V - Universität Wien
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Dunkle Materie und Dunkle Energie - unser aktuelles Bild des Universums Franz Embacher Fakultät für Physik Universität Wien Vortrag im Rahmen von University Meets Public VHS Meidling, 18. 2. 2008 Andromeda-Nebel M31 mit M32 und M110 HST Deep Field Video-Clip: Zoom auf ferne Galaxien HDF.mpg Woraus besteht das Universum? Energieinhalt des Universums - vorläufiges Bild: Materie, die nicht (oder nur schwach) leuchtet • • • • interstellares Gas ausgebrannte Sterne, kleine kalte Objekte, Staub intergalaktische Materie je nach Sichtwinkel: • Neutronensterne • schwarze Löcher und: • Dunkle Materie Dunkle Materie • Rotationskurven weit entfernter Sternen um Galaxien Theoretische Betrachtung: Aus dem Newtonschen Gravitationsgesetz folgt: M v v = r GM r 4-fache Entfernung halbe Geschwindigkeit Dunkle Materie Theoretisch wird also ein solcher Zusammenhang zwischen Entfernung und Geschwindigkeit erwartet: v 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 r 0 1 2 3 4 normiert auf Radius = 1, v(Rand) = 1 5 Dunkle Materie • Vermessung von Rotationskurven: Dunkle Materie • Vermessung von Rotationskurven: Dunkle Materie • Jede Galaxie ist mit einem „Halo“ aus Dunkler Materie umgeben! • Es ist nicht bekannt, wie weit sich diese Halos erstrecken! (Zumindest einige Vielfache der Galaxiengröße!) • Nur knapp 2% der Materie, die eine Galaxie enthält, ist sichtbar! • Nur etwa 5% der Materie, die eine Galaxie enthält, kann baryonisch (d.h. „normale Materie“) sein! • Dunkle Materie wechselwirkt mit normaler Materie (fast) nur durch die Schwerkraft. Dunkle Materie • Woraus besteht die Dunkle Materie? • Neutrinos? ... zu geringe Dichte • neue Teilchensorte? • Die erfolgreichsten Modelle nehmen an, Dunkle Materie besteht aus „langsam“ bewegten Teilchen (v << c). CDM = cold dark matter • Materie in einem „Paralleluniversum“, das mit dem unseren nur über die Schwerkraft wechselwirkt? Dunkle Materie • Modell: Dunkle Materie bildet „Potentialmulden“, in die die gewöhnliche Materie (Galaxien) fällt! CMD-Computer-Simulationen: Galaxienverteilung experimentell 1 Galaxienverteilung experimentell 2 Dunkle Energie • Was ist das Vakuum? • Das Vakuum könnte eine Energie besitzen! In diesem Fall besitzt das Vakuum einen negativen Druck! Materie normales Verhalten Energieinhalt wird vergrößert. Energieinhalt wird verkleinert. positiver Druck Vakuum E~V Energieinhalt wird verkleinert. Energieinhalt wird vergrößert. negativer Druck Das Universum dehnt sich aus - Luftballon und Backofen Animation: Die Expansion des Universums Das Universum dehnt sich aus • Kosmologisches Prinzip: Das Universum sieht (im Großen) überall und in jede Richtung gleich aus. • Daraus folgt: Die Expansion besteht in einer gleichmäßigen „Dehnung“ aller Längen. • Modell: Gummiband, das ausgedehnt wird • fix markierte Punkte: Galaxien • Spielzeugautos: Licht • Quantitative Beschreibung der Expansion: der Skalenfaktor Länge zur Zeit t a(t) = Länge heute Das Universum dehnt sich aus Das Universum ist heute (fast) flach. Das Universum war früher kleiner Urknall ! a(Urknall) = 0 Wo fand der Urknall statt? Wo? Wo fand der Urknall statt? Überall ! Das Universum dehnt sich aus • Wie verläuft Expansion im Detail? • Falls Strahlung oder Materie dominiert die Expansion verläuft gebremst. (Strahlungsdominiertes oder materiedominiertes Universum) • Falls die Vakuumenergie dominiert die Expansion verläuft beschleunigt! (Vakuumdominiertes Universum, Energiedichte des Vakuums = „kosmologische Konstante“) • Falls das Vakuum eine Energie besitzt, so wird sie irgendwann einmal dominant! Modell: Materiedominiertes Universum at 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 2 4 6 8 10 t Mrd Jahre Modell: Universum mit Vakuumenergie at 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 2 4 6 8 10 12 14 t Mrd Jahre Überprüfung von Weltmodellen • Wie kann ein Weltmodell durch Beobachtungen überprüft werden? • Rotverschiebung Geschwindigkeit der Quelle nicht messbar • Hubble-Gesetz v = H0 D Hubble-Konstante (ca. 71 km/s/Mpc) • Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation Beziehung zwischen direkt messbar • z ... Rotverschiebung des beobachteten Lichts • D ... Entfernung der Quelle zum Zeitpunkt der Aussendung des Lichts indirekt messbar Vorhersagen: Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation D Mpc 2000 vakuumdominiertes Modell 1500 1000 500 0 0 materiedominiertes Modell 1 2 3 4 5 6 z Supernovae Ia als Standardkerzen • Wie können sehr große Entfernungen gemessen werden? • Supernova-Explosionen vom Typ Ia sind annähernd „Standardkerzen“, d.h. ihre absoluten Helligkeiten sind (ungefähr) gleich und (ungefähr) bekannt: Doppelsternsystem weißer Zwerg Materiefluss „Zündung“ bei Erreichen einer kritischen Masse Aus der relativen (beobachteten) Helligkeit kann die Entfernung abgeschätzt werden. Vergleich mit Supernova-Daten (seit 1998) D Mpc 2000 1500 1000 500 0 0 1 2 3 4 5 6 z Das moderne Standardmodell der Kosmologie • Es gibt eine nichtverschwindende Vakuumenergie (Dunkle Energie, kosmologische Konstante). • Sie bewirkt, dass das Universum heute beschleunigt expandiert. • Die Dunkle Energie beträgt heute etwas mehr als 70% der gesamten Energie des Universums. • Dieses Modell wird durch weitere Beobachtungen gestützt: • Großräumige Galaxienverteilung • Verteilung der leichten Elemente im Universum • Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung Das moderne Standardmodell der Kosmologie • Das Universum ist auch lokal in Bewegung und von faszinierenden Objekten und Prozessen bevölkert. Hier einige abschließende Impressionen... Nebel, WeißerZwerg, SL Video-Clip: Sterne umkreisen ... movie2003.mpg Video-Clip: Schwarzes Loch in M87 SupermassBlkHole.mpg Kleine Magellansche Wolke HST – Einstein-Ring Große Galaxie verschluckt kleine Video-Clip: Zwei Galaxien durchdringen einander CosmicVoyage.mpg Die kosmische Hintergrundstrahlung WMAP, 2003 DT -6 = 6 10 T Danke... ... für Ihre Aufmerksamkeit! Diese Präsentation finden Sie im Web unter http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/dunkleMateriedunkleEnergie/
