VL13_DM2

Nachweismethoden der DM
Gravitationslinsen
Rotationskurven
Direkter Nachweis der DM
( Elastische Streuung an Kernen)
Indirekter Nachweis der DM
( Annihilation der DM in Materie-Antimaterie)
Wim de Boer, Karlsruhe
Kosmologie VL, 04.02.2010
1
What is known about Dark Matter?
From CMB + SN1a + surveys
•
95% of the energy of the Universe is
non-baryonic
23% in the form of Cold Dark Matter
• Dark Matter enhanced in Galaxies and Clusters
of Galaxies but DM widely distributed in halo->
DM must consist of weakly interacting and
massive particles -> WIMP’s
•
If it is not dark
It does not matter
Annihilation with <σv>=2.10-26 cm3/s,
if thermal relic
DM halo profile of galaxy
cluster from weak lensing
Wim de Boer, Karlsruhe
Kosmologie VL, 04.02.2010
2
Thermische Geschichte der WIMPS
Thermal equilibrium abundance
Comoving number density
Jungmann,Kamionkowski, Griest, PR 1995
Actual abundance
T>>M:
f+f->M+M; M+M->f+f
T<M:
M+M->f+f
T=M/22: M decoupled, stable density
(wenn Annihilationsrate  Expansionsrate, i.e. =<v>n(xfr)  H(xfr) !)
WMAP -> h2=0.1130.009 ->
<v>=2.10-26 cm3/s
DM nimmt wieder zu in Galaxien:
1 WIMP/Kaffeetasse 105 <ρ>.
DMA (ρ2) fängt wieder an.
Annihilation in leichtere Teilchen, wie
Quarks und Leptonen -> 0’s -> Gammas!
T=M/22
x=m/T
Wim de Boer, Karlsruhe
Einzige Annahme: WIMP = thermisches
Relikt, d.h. im thermischen Bad des
frühen Universums erzeugt.
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3
How do particles annihilate?
e+
e-
LEP collider:
e+e- annihilation
~~
photon annihilation
~~e
~~

q
q
In CM: Eq=Ee
monoenergetic quarks
from monoenergetic leptons
e
e
Quarks fragment into jets,
mostly light mesons:π+,π-,π0
π0 decays 100% in 2 photons
So as many photons as charged particles
from annihilation
On average: 37 photons pro annihilation
into quarks at LEP
Spectral shape VERY WELL MEASURED
Wim de Boer, Karlsruhe
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4
DM Annihilation in Supersymmetrie

