Dunkle Materie und Energie
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Dunkle Materie Dunkle Energie Dunkle Materie und Energie Christoph Smaczny 6. Juli 2017 Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Materie Dunkle Energie Zusammenhalt von Galaxienhaufen I 1933: Fritz Zwicky untersucht Coma-Galaxienhaufen I Galaxien bewegen sich zu schnell in Relation zur sichtbaren Masse I Virialsatz: T = −U/2 T = 21 MV 2 , U = −GM 2 /R ⇒ M = R V 2 /G I Zwicky errechnet für M 3 · 1014 Sonnenmassen von denen nur 1012 durch sichtbare Galaxien erklärbar Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Materie Dunkle Energie Heiÿes Gas in Galaxienhaufen I 1970er: Röntgenemission von Galaxienhaufen gemessen I Ursprung: Heiÿes Gas I Bestimmung von Temperatur und Verteilung des Gases möglich I Gesamtmasseverteilung im Galaxienhaufen durch Hydrostatische Gasgleichung bestimmbar: kT r ∆ρ M(r ) ≈ µm p G ρ I Masse des Gases 4 bis 5 mal so groÿ wie die der Sterne I Diskrepanz zwischen detektierbarer und erforderlicher Masse verringert sich auf einen Faktor von ca. 6 Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Materie Dunkle Energie Stabilität von Scheibengalaxien I 1960er: Computer werden hinreichend leistungsfähig für N-Körpersimulationen (N ≈ 100 000) I Miller und Prendergast (1968) und unabhängig davon Hohl (1969) wollen Spiralgalaxien simulieren I Anfangsbedingungen der Simulation: Runde Scheibe aus Teilchen im Gleichgewicht (Gravitation ≈ Zentrifugalkraft) ⇒ Erwartung: Globale Struktur sollte sich nicht ändern Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Materie Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Energie I Frank Hohl (1971) I 100 000 Sterne I Schlieÿlich wieder ungefähr rund, jedoch Teilchenbahnen nicht mehr Kreisförmig I Instabil Dunkle Materie Dunkle Energie I Verschiedene Ansätze zur Behebung des Problems wurden probiert I Ein Ansatz: Künstliches Kühlen einiger Teilchen I Sinnvoll, da Gaswolken kollidieren und dabei Energie verlieren können Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Materie Dunkle Energie I Miller, Prendergast and Quirk (1970) I links: gekühlte Teilchen (Gas), rechts: ungekühlte Teilchen (Sterne) I Sterne zeigen auch leichte (hier nicht gut erkennbare) Spiralstruktur I Nach längerer Zeit jedoch auch hier Instabilität Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Materie Dunkle Energie Dunkle-Materie-Halos I 1973, Ostriker und Peebles: Simulation von Galaxien mit Dunkle-Materie-Halos I Virialsatz: 2T + U = 0 mit T = Trot + Tran ⇒ t + r = 1/2 mit t = Trot /(−2U) und r = Tran /(−2U) Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Materie Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Energie Dunkle Materie Dunkle Energie Abbildung: Einuss von Halos auf die Entwicklung von Galaxien (Ostriker und Peebles, 1973). Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Materie Dunkle Energie Rotationskurven von Spiralgalaxien I Rotation um Massepunkt M : GmM r2 I = F G = FZ = mV 2 r ⇒V = q GM R √ Rotationsgeschwindigkeit nimmt mit 1/ r ab I Wenn Masse ausgedehnt, kugelsymmetrisch: M → M(r ) q ) V (r ) = p GM(r r I p zur Korrektur von nicht-kugelsymmetrischer Verteilung I Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Materie Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Energie Dunkle Materie Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Energie I 21-cm-Emissionslinie von neutralem Wassersto, auch in groÿer Entfernung von Zentrum, wo kaum sichtbare Sterne: keine √1r -Abnahme. I M(r ) ∝ r I Aber Oberächenhelligkeit nimmt