Experimentelle Evidenzen für dunkle Materie
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Experimentelle Evidenzen für dunkle Materie Ralf Koehler Content n n n n n Einleitung und Motivation Zusammensetzung des Universums Messung der Hubble Konstanten Gesamtdichte Ω Dunkle Materie Ω DM n n n n Sichtbare Materie Ω LM n n n n Rotationskurven von Galaxien Dynamik von Galaxiehaufen Gravitationslinseneffekte Masse Kandidaten Gesamtmodell Eigenschaften von Dunkler Materie Einleitung n n n Ursprung der dunklern Materie aus der Kosmologie Ganzheitliche Erklärung des Universums und seiner Entwicklung Gegenseitige Beeinflussung von Kosmologie und Teilchenphysik Massendichte im Universum n Kritische Massendichte: Ω = 1 n n Flaches Universum ! Massendichte im Universum: Ω(H) = Ω Λ + ΩDM + ΩLM + ΩR H = Hubble Konstante ΩΛ ΩDM ΩLM ΩR = Dunkle Energie = Dunkle Materie = Sichtbare Materie = Strahlung Messung der Hubble Konstanten n n n Expansionsgeschwindigkeit des Universums ~H H ~[v]/[x] (Geschwindigkeit pro Abstand) ~ s-1 Kritische Massendichte abhängig von H Grosses H => mehr Masse nötig n Kleines H => weniger Masse nötig n Messung von H auf kosmologischem Masstab => Supernovaexplosionen Typ Ia n Kosmologische Entfernungsmessung Supernova Typ Ia n Doppelsternsystem Roter Riese n Weisser Zwerg n n n Massenzunahme des weissen Zwergs durch Absaugen von Materie, Explosion bei kritischer Masse (Fusionszündung) Eigenschaften: charakteristisches Spektralbild n charakteristische Energieabstrahlung n Grenzwerte für Ω n Krümmung des Universums Galaxien pro Raumwinkel n Ausbreitungswege von Licht n n Power Spektrum des Mikrowellenhintergrunds: Fluktuationen im CMB n Schwingungen im Urmedium n Vergleich mit Modellrechnungen (mit Ω als Parameter) n n Feintuning und Inflationstheorie CMB Powerspektrum Grenzwerte für ΩDM n Rotationskurven von Galaxien n n Dynamik von Galaxiehaufen n n Driftgeschwindigkeiten Gravitationslinseneffekte n n Abweichung von Kepler Rotation Einsteinkreise Galaxienbildung und CMB Rotationskurven von Galaxien n n Rotation von nur gravitativ wechselwirkenden Systemen: Kepler Rotation GM v ( r ) = Kepler Rotation: t r r: Abstand vom Massezentrum n M: eingeschlossene Masse n n n ~ 1 r Verhalten bei Zentralmasse ~ 1 Verhalten bei konstanter Masseverteilung Messwerte Dynamik von Galaxiehaufen n Galaxien in einem Galaxiehaufen: n n n n => Virial Theorem n n n Punktförmige Objekte Nur gravitativ wechselwirkend Im gravitativen Gleichgewicht Isitrope Geschwindigkeitsverteilung Grössere Masse => tieferer Potentialtopf => schnellere Driftgeschwindigkeiten Messung der Geschwindigkeiten durch Rotverschiebung Geschwidigkeitsdisperionen Gravitationslinseneffekte n n n n Masse krümmt den Raum Licht folgt geodäten im Raum n => Licht wird von Masse abgelenkt Anhäufungen von Masse können als „Gravitationslinse“ genutzt werden Mehrfachabbildungen, Arcs und Ringe entstehen Einstein Ringe n Erzeugung von Einstein Ringen durch Galaxiehaufen zwischen Beobachter und Objekt n 1/ 2 θ E = 3 ×10 M MΘ −6 1 DGpc 1/ 2 arc sec Mit D = Dd*Ds/Dds in Gpc n M ~ 1015 => qE ~ 10arcsec Galaxienbildung und CMB n n n Fluktuationen im CMB zu gering für Strukturbildung Schon sehr frühe Bildung von Galaxien Nur nicht mit Strahlung wechselwirkende Materie könnte früher Potentialtöpfe ausgebildet haben n => „Dunkle“ Materie Grenzwerte für ΩLM n Masse Leuchtkraft Relation Leuchtende Sterne, X-Ray Gas n Auszählung von Galaxien und Galaxiehaufen n n Primordiale Nukleosynthese n n (schon besprochen) Mögliche baryonische Kandidaten für Dunkle Materie Masse Leuchtkraft Relation Bestimmung der Gesamtmasse durch Messung von <v||>2 im Haufen n Bestimmung der Gas Masse durch Intensität der X-Ray Bremsstrahlung n Bestimmung der sichtbaren Galaxienmasse durch Lichtintensität à Masse-LeuchtkraftBeziehung ~ 100 – 300 h-1 M*/L* ! n Baryonische Dunkle Materie n Schwarze Löcher, Neutronensterne, braune Zwerge n n MACHOS n n Einschlagskrater im Mond Planeten n n Mikrogravitationslinseneffekt Planetoide; Asteroiden n n Rotationskurven der Galaxien Gesamtanteil am Sonnensystem Dunkles Gas (HII – Wolken) n Rotationskurven Kosmologisches Gesamtmodell n Galaxienverteilung ist abhängig von kosmologischen Parametern (Ω , Λ ) à Computersimulation Parameter: ΛCDM: Ωm = 0,3 ΩΛ = 0,7 SCDM: Ωm = 1 ΩΛ = 0 OCDM: Ωm = 0,3 ΩΛ = 0 Zusammensetzung des Universums Ω(H) = Ω Λ + Ω DM + Ω LM + ΩR n n n Ω=1 Ω M = 0.27 +/- 0.06 ΩΛ = 0.73 +/- 0.06 Ω B = 0.0224 +/-0.0009 H = 71+/- 3 km s-1 Mpc-1 Eigenschaften von Dunkler Materie n Nicht elektromagnetisch wechselwirkend n n Kalt (schwer und damit langsam) n n Strukturbildung, Observation Strukturbildung Nicht baryonisch n Primordiale Nukleosynthese