f 
~
f 
f

f


W


A
f

f
Z

f
≈37
gammas
Z
0
W

Z
Dominant
 +   A  b bbar quark pair
B-Fragmentation bekannt!
Daher Spektren der Positronen,
Gammas und Antiprotonen bekannt!
Galaxie = Super B-Fabrik mit Rate 1040 x B-Fabrik
Wim de Boer, Karlsruhe
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5
Indirect Dark Matter Searches
Annihilation products from
dark matter annihilation:
Gamma rays
(EGRET, FERMI)
Positrons (PAMELA)
Antiprotons (PAMELA)
e+ + e-
(ATIC, FERMI, HESS, PAMELA)
Neutrinos
(Icecube, no results yet)
e-, p drown in cosmic rays?
Wim de Boer, Karlsruhe
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6
PAMELA Positron excess
Pamela, arXiv:1001.3522v1
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7
Origin?
Depends on whom you ask!
My assumption:
|Data>= ap->0 |Background> + aDMA |DMA>
+ asec |SNR> + alocal |SNR(x)> + apulsar |Pulsar>
Unitarity must be fulfilled. However,
each component has enough uncertainty
to saturate observations
For details: WdB, AIP Conf.Proc.1200:165-175,2010.
arXiv:0910.2601 [astro-ph.CO]
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8
AMS: large magn. spectrometer with redundant particle ID
Wim de Boer, Karlsruhe
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9
AMS to be installed on ISS
Schedule:
Transport with
ST-134 Space
Shuttle Flight
in April 2011
Testflight 1998
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10
AMS-02 from CERN to
Cape Canaveral on 26.08.2010
Loading the 7.5 tons at Geneva airport
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11
Antiprotons: saturated by background?
Gebauer and WdB,arXiv:0910.2027
GALPROP Antiprotons
Donata et al. [0810.5292]
Pamela
GALPROP (with and without) convection has deficit of
antiprotons. Darksusy and others (which only look into
charged particles, no gamma rays) can saturate data.
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12
Propagation of charged cosmic rays (CR)
This does not allow for
significant convection, since
CR‘s do not return to disc->
too little secondary production
from CR hitting gas in disc
HOWEVER, significant
convection observed by ROSAT
CRs propagation can be
described by diffusion and
convection, very much like a
drop of ink inside streaming
water (with water
velocity=convection velocity)
Radiaactive clocks like 10Be
determine time from source to
Sun (107 yrs) Need slow
diffusion in disc, but particles
in halo drift to outer space
with convection
Present models use isotropic
propagation, i.e. same diffusion
constant in halo and disc.
Wim de Boer, Karlsruhe
With convection little flux of
charged particles from DMA,
since particles drift away.
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13
Present models: isotropic propagation
Isotropic propagation leads to
“propagation enhancement”:
of charged particles: trapping of charged
particles in “leaky” Galaxy for a long time->
Flux of gamma rays from DMA 
Flux of antiprotons in such propagation models,
Although we KNOW from LEP that fragmentation
gives many more photons than antiprotons
Is this right?
Not nessarily!
CONVECTION = negligible with isotropic
propagation in contrast to observation
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Diffuse gamma rays
Great advantage of pointing to the
source and propagation is
„straightforward“ without dependence
on magnetic field and diffusion,
which plagues charged particles.
Astrophysical point sources can be
pinpointed and subtracted.
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15
Basic principle for indirect dark matter searches
From rotation curve:
Sun
R
bulge
disc
disc
Expect highest DM density
IN CENTRE OF GALAXY
R1
Sun
Forces: mv2/r=GmM/r2
or M/r=const.for v=cons.
and
(M/r)/r2
1/r2
for flat rotation curve
IF FLUX AND SHAPE MEASURED IN
ONE DIRECTION, THEN FLUX AND
SHAPE FIXED IN ALL (=120) SKY
DIRECTIONS!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
THIS IS AN INCREDIBLE CONSTRAINT, LIKE SAYING I VERIFY
THE EXCESS AND WIMP MASS WITH 180 INDEPENDENT MEAS.
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Data driven analysis of gamma ray data
(publicly available from NASA archive)
Idea:
Fit known shapes of 3 main components:
Inverse Compton:(IC)  CR electron density x ISRF
Bremstrahlung:(BR)  CR electron density x gas density
PCRPGas scattering:(0)  CR proton density x gas density
Main unknowns: CR electron density
CR proton density
(both measured locally, i.e. at a single point in Galaxy)
Alternative to data driven analysis:
compare data with Galactic Propagation Model
Best publicly available model: GALPROP (Moskalenko,Strong…)
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Background mainly in disk
Wim de Boer, Karlsruhe
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18
Usual astrophysicist’s search strategies
Particle physicist: get rid of model
dependence by DATA DRIVEN calibration
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Boostfactor by DM clumping
diffDM
An artist picture of what we should
see if our eyes were sensitive to 3
GeV gamma rays: clumps of DM
in diffuse DM halo (from hierarchical
growth of galaxy combined with tidal
disruption of clumps
Wim de Boer, Karlsruhe

