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 cm2 sec1 keV1 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
