(Einstein Symp. Heidelberg 07/05)

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Dunkle Energieein kosmisches Rätsel
Dunkle Energie –
Ein kosmisches Raetsel
Woraus besteht unser
Universum ?
Quintessenz !
Feuer , Luft,
Wasser, Erde !
Dunkle Energie
dominiert das Universum
Energie - Dichte im Universum
=
Materie + Dunkle Energie
30 %
+
70 %
Was ist Dunkle Energie ?
Materie : Alles was klumpt
Abell 2255 Cluster
~300 Mpc
Materie

Alles was klumpt!
Gravitationspotential
Materie kann durch Gravitationsanziehung
gemessen werden !

Die meiste Materie ist dunkel !

Dunkle Materie bisher nur durch Gravitation spürbar
Gravitationslinse,HST
Energiedichte in Materie gemessen
Was ist Anteil ?
Benötigt : Gesamtenergiedichte
Gesamte Energie – Dichte :
gemessen durch Anisotropie
der kosmischen
Hintergrund - Strahlung
Kritische Dichte

ρc =3 H² M²
Kritische Energiedichte
des Universums
M : reduzierte Planck-Masse ,
G : Newton’sche
Gravitationskonstante
M-2=8 π G
Ωm=ρm/ρc
Anteil der Materie an der
(kritischen)
Energiedichte

Kleinste und größte Länge
H-1 ≈ 10 000 000 000 Lichtjahre
Größe unseres Universums
M-1 = 10-32 cm :
Planck – Länge
Kosmologie und Elementar-Teilchenphysik
Zusammensetzung des Universums
Baryonen
Ωb = 4.5 %
sichtbar
klumpt
unsichtbar
klumpt
unsichtbar
homogen
Dunkle Materie
Ωdm= 22 %
Dunkle Energie
Ωh = 73 %
Gesamte Energie – Dichte :
gemessen durch Anisotropie
der kosmischen
Hintergrund - Strahlung
Foto des Urknalls : Ωtot=1
WMAP
Ωtot=1
Ωm= 0.3
Gravitationslinse,HST
Dunkle Energie : klumpt nicht homogen im Raum verteilt
Ωm + X = 100 %
Ωm : 30% klumpt
Ωh : 70% Dunkle Energie
h : homogen
Raum zwischen den Klumpen
ist nicht leer :
Dunkle Energie !
Dunkle Energie ist
völlig gleichförmig
über den Raum verteilt
“ überall gleich viel “
“ homogen “
Übt keine Kraft auf Teilchen aus –
“ Wohin sollte sie ziehen ? “
Zwei wichtige Vorhersagen
Die Expansion des Universums
beschleunigt sich heute !
Strukturbildung :
Ein primordiales
Fluktuationsspektrum
Was ist die Dunkle Energie ?
Kosmologische Konstante
oder
Quintessenz ?
Kosmologische Konstante
Konstante λ verträglich mit allen
Symmetrien (Einstein)
 Zeitlich konstanter Beitrag zur
Energiedichte

λ/M4 = 10-120

Warum so klein ?

Warum gerade heute wichtig?
Kosmologische Konstante : statisch
Quintessenz : dynamisch
Zeitentwicklung
tˉ²

ρm/M4 ~ aˉ³ ~

ρr/M4 ~ aˉ4 ~ t -2
Materie dominiertes Universum
tˉ3/2 Strahlungsdominiertes Universum
Strahlungsdominiertes Universum
Grosses Alter
kleine Grössen
Gleiche Erklärung für dunkle Energie ?
Kosmologische Konstante : statisch
Quintessenz : dynamisch
homogene dunkle Energie:
Materie:
ρh/M4 = 6.5 10ˉ¹²¹
ρm/M4 = 3.5 10ˉ¹²¹
Einstein’s Vereinheitlichung von
Raum und Zeit
(spezielle Relativitätstheorie )
Was von der Zeit abhängt ,
kann auch vom Raum abhängen !
Feld
Quintessenz
Kosmon – Feld φ(x,y,z,t)
ähnlich elektrisches Feld , aber keine Richtung ( Skalarfeld )
Homogenes und isotropes Universum : φ(x,y,z,t)=φ(t)
Potenzielle und kinetische Energie des Kosmon - Felds
tragen zu dynamischer Energiedichte des Universums bei
C.Wetterich,Nucl.Phys.B302(1988)668
B.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)L17,
24.9.87
20.10.87
Fünfte Kraft
Starke,elektromagnetische,schwache
Wechselwirkung
Auf
astronomischen
Skalen:
Graviton
+
Gravitation
Kosmodynamik
Kosmon
Wie kann man Quintessenz von
kosmologischer Konstanten
unterscheiden ?
Zeitabhängigkeit der dunklen Energie
M.Doran,…
Kosmologische Konstante : Ωh ~ t² ~ (1+z)-3
Dunkle Energie im frühen Universum : unter 10 %
Hängen fundamentale Parameter
von der Zeit ab ?
Quintessenz und
Zeitabhängigkeit der
“fundamentalen Konstanten”
Proton – Masse , Elektron - Masse :
keine festen Konstanten !
Verhältnis mp /me hängt vom Wert des
Kosmon Felds ab !
Zeitentwicklung von φ
Zeitentwicklung von mp /me
Jordan
Hatten Kopplungskonstanten im
frühen Universum
andere Werte ?
Ja !
Standard – Modell der
elektroschwachen Wechselwirkung :
Higgs - Mechanismus