exponentiell ab: I (r ) = I0 e −r /h Dunkle Materie Dunkle Energie Gravitationslinsen I ART: Licht wird im Gravitationsfeld abgelenkt I Massenverteilung eines als Gravitationslinse wirkenden Galaxienhaufens bestimmbar I Ergebnisse i. d. R. vergleichbar mit denen aus Messung der Röntgenemission Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Materie Dunkle Energie Abbildung: Quasar QSO 2237+0305 hinter dem Kern einer etwa 400 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie, die als Gravitationslinse wirkt (NASA, ESA) Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Materie Zusammensetzung dunkler Materie I I Vermutungen bis in 80er: kaltes Gas, leichte Sterne, Neutronensterne, leichte schwarze Löcher ⇒ Baryonische dunkle Materie Nicht-Baryonische dunkle Materie die nur schwach mit Baryonen und Photonen interagiert I Teilchen aus der Theorie der Supersymmetrie Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Energie Dunkle Materie Dunkle Energie Alternative Theorien I MOND-Theorie: 1983 von Mordehai Milgrom als Alternative zum Postulat der Dunklen Materie vorgeschlagen I F = m µ(|a|/a0 ) a mit µ(x) = 1 für x 1 und µ(x) = x für x 1 I Gute Voraussage von Rotationskurven I Anwendung auf Galaxienhaufen: Diskrepanz verringert, aber es bleibt ca. Faktor 2 bis 3 I Mond ist nicht relativistisch ⇒ z. B. keine Aussagen zu Gravitationslinseneekt I Relativistische Erweiterung: TeVeS (Tensorvectorscalar gravity) Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Materie Dunkle Energie Beschleunigte Expansion des Universums I 1917: Einstein bemerkte, dass Universum laut ART nicht stabil; führte Kosmologische Konstante Λ ein, um Universum statisch zu machen I 1929: Hubbel'sches Gesetz ⇒ Einstein verwarf Kosmologische Konstante I 1934, Lemaître: Kosmologische Konstante als Vakuumenergie Λ zur Energiedichte auassen ⇒ Beitrag ρΛ = 8πG Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Materie Dunkle Energie I Kritische Dichte: ρc = I Dichteparameter ΩΛ = I 3H 2 8πG ρΛ ρc , ΩM = q Leuchtkraftentfernung dL = 4Lπl I Rotverschiebung z = I dL (z; H0 , ΩM , ΩΛ ) = Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie ρM ρc λobs −λem λem R 1+z z √ dz 0 H0 0 ΩM (1+z 0 )3 +ΩΛ Dunkle Materie Dunkle Energie I Erste systematische Suche nach weit entfernten Typ Ia Supernovae in 1980ern → geringer Erfolg, da Supernovae selten I 1988: Saul Perlmutter initiiert Supernova Cosmology Project um gebremste Expansion zu zeigen I ab 1994: parallele Forschung von Brian Schmidt und Adam Riess im High-z Supernova Search Team I Licht schwächer als erwartet ⇒ Beschleunigte Expansion I Nobelpreis 2011 für Perlmutter, Schmidt und Riess Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Materie Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Energie I Perlmutter (1999) I Best-Fit: ΩM = 0, 28, ΩΛ = 0, 72 Dunkle Materie Dunkle Energie Erklärungsansätze I Quantenuktuation I In relativistischer Quantenphysik ist das Vakuum mit Quantenuktuationen gefüllt I Die sich ergebende Energiedichte weicht jedoch um 122 Gröÿenordnungen vom erwarteten Wert ab I Quintessenz: ähnlicher Eekt wie während Ination könnte wirken Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Materie Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie Dunkle Energie Dunkle Materie Dunkle Energie Sanders, Robert H. (2010): The Dark Matter Problem, A Historical Perspective. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/ laureates/2011/advanced-physicsprize2011.pdf https://arxiv.org/pdf/astro-ph/9812133.pdf Christoph Smaczny Dunkle Materie und Energie
