Woraus besteht das Universum?

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Woraus besteht das Universum?
Dominik J. Schwarz
Universität Bielefeld
Herbstakademie 2004
5% Atome, 25% dunkle Materie & 70% dunkle Energie
Woraus besteht
unsere“ Welt?
”
75% Wasserstoff, 24% Helium, 1%
Metalle“
”
Welche Teilchen gibt es?
Geschichte des Universums
RHIC−event (STAR)
geometry &
fluctuations
inflation
Hubble Deep Field
Sky from WMAP
3K radiation
masses
hadrons
galaxies
nucleosynthesis
today
−12
10
s
−6
10 s
radiation
0
10 s
6
10 s
12
10 s
matter
18
10 s
?
Was beobachten wir?
Hubble Ultra Deep Field - Infrared
Galaxien: Elliptische und Spiral-Systeme
Galaxien-Gruppen und Haufen (cluster)
HCG87 - Gemini Observatory
Woraus bestehen Galaxien?
Ist (M/L)Sterne = (M/L)Galaxie?
M/L . . . Masse-Leuchtkraft Verhältnis; (M/L)Sterne ≈ (M/L)Sonne
Betrachte dazu Bewegungen von Sternen und Gaswolken
v(r) =
s
GM (r)
r
v . . . Geschwindigkeit
r . . . Abstand vom Zentrum
G . . . Newtonsche Gravitationskonstante
M (r) . . . Masse innerhalb r
typische Masse einer Spiral-Galaxie 1012 M
Rotationskurven
NGC 2403
Dunkle Materie
• massive Teilchen (v < vFlucht)
• keine elektromagnetischen und starken Wechselwirkungen
• Teilchen müssen stabil sein
• (M/L)Spiral−Galaxien > 20
Standardmodell der Teilchenphysik hat keinen Kandidaten
Suche nach dunkler Materie
Large Hadron Collider (CERN)
supersymmetrische Teilchen?
direkte (Untergrund) und indirekte (kosmische Strahlung) Suche
Wieviel dunkle Materie gibt es?
Galaxienhaufen: heißes Plasma, T = 107 K bis 108 K
Temperatur- und Dichteprofil ⇒ Masse und deren Gasanteil
typischer Gasanteil 15%, typische Masse 1015 M
Virgo-Haufen:
sichtbares Licht
Röntgenstrahlung
Wieviel Masse/Energie gibt es im Universum?
• Planeten & Sternen: Atomkerne & Elektronen
• Galaxien & Galaxienhaufen: 15% Atome, 85% dunkle Materie
• Universum: betrachte kosmische Mikrowellenstrahlung
Geschichte des Universums
RHIC−event (STAR)
geometry &
fluctuations
inflation
Hubble Deep Field
Sky from WMAP
3K radiation
masses
hadrons
galaxies
nucleosynthesis
today
−12
10
s
−6
10 s
radiation
0
10 s
6
10 s
12
10 s
matter
18
10 s
?
Kosmische Mikrowellenstrahlung
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe 2003
Messung der Geometrie des Universums
Allgemeine Relativitätstheorie: Krümmung = G·Massendichte
beobachte einen Winkel, alle Seitenlängen bekannt
Multipol-Analyse (` = 180◦ /θ)
Energie-Budget
• 5% Atome
• 25% kalte dunkle Materie (Druck ≈ 0)
• 70% dunkle Energie
Was ist dunkle Energie?
Messung der Beschleunigung des Universums
Supernovae vom Typ 1a: explodierende weiße Zwerge
alle Explosionen etwa gleich hell (Standardkerzen)
bestimme Abstand aus scheinbarer Helligkeit
Zeitpunkt der Explosion aus Rotverschiebung
⇒ Beschleunigung > 0
[Science Magazine 1998: Revolution in Cosmology]
Eigenschaften dunkler Energie
Allgemeine Relativitätstheorie:
−Beschleunigung = G·(Energiedichte +3·Druck)
Druck der dunklen Energie ist negativ!
Beispiel: Kosmologische Konstante (Vakuumsenergie) hat negativen Druck
∆Energie = ∆(Energiedichte · Volumen) = Energiedichte · ∆Volumen = −Druck · ∆Volumen
aus dem ersten Hauptsatz der Wärmelehre
Offene Fragen
• 5% Atome
Woher kommt die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie?
• 25% kalte dunkle Materie (Druck ≈ 0)
Was ist die kalte dunkle Materie? Neue Teilchen?
• 70% dunkle Energie (Druck = - Energiedichte?)
Was ist die Physik dieser Komponente?
95% der Masse/Energie im Universum sind unverstanden
DAS IST IHRE CHANCE!
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