Die Massen aller fundamentalen Fermionen und
Eichbosonen sind proportional zum VakuumErwartungswert eines Skalarfelds φH ( Higgs Skalar )
Für Elektron , Quarks , W- und Z- Bosonen gilt
etc.
mElektron = hElektron
*
φH
Restoration der Symmetrie
bei hohen Temperaturen
im frühen Universum
Niedrige T
SSB
<φH>=φ0 ≠ 0
Hohe T
SYM
<φH>=0
hohe T :
weniger Ordung
mehr Symmetrie
Beispiel:
Magnete
Im heissen Plasma
des frühen Universums :
ähnliche Stärke der
schwachen und
elektromagnetischen
Wechselwirkung !
Zusammenfassung
Der Wert von Massenverhältnissen und
Kopplungskonstanten hängt vom Zustand ab !
Nicht ein für alle mal gegeben !
Wie stark hängen fundamentale
Parameter von der Zeit ab ?
Nukleosynthese : die Urchemie
Kochen der leichten Elemente He, Li, etc
aus Protonen und Neutronen
Bestimmung von Ωb=0.045 :
Von Nukleosynthese,
Kosmischer Hintergrundstrahlung
Primordiale
Häufigkeiten der
leichten Elemente
aus der
Nukleosynthese
A.Coc
Zeitvariation der
“ fundamentalen Konstanten “
ist winzig –
wäre aber von großer Bedeutung !
Mögliches Signal für Quintessenz
Παντα ρει
Alles fliesst
Fallen alle Körper gleich schnell ?
Äquivalenzprinzip

Galileo Galilei : Alle Körper fallen gleich schnell !
Schiefer Turm zu Pisa

Newton : Körper gleicher Masse unterliegen der gleichen
Erdbeschleunigung , unabhängig von ihrer
Zusammensetzung

Einstein : Äquivalenzprinzip als Grundlage der
Gravitation ( Allgemeine Relativitätstheorie )

Grundlage wichtiger Techniken : GPS , …
Kosmodynamik
Kosmon vermittelt neue langreichweitige
Wechselwirkung
Reichweite : Grösse des Universums – Horizont
Stärke : schwächer als Gravitation
Photon
Elektrodynamik
Graviton
Gravitation
Kosmon
Kosmodynamik
Kleine Korrekturen zum Gravitationsgesetz
Scheinbare Verletzung des Äquivalenzprinzips
Körper mit gleicher Masse aber verschiedener
Zusammensetzung fallen nicht gleich schnell zur Erde !
p,n
Verschiedene Kopplung des
Kosmons an Proton und Neutron
Differentielle Beschleunigung η :
Differenz der Beschleunigung zweier
Körper mit gleicher Masse / Summe
der Beschleunigungen
Erde
Kosmon
p,n
Verknüpfung zwischen Zeitabhängigkeit von α
und Verletzung des Äquivalenzprinzips
differentielle Beschleunigung η
typisch : η = 10-14
MICROSCOPE – Satelliten-Mission
Zusammenfassung
o
Ωh : 70 % des Universums besteht aus
Dunkler Energie
o
Q/Λ : dynamische und statische
dunkle Energie unterscheidbar
o
Q : zeitlich veränderliche
“fundamentale Kopplungen” ,
scheinbare Verletzung des Äquivalenzprinzips
????????????????????????
Warum wird Quintessenz gerade in der heutigen
kosmologischen Epoche wichtig ?
Haben Dunkle Energie und Dunkle Materie etwas
miteinander zu tun ?
Kann Quintessenz in einer fundamentalen
vereinheitlichten Theorie erklärt werden ?
Die Antwort der Künstlerin …
Laura Pesce
Ende
Evolution des Kosmonfelds
Feldgleichung
Potenzial V(φ) bestimmt Details des Modells
z.B. V(φ) =M4 exp( - φ/M )
Für wachsendes φ fällt Potenzial gegen Null
Quintessenz wird heute wichtig
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