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/
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