Kosmologie im dunklen Universum
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Kosmologie im dunklen Universum Dr. Robert W. Schmidt Zentrum für Astronomie Universität Heidelberg Lehrerfortbildung Bayreuth 14.10.2010 Literatur Es gibt viele, viele Bücher, Internetseiten, Movies etc. zu diesem Thema. Stellvertretend sei Schneider empfohlen. Probieren Sie vielleicht einmal diesen Überblicksartikel aus: http://de.arxiv.org/abs/astroph/9404040 Überblick 1. Das leuchtende Universum 2. Das frühe Universum 3. Gravitationswirkung der dunklen Materie 4. Dunkle Energie 5. „Geschichte” des Universums bis Heute Das leuchtende Universum: Von Sternen bis zu Superhaufen 1. Sterne (wie unsere Sonne) 2. Galaxien (100,000,000,000 Sterne) 3. Galaxienhaufen 4. Superhaufen (ungefähr 1000 Galaxien) (mehrere Galaxienhaufen) 2. Das frühe Universum WMAP Jahre COBE 47 Jahre T −5 ≈10 T 3. Dunkle Materie Schon in den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts entdeckte Fritz Zwicky, daß die Galaxien in Galaxienhaufen “zu schnell” sind. Er konnte nachweisen, daß die Gravitationskraft der Sterne allein nicht ausreicht, den Galaxienhaufen zusammenzuhalten! GM m m ∝ R 2 Heute gibt es viele Hinweise auf die Existenz dunkler Materie. Ich will dafür Beispiele geben: 1. Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien 2. Röntgenbeobachtungen von Galaxienhaufen 3. Gravitationslinseneffekt in Galaxienhaufen (mit dem berühmten Bullet-Cluster) 4. Gravitationslinseneffekt des Universums Beispiel 1: Die Rotation von Galaxien NGC4414 mit dem Hubble Space Telescope 2 m vr G m M r = 2 r r Beispiel 2: Röntgenbeobachtungen von Galaxienhaufen Der intergalaktische Raum von Galaxienhaufen ist erfüllt von einem ● sehr dünnen (etwa 100 Teilchen pro Kubikmeter, Hochvakuum!) ● und mehrere Millionen Grad heißen Gas, das im Röntgenbereich leuchtet. Bilder vom Chandra Röntgenteleskop der NASA heißes Gas dehnt sich aus... ... es muß dunkle Materie geben, die den Galaxienhaufen durch Gravitation zusammenhält! GM m kT∝ R Massenanteile in Galaxienhaufen Es gibt ungefähr ● sieben mal mehr Gas als Sterne und sieben mal mehr dunkle Materie als Gas in Galaxienhaufen. ● Beispiel 3: (Teil a) Gravitationslinseneffekt in Galaxienhaufen 4G M r = 2 c r Beispiel 3: (Teil b) Gravitationslinseneffekt in Galaxienhaufen Gravitationslinseneffekt Abbildung von Joachim Wambsganß, inspiriert von Misner, Thorne, Wheeler 1973 Galaxien, Gas und dunkle Materie im Geschoss-Galaxienhaufen (Gas) (Gas) Nicht dargestellt: Galaxien Dunkle Materie => Kollision im Weltall! BLAU: dunkle Materie ROT: Gas Röntgengas: Markevitch et al., Linseneffekt (dunkle Materie): Clowe et al., Galaxien: Clowe et al. Der Bullet-Cluster (Galaxienhaufen) Beispiel 4: Das COSMOS Feld (Hubble Space Teleskop) BLAU: dunkle Materie ROT: Gas Kandidaten für die dunkle Materie Astrophysikalische Objekte: 1. Weiße Zwerge: nicht ausreichend viele beobachtet 2. Neutronensterne, schwarze Löcher: nicht genügend Vorgängersterne 3. Braune Zwerge: vermutlich nicht genügend vorhanden, in großangelegten Suchen keine große Anzahl gefunden Elementarteilchen: WIMPs: “weakly interacting massive particles”: schwach wechsel­wirkende, massereiche Teilchen: Zur Zeit der beste Kandidat. Man hat WIMPs allerdings (vermutlich) noch nicht gefunden! CDMS II in Minnesota (USA) (recht NEU -- Dez 2009 Nach 612 kg-Tagen !) Ionisation Die Suche nach dunkler Materie in Laboren ... Türmchen aus 100-200g Scheiben (Germanium und Silizium) Signaldauer 4. Supernovae verraten die dunkle Energie Hubble Image of Type Ia Supernova 1994D Supernova Ia als „Standardkerzen“ Mit Standardkerzen kann man Entfernungen messen! 1 doppelter Weg 4 einfacher Weg Messung: 4 mal weniger Licht → doppelt so weit weg Supernova Ia als „Standardkerzen“ Absolute Helligkeit umskaliert Tage Expansion des Universums Entfernung (Modul) Kosmologie mit der Supernova Ia Urknall b Ab l h c s Be Entfernteste g Supernova n u s m re ig n eu g n u 10 Mrd Heute Jahre Zeit Rotverschiebung z 1 Groesse Universum= 1Rotverschiebung aus: Riess et al. 2007 Im Strahlungskosmos 5. „Geschichte” des Universums Energie- CMB Heute dichte (log.) −2 2.4 T t= g MeV T (GeV) 1019 t(sec) 10-43 10-3 1 7x10-5 3x10-10 200 1013 Materie (heute~30%) dunkle Energie (heute~70%) Strahlung (heute <<1%) Größe des Universums (log.) sec Ereignis QuantenGravitation Neutrinos entkoppeln BBN CMB Kandidaten für die dunkle Energie ? WFIRST LISA JWST Zukünftige Teleskope ICECUBE IXO Ende