clumpclump
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20
How to calculate DMA flux?
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Woher erwartet man Untergrund?
Quarks
from
WIMPS
Quarks
in protons
Background from nuclear interactions (mainly p+p-> π0 + X ->  + X
inverse Compton scattering (e-+  -> e- + )
Bremsstrahlung (e- + N -> e- +  + N)
Shape of background KNOWN if Cosmic Ray spectra of p and e- known
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EGRET (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope.)
Data publicly available from NASA archive
EGRET excess
Hunter et al. 1997
Instrumental parameters:
Energy range: 0.02-30 GeV
Energy resolution: ~20%
Effective area: 1500 cm2
Angular resol.: <0.50
Data taking: 1991-1994
Main results:
Catalogue of point sources
Excess in diffuse gamma rays
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23
Untergrund + DM Annihilation beschreiben Daten
Background + DMA signal describe EGRET data!
50 GeV
PS
IM
0
IC
s.
Blue: background uncertainty
s.
em
Br
IC
em
Br
IC
W
IM
0
PS
W
70
Blue: WIMP mass uncertainty
W. de Boer et al., 2005
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FERMI measures GeV gamma rays + electrons

e
+
Wim de Boer, Karlsruhe
e–
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FERMI diffuse spectra from Galactic centre
without DMA
with DMA
0+IC+BR
DMA
60 GeV
neutralino
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26
Wim de Boer, Karlsruhe
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27
What is DM haloprofile?
Given DM contribution in 120 directions,
can one determine haloprofile?
Procedure:
i) assume haloprofile ii)normalize to rotation curve
iii) calculate l.o.s. of gamma rays in 960 directions
iv) find optimum haloprofile parameters by minimum 2
Result:
1) NFW haloprofile for diffuse DM (>90% of mass)
and signal  2 +
2) clumpy halo profile with Einasto profile (5% of mass
and signal   +
3) two doughnut-like ring structures with few % of mass
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FERMI provides DM contribution in all directions->
HALO PROFILE
=
NFW (diffuse)+
Einasto (clumps)
(expected from
N-body simulations)
inner
ring
outer
ring
Motivation for “outer ring”: Monocerus ring of stars (SDSS, 2002),
discussed as tidal disruption of Canis Major dwarf AND gas flaring
Motivation for “inner ring”: dust ring
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29
Rotation curve Milky Way
Weber, dB, arXiv:0910.4272
Weber, Thesis, 2010. KIT
VLBI point
Oort limit on local density
prevents larger DM contr.
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(Hipparcos data
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30
VERA: VLBI Exploration of Radio Astrometry
Japan
VLBI = Very Large
Baseline Interferometry
allows very precise parallax
measurements.
Maser light from
Molecular Clouds allows
large distance interferometry
Measured parallax of 1896as
at distance of >5 kpc
over 1 yr-> rotation velocity
A. Honma et al, PASJ 2007, Astrometry of Galactic Star-Forming Region Sharpless 269
with VERA:Parallax Measurements and Constraint on Outer Rotation Curve at 13 kpc
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31
Inner Ring coincides with ring of dust and H2 ->
gravitational potential well!
H2
Dust ring at 4 kpc
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4 kpc coincides with ring of
neutral hydrogen molecules!
H+H->H2 in presence of dust->
grav. potential well at 4-5 kpc.
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32
The Milky Way and its satellite galaxies
Canis Major
Tidal force  ΔFG  1/r3
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33
Tidal streams of dark matter from CM and Sgt
Sun
CM
Sgt
From David Law, Caltech
