein) Zeitlich konstanter Beitrag zur Energiedichte λ/M4 = 10-120 Warum so klein ? Warum gerade heute wichtig? Kosmologische Konstante : statisch Quintessenz : dynamisch Zeitentwicklung tˉ² ρm/M4 ~ aˉ³ ~ ρr/M4 ~ aˉ4 ~ t -2 Materie dominiertes Universum tˉ3/2 Strahlungsdominiertes Universum Strahlungsdominiertes Universum Grosses Alter kleine Grössen Gleiche Erklärung für dunkle Energie ? Kosmologische Konstante : statisch Quintessenz : dynamisch homogene dunkle Energie: Materie: ρh/M4 = 6.5 10ˉ¹²¹ ρm/M4 = 3.5 10ˉ¹²¹ Einstein’s Vereinheitlichung von Raum und Zeit (spezielle Relativitätstheorie ) Was von der Zeit abhängt , kann auch vom Raum abhängen ! Feld Quintessenz Kosmon – Feld φ(x,y,z,t) ähnlich elektrisches Feld , aber keine Richtung ( Skalarfeld ) Homogenes und isotropes Universum : φ(x,y,z,t)=φ(t) Potenzielle und kinetische Energie des Kosmon - Felds tragen zu dynamischer Energiedichte des Universums bei C.Wetterich,Nucl.Phys.B302(1988)668 B.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)L17, 24.9.87 20.10.87 Fünfte Kraft Starke,elektromagnetische,schwache Wechselwirkung Auf astronomischen Skalen: Graviton + Gravitation Kosmodynamik Kosmon Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden ? Zeitabhängigkeit der dunklen Energie M.Doran,… Kosmologische Konstante : Ωh ~ t² ~ (1+z)-3 Dunkle Energie im frühen Universum : unter 10 % Hängen fundamentale Parameter von der Zeit ab ? Quintessenz und Zeitabhängigkeit der “fundamentalen Konstanten” Proton – Masse , Elektron - Masse : keine festen Konstanten ! Verhältnis mp /me hängt vom Wert des Kosmon Felds ab ! Zeitentwicklung von φ Zeitentwicklung von mp /me Jordan Hatten Kopplungskonstanten im frühen Universum andere Werte ? Ja ! Standard – Modell der elektroschwachen Wechselwirkung : Higgs - Mechanismus Die Massen aller fundamentalen Fermionen und Eichbosonen sind proportional zum VakuumErwartungswert eines Skalarfelds φH ( Higgs Skalar ) Für Elektron , Quarks , W- und Z- Bosonen gilt etc. mElektron = hElektron * φH Restoration der Symmetrie bei hohen Temperaturen im frühen Universum Niedrige T SSB <φH>=φ0 ≠ 0 Hohe T SYM <φH>=0 hohe T : weniger Ordung mehr Symmetrie Beispiel: Magnete Im heissen Plasma des frühen Universums : ähnliche Stärke der schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkung ! Zusammenfassung Der Wert von Massenverhältnissen und Kopplungskonstanten hängt vom Zustand ab ! Nicht ein für alle mal gegeben ! Wie stark hängen fundamentale Parameter von der Zeit ab ? Nukleosynthese : die Urchemie Kochen der leichten Elemente He, Li, etc aus Protonen und Neutronen Bestimmung von Ωb=0.045 : Von Nukleosynthese, Kosmischer Hintergrundstrahlung Primordiale Häufigkeiten der leichten Elemente aus der Nukleosynthese A.Coc Zeitvariation der “ fundamentalen Konstanten “ ist winzig – wäre aber von großer Bedeutung ! Mögliches Signal für Quintessenz Παντα ρει Alles fliesst Fallen alle Körper gleich schnell ? Äquivalenzprinzip Galileo Galilei : Alle Körper fallen gleich schnell ! Schiefer Turm zu Pisa Newton : Körper gleicher Masse unterliegen der gleichen Erdbeschleunigung , unabhängig von ihrer Zusammensetzung Einstein : Äquivalenzprinzip als Grundlage der Gravitation ( Allgemeine Relativitätstheorie ) Grundlage wichtiger Techniken : GPS , … Kosmodynamik Kosmon vermittelt neue langreichweitige Wechselwirkung Reichweite : Grösse des Universums – Horizont Stärke : schwächer als Gravitation Photon Elektrodynamik Graviton Gravitation Kosmon Kosmodynamik Kleine Korrekturen zum Gravitationsgesetz Scheinbare Verletzung des Äquivalenzprinzips Körper mit gleicher Masse aber verschiedener Zusammensetzung fallen nicht gleich schnell zur Erde ! p,n Verschiedene Kopplung des Kosmons an Proton und Neutron Differentielle Beschleunigung η : Differenz der Beschleunigung zweier Körper mit gleicher Masse / Summe der Beschleunigungen Erde Kosmon p,n Verknüpfung zwischen Zeitabhängigkeit von α und Verletzung des Äquivalenzprinzips differentielle Beschleunigung η typisch : η = 10-14 MICROSCOPE – Satelliten-Mission Zusammenfassung o Ωh : 70 % des Universums besteht aus Dunkler Energie o Q/Λ : dynamische und statische dunkle Energie unterscheidbar o Q : zeitlich veränderliche “fundamentale Kopplungen” , scheinbare Verletzung des Äquivalenzprinzips ???????????????????????? Warum wird Quintessenz gerade in der heutigen kosmologischen Epoche wichtig ? Haben Dunkle Energie und Dunkle Materie etwas miteinander zu tun ? Kann Quintessenz in einer fundamentalen vereinheitlichten Theorie erklärt werden ? Die Antwort der Künstlerin … Laura Pesce Ende Evolution des Kosmonfelds Feldgleichung Potenzial V(φ) bestimmt Details des Modells z.B. V(φ) =M4 exp( - φ/M ) Für wachsendes φ fällt Potenzial gegen Null Quintessenz wird heute wichtig
