Dunkle Materie?

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Die Dunklen Mächte des Universums
Horst Fischer
Universität Freiburg
Didaktisches Seminar
3. November 2009
Flammarion, 1888
„Evolution“ der Hubble Konstanten
WMAP 5y
http://www.cfa.harvard.edu/~huchra/hubble.plot.dat
Baryonische
Materie
4%
23%
73%
Wichtige Stationen in der Kosmologie
Einstein, Friedmann:
Allgemeine Relativitätstheorie
Hubble:
Expansionsgeschwindigkeit
Penzias & Wilson:
3K-Hintergrundstrahlung
Perlmutter, WMAP, …
sehr präzise Messungen
Die heute bekannten Bausteine der Materie
0.1 msec nach dem Big Bang
Mesonen: qq
Baryonen: qqq
Die erste Minute nach dem Big Bang
Erzeugung = Vernichtung ⇒ Gleichgewicht der Teilchen
noch können keine stabilen Kerne gebildet werden
Im Gleichgewicht:
N (neutron)
N (proton)
= e −∆m/kT
(∆m = 1.3 MeV)
Das Gleichgewicht wird gestört, wenn T<1010 K (1 MeV)
Nukleosynthese
Um die Nukleosynthese zu starten ist Deuterium erforderlich
Danach wird aus Deuterium Helium gebildet
Keine Fortsetzung der Kette, weil es keine stabilen Kerne
mit Masse 5 und 8 gibt
Das Resultat der Nukleosynthese
helium-4
deuterium
helium-3
tritium
(free neutrons decay)
Be, Li low levels
Die Chemie des Universums
Vor der Sternbildung
75%
Wasserstoff
Am Ende eines Sternenlebens
25%
Helium
Wir bestehen alle
aus Sternenstaub
Baryonendichte
aus der Häufigkeit von He, D und Li:
⇒ heute Anteil Baryonen an
gesamter Energiedichte: 4 … 5%
 Dunkle Materie!
baryonischer Anteil (Nb/Nγ)
Rotverschiebung
Absorptionsspektrum
Sonne
ferner
Stern
Dopplereffekt
Gravitationseffekt
Dunkle Materie?
Gibt es große Mengen nichtleuchtender Materie im Kosmos ?
Nachweis: Gravitation!
Untersuchung von
Spiralgalaxien:
Messung der
Rotationsgeschwindigkeit via
Doppler-Effekt:
v(r) ist Maß für eingeschlossene Masse !
Galaxien Rotation
Geschwindigkeit, v
Radius, r
G M(r) / r2 = v2 / r
 v(r) = ( GM(r)/r)-1/2
Für r<Rsichtbar: M= 4/3ρπr3 v ~ r
Für r>Rsichtbar: M= const. v ~ r-1/2
Beobachtete gesamte Masse:
M(r) = v2 r / G
Offensichtlich große
Masse jenseits der
optischen Grenze
Gravitationslinsen
Hubble Teleskop
Abbildungen einer
Galaxie
Reconstructed matter distribution
Kalte dunkle Materie!
Expandierendes Universum
Ansatz: v = H d
Raum expandiert mit
H= 70.5+1.3 km/(s Mpc)
Expansion des Universums
Einsteins
„greatest
Blunder“
Um dies zu beschreiben wird
In den Einsteinschen Gl. eine
Kosmologische Konstante (Λ) benötigt.
Einstein lehnte dieses ab, weil er an
ein statisches Universum glaubte.
flach
geschlossen
offen
Raum-Zeit-Krümmung im Universum
Messung der Raumkrümmung:
flach
Winkel-
offen
geschlossen
messung:
Zusammenhang mit Massendichte (materiedominiertes Universum) :
ρ
mittlere Massendich te
Ωm =
=
ρ krit kritische Massendich te ≈ 3 H − Atome / m3
Falls
Ωm = 1 :
kinetische Energie + potentielle Energie = 0
Raum flach=euklidisch
unendliche Expansion mit abnehmender Geschwindigkeit
Vermessungen von CMBR Fluktuationen
Kosmische Hintergrundstrahlung
WMAP 2002:
Ω =1.02(2)
SN Ia als Referenzkerzen
SN Ia: explodierende Weiße Zwerge
gute Standardkerzen: Maximalmasse eines Weiße Zwergs
ist 1.46 Sonnenmassen (Chandrasekhar- Masse)
immer etwa gleiche absolute Helligkeit!
gute Meilensteine im Kosmos zur Zuordnung
Rotverschiebung und Distanz
SN Ia Suche  automatisches, digitales scannen des Himmels
z.B.: Supernova Cosmology Project
High-z Supernova Search Team
heute: Sloan Digital Sky Survey
(S. Perlmutter)
(B.Schmidt)
Ausdehnungsgeschwindigkeit
Beschleunigt
expandierendes
Universum
Dunkle Energie!
