Dunkle Materie

Dunkle Materie
15.01.2008
Martin Schneider
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Dunkle Materie
• Warum dunkle Materie ?
(Beobachtungen in Galaxien, Sternzählungen etc.)
• Was ist dunkle Materie ?
( MACHOs und WIMPs, MOND)
• Konsequenzen in der Kosmologie
(BigBang-Theorie, Entwicklung des Universums)
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Warum dunkle Materie?
• Messung der Masse von Galaxien:
- Messung der Leuchtkraft
- Abschätzung der Sternenpopulation über Leuchtkraftfunktion der
Sterne
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- Abschätzung der Masse einer Galaxie: M = L
• Rotation von Galaxien:
- Messung der Rotationsgeschwindigkeit:
- Rotverschiebung auf der einen und Blauverschiebung auf der anderen
Seite der Galaxie
- Messung der Rotationsgeschwindigkeit durch Grad der Verschiebung
weniger als 10% bestehen aus baryonischer
Materie (Messung von Zwicky 1932)
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Warum dunkle Materie?
•
Rotationskurven von Galaxien:
Galaxien rotieren um ihr Zentrum , in großer Entfernung sollte v rot
ABER: Die Rotationskurve ist nach außen in „flach“
wie r −1 /2
abnehmen
•
•
Die Galaxie muss mehr Masse enthalten als durch Modelle berechnet.
Die auftretenden Rotationsgeschwindigkeiten verlangen aber die 5 bis 10 fache
Menge an Materie.
 Galaxien haben also einen HALO aus dunkler Materie, der ca. 90% der Masse der
Galaxie beinhaltet.
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Warum dunkle Materie?
• Bewegungen in Galaxienhaufen:
Virialsatz:
1
1
Mv 2 = E Pot
2
2
M)
1 G(
=
2
r
2
Anwendung auf Daten einiger Galaxienhaufen ergaben ca. 10 Mal mehr
Masse als erklärbar.
• Gravitationslinsen:
- in der Nähe von massereichen Galaxien wurden verzerrte Abbilder von
Hintergrundgalaxien erkannt
- Aus Lage und Form der Bögen Verteilung der Masse und Gesamtmasse
errechenbar
 Um Faktor 10 mehr Masse als durch Licht sichtbar
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Gravitationslinsen an massiven Galaxien
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Warum dunkle Materie?
• 3K-Hintergrundstrahlung :
Fluktuationen
ergeben ein Bild
von ca.
23% dunkler Materie
4% baryonischer Materie
73% dunkle Energie
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Fazit:
Dunkle Materie :
• ist nicht beobachtbar
• wechselwirkt nicht mit elektromagnetischer
Strahlung
• macht sich nur durch Gravitation bemerkbar
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Was ist dunkle Materie?
Zwei „ Hauptverdächtige“:
• MACHOs ( Massive Compact Halo
Objects):
Baryonische , leuchtschwache Objekte mit
• WIMPs ( Weakly Interactive Massive
Particles):
schwach wechselwirkende Elementarteilchen mit hoher Ruhemasse
( ~ 100 GeV)
• (MOND ( Modified Newtonian Dynamics))
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MACHOs
•
Braune Zwerge:
- ab weniger als 0.08 Sonnenmassen, erreichen nie die Phase des
Wasserstoffbrennens
- Übergangsobjekte zwischen Sternen und großen Planeten
- tragen ca. 5 bis 10 % zur Gesamtmasse an Baryonen bei
•
Weiße Zwerge:
- etwa 0.5 bis 1.44
M°
- unauffällig, schwach bläulich leuchtend
- sehr schwer zu finden
- Universum ist aber nicht alt genug um ausreichend WD produziert zu haben
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MACHOs
• Primordiale Schwarze Löcher
- Existenz bis heute unklar
- nur indirekt beobachtbar
• Weitere Kandidaten wie:
• Neutronensterne (beobachtete Menge an schweren Elementen
reicht nicht aus für die benötigte Menge an NS)
• Planeten (man braucht zu viele zur Erklärung, bedenke Kollisionen)
• M Zwerge (ähnlich wie Braune Zwerge, zu wenige gemessen)
• Bester Fit mit ca. 20% Halomasse aus MACHOs
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Wie findet man MACHOs?
• Gravitationseffekte:
•
Bahnbewegungen von Sternen  schwarze Löcher
• Gravitationslinsen:
•
•
Durch Gravitation verursachte Linseneffekt an massereichen Objekten
Unterscheidbar von Cepheiden da Intensitätsanstieg gleichmäßig im
ganzen Spektrum
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WIMPs
• Neutrinos:
- lange Zeit Hauptvermutung
- fast keine Interaktion mit Materie
- relativistisch  HDM ( Hot Dark Matter)
- unbekannte Masse (?), vermutete Ruhemasse 0.008 eV ( 1,4⋅10−38 kg !!)