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34
Canis Major Dwarf orbits from N-body simulations
to fit visible ring of stars at 13 and 18 kpc
Movie from Nicolas Martin, Rodrigo Ibata
http://astro.u-strasbg.fr/images_ri/canm-e.html
Canis Major leaves at 13 kpc tidal stream of
gas(106 M☉ from 21 cm line), stars (108 M☉ ,visible),
dark
matter
(1010 M☉
, EGRET)
Wim
de Boer,
Karlsruhe
Kosmologie
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35
Core of Canis Major Dwarf
just below Galactic disc
Wim de Boer, Karlsruhe
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36
Tidal disruption of Sagittarius
Movie from Kathryn Johnston (Wesleyan University )
http://astsun.astro.virginia.edu/~mfs4n/sgr/
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37
Observed stars
N-body simulation from Canis-Major dwarf galaxy
R=13 kpc
Canis Major (b=-150)
prograde
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retrograde
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Gas flaring in the Milky Way
P M W Kalberla, L Dedes, J Kerp and U Haud,
arXiv:0704.3925
no ring
with outer ring
Mass in ring few % of total
Gas flaring needs also outer ring with mass of 2.1010M☉!
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39
Summary
Fermi data show excess of diffuse Galactic gamma rays w.r.t GALPROP
(see also DM claim using Fermi data by Goodenough and Hooper, arX
0910.2998)
Excess compatible with DMA (using data driven spectral shape fits
instead of relying on GALPROP (but systematic errors in FERMI data?).
HOWEVER, FERMI DATA PREL. WAIT FOR NEXT REPROCESSING
WITH BETTER BG REJECTION FOR ANY CONCLUSION
DMA interpretation compatible with rotation curve (RC) if doughnutlike DM structures used in disc, as required independently by
new data on rotation curve and gas flaring.
Conclusion saying no excess in antiprotons is model dependent.
GALPROP still allows up to 50% of antiprotons from DMA
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40
Clustering of DM
Diemand et al., Nature 2005,
astro-ph/0501589:
The earth passes through a
dark matter mini-halo every
10,000 years, an encounter
which lasts for about 50
years, therefore most of the
time the earth is within an
UNDERDENSE region of dark
matter.
An artist picture of what we should
see if our eyes were sensitive to 3
GeV gamma rays and we are flying
with 220 km/s (=speed of sun) through
the DM halo
Wim de Boer, Karlsruhe
Consequently the averaged
DM density on a large scale
(from the rotation curve) has
very little to do with the
LOCAL DM density!
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Zusammenfassung
Es gibt interessante Hinweise für Teilchencharakter
der DM:
a) Überschuss an Gammastrahlung von EGRET gemessen
(aber FERMI misst weniger und Konsistenz mit
Antiprotonenfluss steht nach aus, abhängig vom
Propagationsmodell)
b) Jährliche Modulation der Signale in Libra/DAMA
(aber inkonsistent mit anderen Experimenten)
c) Überschüsse in Positronen (PAMELA Satellit)
(aber Pulsare oder andere Quellen bieten gute Lösung)
Wim de Boer, Karlsruhe
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42
Zukunft
Sind Beobachtungen konsistent mit SUPERSYMMETRIE?
Antwort: Wenn ja,dann hat WIMP Eigenschaften vermutlich
ähnlich einem Spin ½ Photons, d.h.
LHC Experimente werden ab 2011 klären ob dies stimmt.
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43
Fragen
1. „The dark ages“: Vom Begriff her entsteht der Eindruck, dass mit der
Rekombination das Universum quasi schlagartig dunkel wurde.
Tatsächlich muss es jedoch noch für eine ganze Weile sehr hell und
heiß gewesen sein. Von t = 380.000 yr (Rekombination) mit T ≈ 3.000
K (weißglühend) bis zur Rotglut (T ≈ 750 K) bei t ≈ 4 Myr war das
Universum von sichtbarer Strahlung erfüllt. Allerdings dauerte es dann