Dunkle Energie im Universum
Ωm :
MassenenergieDichte
ΩΛ :
Dunkle EnergieDichte
erfüllt den ganzen Raum,
nicht an Masse gebunden
1 ≈ Ω = Ωm + ΩΛ
≈ 0.3 + 0.7
Jetzt 3 Parameter:
H , Ωm , ΩΛ
Folgerungen aus Λ > 0
• Auf Erde und im Sonnensystem:
Effekte nicht messbar
(Kraft ~ R)
Ω m dominiert unverändert
jetziges Universum: Ω m , Ω Λ etwa gleich gross
• frühes Universum:
•
Neue Berechnung Weltalter: 13.7(2) Milliarden Jahre
• zukünftiges Universum:
Ω Λ dominiert
exponentielles Auseinanderfliegen:
R(t ) = exp(t ⋅ Λ / 3 )
Zahl der beobachtbaren Galaxien nimmt ab!
Dunkle Materie: Astrophysikalische Kandidaten
Braune Zwerge
(Sternmasse <0.1 Msun keine Fusion)
- einige, aber nicht genügend häufig
Weiße Zwerge
(Endzustand kleiner Sterne)
- einige, aber nicht genügend häufig
Neutronensterne/Schwarze Löcher
(Endzustand großer Sterne)
- sollten seltener vorkommen als weiße Zwerge
Gas Wolken
- ∼75% der sichtbaren Masse im Universum,
aber sichtbar
Dunkle Materie: neue Elementarteilchen?
Neutrinos (Big Bang Relikt, ca. 300/cm3)
- wenn ν-Masse ~ 0.1eV  Ω=0.002
- Als DM seit 2003 so gut wie ausgeschlossen!
WIMPS
(Weakly Interacting Particles)
Axionen
(eingeführt um Phänomene in der Teilchenphysik zu
- leichtestes supersymmetrisches Teilchen
- derzeit mehrere Experimente
erklären)
- könnte DM sein, wenn 10-5 < ma < 10-2eV
- schwierig nachzuweisen  z.B. CAST
Supersymmetrie?
Zu jedem Fermion existiert ein supersymmetrisches Boson
Zu jedem Boson
existiert ein supersymmetrisches Fermion
SUSY-Teilchen bisher noch
in keinem Beschleuniger
gefunden
Vermutlich haben sie sehr
große Massen
Neutralino: Leichtestes
stabiles supersymmetrisches
Teilchen
Supersymmetrische Teilchen
Standard-Modell
Supersymmetrie Modell
Neutralino: Stabiles leichtestes Teilchen, schwach wechselwirkend
unterliegt der Gravitation, ungeladen, bildet keine Atome,
kein Plasma, sendet keine Strahlung aus
Neutralinos lösen vielleicht das Problem der Dunklen Materie
 Hoffentlich Nachweis der Existenz mit dem LHC in Genf
Axionen:
Nachweisprinzip
cm2 sec1 keV1
8×1014
6×1014
4×1014
2×1014
0
0
2
4
6
E(keV)
8
10
Kohärenz: 1
Das CERN Axion Solar Telescope
CAST
4He
Versorgung
Supraleitender
Magnet
Lafette
L= 10 m
B=9 T
100 mal besser als die Konkurrenz
CAST
Tracking System:
Calibrated and correlated
with celestial coordinates
Twice a year
(September&March)
we can film the Sun
through the window
CAST Sensitivität
WIMP Direkter Nachweis
Elastische Streuung am Kern, typische v(c) ~ 250 km/s (b ~ 10-3)
Bewegung der Erde im χ Wind
Rückstoßenergie
vsun = 230 km/s
vorb = 30 km/s
χ
χ
(Eor/Ro)*dR(vE,vesc)/dER
δ=
30o
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
dR = Ro e -ER/Eor
dE R
Eor
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
E/(E0r)
ER ~ 10 keV
Strukturloses Spektrum
DAMA – NaI jahreszeitliche Modulation
• Insgesamt 4 Jahre Modulationen gemessen
- 57986 kgxdays
• Jahreszeitliche Modulation beträgt einige % des Signals
• Rückstoßteilchen nicht gemessen
Residuals
from
2-6
keV
DAMA Annual
Modulation
2-6 keV
Bin
Residual (kg-1 day-1 keV-1 )
0.10
0.05
0.00
-0.05
Residual
DAMA Fit
-0.10
300
600
900
1200
1500
1800
Day Number
Anzeichen, daß vielleicht WIMPs gemessen( INFN/AE-00/01)
wurden?
EDELWEISS
320 g Ge Detektor, Wärme und Ionisation, 5.03 kg×Tage
LEP
no events in signal region
EDELWEISS misst untergrundfrei,
kann aber DAMA-Ergebnis noch nicht ausschliessen
Zusammensetzung unseres Universums
Baryonische Materie:
Atome, Nukleonen, Quarks
“Dunkle
Energie”
73%
Ω~1
Dunkle Materie:
Vermutlich Axionen oder
supersymmetrische Teilchen
Baryonische
Materie
Sichtbar
Dunkle Energie:
< 1%
<
4%
Verursacht beschleunigte
Expansion des Universums
- bisher nicht verstanden
Nicht-Baryonische
Dunkle
Materie
23%
Zukunft unseres Universums
Weshalb leben wir
ausgerechnet hier?
eigentlich unklar!
ewige Expansion?
Auskühlen  kalter, dunkler Kosmos
„Das Schönste, was wir erleben
können, ist das Geheimnisvolle.“
Bildquelle: Web, www.art.com/.../ Einstein_Great_Spirit.htm
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