-
drei große Probleme :
-
können sich nicht an Galaxien „heften“
das Universum ist zu klein (!!) für die benötigte Menge an Neutrinos
Nicht vereinbar mit Theorie des frühen Universum, Neutrinos verursachen keine
Verklumpung
-
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WIMPs
•
•
Massive Teilchen mit hohen Ruhemassen
folgen aus Supersymmetrie, die aus der M-Theorie ( Stringthorie)
folgt, wenn man 6 der 10 Dimensionen der Strings aufwickelt
•
Standardmodell:
Supersymmetrie:
zu allen Materieteilchen (Fermionen)
supersymmetrische Partner,
die sich wie Kraftteilchen (Bosonen)
verhalten und umgekehrt
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WIMPs
• Grundsätzlich:
•
•
•
Teilchen müssen stabil sein ( leichtester Superpartner)
Massen von 10 bis 100 Protonenmassen erwartet
Teilchen haben keinen thermischen Druck
•
Für bestimmte Randbedingungen ( z.B. 3 mögliche Energieskalen)
ergibt sich das Neutralino:
Könnte in ausreichender Zahl beim Bigbang produziert worden sein
Superposition von Photino, Zino, Higgsino
Stabil dank R-Parität
( vergleichbar einer Quantenzahl)
-
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WIMPs
• Axionen:
•
•
•
•
Aus QCD ( Theorie des Atomkerns), kein Susy-Teilchen
Spin -0- Boson
Zwischen 10−6 eV und 10 -3 eV schwer
Bisher nicht nachgewiesen
• Nachweise:
•
•
•
•
WIMP-Experimente größtenteils an der Polen ( AMANDA, IceCube)
Beruhen auf WW mit Atomkernen
Indirekte Beobachtungen durch Kollisionen möglich
Bisher kein experimenteller Befund
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MOND, TeVes
•
•
•
•
1983 vom Israeli Milgrom publiziert
MOdified Newtonian Dynamics
Ansatz :
µ(x) ist eine glatte, beschleunigungsabhängige Funktion, a 0 eine Konstante
•
Relativistisch: Tensor-Vector-Scalar
theory of gravity
(Gegensatz: ART nur mit metrischem
Tensor)
•
CMB-Spektrum erklärbar:
kosmologische Konstante bliebe
erhalten, massereiche Neutrinos wären nötig, Verzicht auf dunkle Energie
Insgesamt: Theorie sehr umstritten, aber noch nicht widerlegt
•
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Kosmologie
• Die kosmische Hintergrundstrahlung:
•
•
•
•
•
•
•
bestätigte die Urknalltheorie ( Strahlung 400000 Jahre nach dem
Urknall)
Weist eine Fluktuation von ca. ΔT /T ≃10−5 auf
Anisotropien deuten auf kleine Strukturen hin, verursacht durch
dunkle Materie
Baryonische Materie allein hätte noch keine Galaxien bilden können
BM fiel ins Schwerepotential der DM
ergibt bekannte Zusammensetzung des Universums
lieferte somit einen „Beweis“ für das akzeptierte Modell der
Kosmologie das
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Λ -CDM-Modell
•
Wichtige Parameter:
•
H,
•
•
•
•
ρ,
R,
k,
q,
das die Expansionsrate des Universums bestimmt (Hubble-Konstante)
( Ausdehnung des Universums mit v=d⋅H 0 , H0 =71 km/ s⋅Mpc
)
das die durchschnittliche Dichte im Universum misst
der Raumkrümmungsradius des Universums
das Vorzeichen der Raumkrümmung
der Abbremsungsparameter, beschreibt wie die Expansion des Universums durch
die Schwerkraft verzögert
wird.
¿
H² = a /a ²=
•
•
Friedmann-Gleichung:
8π⋅G
Λ
k
ρ −
3
3 a²R 0 ²
ρ kritisch=
Hieraus die kritische Dichte:
3H 0 ²
8πG
bei der Gravitationskräfte die Fluchtgeschwindigkeit abbremsen,
dass diese gegen 0 geht.
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Das Universum
ρρ crit , ⇔  1 ,⇔ k =1 , “geschlossen”
ρρ crit ,⇔  1 ,⇔ k = -1 , “offen”
ρ=ρ crit ,⇔ = 1 , ⇔ k = 0 , “flach”
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Die Millenium - Simulation
•
•
Größte bisher durchgeführte, auf dem Λ−CDM −Modell
beruhende N-Körper
Simulation
Film gibt die Verteilung der dunklen Materie an, die sehr gut mit den beobachteten
Verhältnissen übereinstimmt
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Quellen
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http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/millennium/
Wikipedia
Unsöld, Baschek: Der neue Kosmos
http://www.astro.uni-bonn.de/~deboer/pdm/pdmdmtxt.html
Michio Kaku: Im Paralleluniversum
Physik Journal 2/2005
http://www.eclipse.net/~cmmiller/DM/
Niemeyer Skript
www.weltderphysik.de
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