≈ 200 Myr, bis die ersten Sterne leuchteten.
2. Neutrinomasse: Die durchschnittliche Neutrinomasse beträgt (aus
WMAP-Messungen) mν < 0.23 eV. Da Elektronneutrinos vermutlich die
geringste Neutrinomasse besitzen, müsste deren Masse deutlich unter
0.23 eV liegen. Im Großexperiment KATRIN soll die Masse der
Elektronneutrinos bzw. deren Obergrenze bestimmt werden, wobei die
Nachweisgrenze von KATRIN bei 0.2 eV liegen soll. Wenn die
Auswertung der WMAP-Daten korrekt ist, wäre damit KATRIN
überflüssig, oder?
A: eine unabhängige Bestätigung, dass die Neutrinomassen tatsächlich so
klein sind, ist immer gut.
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44
Fragen
3.
A:
Polarisation der CMB: Die Polarisation setzt m. E. voraus, dass Elektronen in
der LSS in lokalen Bereichen keine stochastische Bewegung ausgeführt haben
bzw. deren Spins nicht isotrop verteilt waren, da ansonsten die CMBPolarisation „random“ sein müsste. Was wären Ursachen für großräumige
Bereiche von Anisotropien der Elektronen-Flüsse?
Die relative Bewegung der Photonen besitzt durch die CMB Anisotropie (vor
allem Quadrupolasymmetrie) eine bevorzugte Richtung gegenüber Elektronen,
wodurch eine Polarization entsteht.
4.
Annihilation von Materie/Antimaterie: Protonen und Antiprotonen wurden bis
auf wenige 10-10 durch Annihilation in Photonen umgewandelt. Derselbe Prozess
hat für Elektronen und Positronen stattgefunden. Erstaunlich ist, dass offenbar
exakt der identische winzige Anteil η an Elektronen „übriggeblieben“ ist, wie der
der Protonen, denn sonst wäre das Universum nicht elektrisch neutral. Woher
kommt die identische Asymmetrie für Protonen/Elektronen und deren
Antiteilchen? (Klar: Im Urknall war das Universum auch elektrisch neutral, aber
warum ist die Asymmetrie identisch?)
A: Man geht davon aus, dass es eine B-L Symmetrie gibt, d.h. B-L=konstant. Hier ist
B die Baryonzahl und L die Leptonzahl. Diese Symmetrie erzeugt oder
vernichtet immer gleich viele Leptonen und Baryonen. B-L ist in allen bekannten
Wechselwirkungen erhalten (und von den einfachsten GUT's vorhergesagt).
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45
5.
Der Urknall: Vor der inflationären Phase war auf kleinstem Raum immense
Fragen
Energie (= Masse) konzentriert. Der Schwarzschild-Radius dieser Masse war jedoch
wesentlich größer als die Ausdehnung der Massenkonzentration. (Beispiel: Bereits für m
≈ 10 μg ist der Schwarzschildradius rc = Planklänge lP). Also hätte es eigentlich bei
einer derartig hohen Massenkonzentration, wie sie bei τP vorlag, gar nicht zu einem Big
Bang kommen dürfen. (Aus einem Schwarzen Loch entweicht nichts!) Oder aber, die
Energie/Masse, die sich im Urknall ausgebreitet hat, ist erst während des Urknalls
entstanden (Umwandlung „falsches Vakuum“ in Energie?). Dann müsste lokal die
Massenkonzentration immer kleiner als die kritische „Schwarzschild-Masse“ gewesen
sein, d.h. bereits zur Zeit der Quantenfluktuationen dürften recht kleine
Raumbereiche in der Regel nicht in kausalem Kontakt mit Nachbarbereichen gestanden
haben. Die daraus resultierenden Irregularitäten wurden dann „eingefroren“ und sind
heute in der CMB nachweisbar.
Oder aber, ganz einfach: Die gesamte Masse des Universums war bei t = τP in einem
Raumbereich lP konzentriert, der Schwarzschildradius dieser Masse entsprach aber
bereits seiner heutigen Dimension, d.h., der Big Bang lief in einem Schwarzen Loch ab.
Aber dann: Woher kommt diese Masse?
A: gute Frage. Universum so groß wegen Inflation, die nach einer Symmetriebrechung
entstand, z.B. die Brechung einer GUT Symmetrie in die bekannten Kraefte. Bei der
Symmetriebrechung entstehen Higgsfelder, die die Austauschteilchen Masse geben und
so die Kraft ausschalten, aber gleichzeitig durch die Vakuumenergie Inflation
hervorrufen und die freiwerdende Energie in Masse umwandeln.
D.h. vor der Inflation war noch keine Masse vorhanden und Gesamtenergie null.
Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass Urknall in einem SL stattfand (siehe nächste
Folie).
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46
Größe und Dichte eines schwarzen Loches.
Radius eines SL:
R = 2GM/c2, d.h.
wächst mit Masse!
Masse unseres
Universums, die kritische
Dichte von 10-29 g/cm3
(1023 M☼) entspricht,
liegt auf diese Linie,
d.h. es ist nicht
ausgeschlossen, dass wir
in einem SL leben.
J. Luminet
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47
Fragen
6.
Kosmische Zeitskala: Eine Zeitskala ist abhängig von der Stärke des
Gravitationsfeldes in dem Bereich, in dem die Zeit gemessen wird. Aufgrund der
extremen Massenkonzentration im frühen Universum müsste für große z eine andere
(verzögerte) Zeitskala gelten als heute. Oder könnte eine solche Zeitdilatation
lediglich ein „äußerer“ Beobachter feststellen? (den es natürlich grundsätzlich nicht
geben kann.)
A: die unterschiedlichen Zeitskalen können nur gemessen werden von zwei
Beobachtern, die „Frequenzen von Gammastrahlen“ miteinander vergleichen. Daher
praktisch schwierig.
7). Energie der Neutrinos aus der Entkopplung: Die Energie der Photonen aus
der LSS skaliert mit 1/S (λS) Da Neutrinos Ruhmasse besitzen,
müsste deren gesamte Energie bei der Entkopplung nahezu vollständig Ekin
sein ( 2.5 – 3.5 MeV). Die Neutrinos müssten dann kinetische Energie
verlieren, also mit der Zeit langsamer werden. Wird diese Energie dem
Raum übertragen (Energieerhaltung!), also z.B. durch Zunahme der
Vakuumenergie? Oder müssen wir Neutrinos hier quantenmechanisch
betrachten und wie bei Photonen der Neutrinoenergie eine „Frequenz“
zuordnen, die S abnimmt?
A: relativistische Materie geht mit 1/S4, nicht relativistische mit 1/S3. Daher
werden die Neutrinos, wenn sie relativ. sind, erst mit 1/S4 skalieren
/wie Photonen) und bei Temp. T<mν als 1/S3 (wie Teilchen).
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Deep questions (siehe „Creation“ von Berry Parker)
Hat das Universum als Vakuumfluktation angefangen?
Diese Idee wurde von Ed Tryon publiziert.
Im Prinzip ok, da Gesamtenergie des Universums null
und Vakuumenergie könnte zur Inflation führen
Schwierig zu beweisen, vor allem weil Quantumgravitation
noch nicht existiert.
Wie entstand Leben?
1860: Franz. Akademie vergibt Preis für Beweis, dass
Leben aus Nicht-Leben entstehen kann. Pasteur zeigte im Labor, dass dies
unmöglich ist. Wurde akzeptiert bis in 1924 Haldane spekulierte, dass a) es viel
Kohlenstoff gab und daher viel CO2 im frühen Universum und b) dass Lichtblitze in
einer “reduzierenden” Atmosphäre (aus CH4 und NH3 ohne O2)biochemische
Moleküle erzeugen können! Sauerstoff tatsächlich
später entstanden durch Algen im Ozean, wo sie für UV Licht geschützt
waren. O2 stieg auf und ergab Ozon, woduch später auch Leben außerhalb
der Ozeane entstehen konnte. Nachweis in 1953+x bei Miller, dass in so
einer Atmosphäre tatsächlich Aminosäure entstehen können. In 1961 zeigte Oro,
dass auch DNA entstehen können und damit dass die Bausteine
des Lebens aus Nicht-Leben entstehen können.
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Typische Prüfungsfragen
Was sind die exp. Grundpfeiler der Urknalltheorie?
Wie ist Zeitentwicklung, Temperaturentw. ?
Wie lauten Friedmansche Gleichungen?
Woraus besteht die Energie des Universums?
Wie weiss man das?
Wie unterscheidet sich Dunkle Energie von Dunkler Materie?
Wie kann man DM nachweisen?
Warum akustische Peaks in der CMB?
Wie entstehen sie? Was lernt man aus diesen Peaks?
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