0 - KIT

Kosmologie
Wintersemester 2015/16
Vorlesung # 15, 09.02.2016
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik, Fakultät für Physik
Dunkles Universum
- DM-Halos
- Dunkle Energie: L und
dynamische Ansätze (Quintessenz)
- Dark Energy Survey
- zukünftige Entwicklung &
offene Fragenstellungen
KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft
www.kit.edu
BAOs & Evidenzen für DM
 Akustische Oszillationen von Baryonen:
- CMB Grundmode (1. Peak): auslaufende
Dichtewelle (Baryonen und Photonen), nach
Entkopplung wachsen baryonische Kugelschalen (Galaxien) an durch Hubble-Expansion
- SDSS-BOSS: Nachweis des BAO-Signals (7s)
idealer Maßstab für Skalenparameter a(t)
 Astrophysikalische DM-Evidenzen
Galaxienrotation
Cluster:
M DM ( r )  r
- Gas: Röntgen-T
- Virialtheorem (Zwicky)
- Bullet-Cluster
- Gravitationslinsen
2
26.01.2016
G. Drexlin – VL15
1
  DM ( r )  2
r
KIT-IEKP
Gravitationslinseneffekt & DM
1 1 1
 
g b f
 Gravitationslinsen:
- starke Linse: Bögen, Kreuze, …
- schwache Linse:
statistische Verzerrung
schwacher
Linseneffekt
ohne
Linse
vorher
3
26.01.2016
nachher
G. Drexlin – VL15
Abbild
HintergrundGalaxien
Linse:
Cluster
mit CDM
KIT-IEKP
5.3 Dunkle Materie Halos
 Strukturen von Baryonen (H/He-Atome, schwere Elemente):
- gravitative Kontraktion entsprechend Jeans-Kriterium
- bei Jeans-Instabilität: Wechselwirkung mit Photonen
 Energie kann abgestrahlt werden (Dissipation)
 Baryonen kühlen sich ab (gravitative Kontraktion)
- Bildung einer flachen Galaxienscheibe
mit großräumiger Rotation (Drehimpulserhaltung)
4
26.01.2016
G. Drexlin – VL15
KIT-IEKP
Dichteprofile von Baryonen & DM
 Dunkle Materie: WIMPs
- wechselwirken nur gravitativ
- wechselwirken nicht mit Baryonen oder Strahlung
Energie kann nicht abgestrahlt werden (keine Dissipation)
- WIMPs kühlen sich nicht ab (nur gravitative Gezeitenkräfte)
- Bildung eines sphärischen Halos
- Halo ohne makroskopische Rotation
5
26.01.2016
G. Drexlin – VL15
KIT-IEKP
DM Halos - Eigenschaften
 Halo-DM-Modelle:
- sphärische (i.a. triaxiale) Halos
mit isotroper/anisotroper
Geschwindigkeitsverteilung
 Parametrisierung:
- für kugelförmigen Halo sinkt die Dichte mit
(r) ~ r-2
Galaxie
(r)
Halo aus dunkler Materie
- universelles NFW-Profil
Navarro-Frenk-White-Profil für wechselwirkungsfreie DM-Teilchen
 DM ( r ) 
0
r
RS

r 

 1 
 RS 
2
0: Normierung der Dichte RS: Skalenradius DM-Halo
6
26.01.2016
G. Drexlin – VL15
N
F
W
NFW Profil
KIT-IEKP
DM Halos & Galaxien´warps´
 Dynamik triaxialer DM Halos
3-dim. Lage der Galaxienscheibe relativ zur
großen Halbachse des DM Halos
´warp´
triaxialer
DM-Halo
Beobachtung:
auch einzelnstehende Galaxien zeigen
´warps´ im Außenbereich (Gas)
Gas
Deklination
 Erklärungsmodell:
- Verkippung der Lage der Galaxienscheibe
gegen große DM-Halbachse (z.B. durch
einen Merger-Prozess)
- Dynamik des äußeren Gases wird durch
die Lage des DM Halos (große Halbachse)
bestimmt
´warp´
Gas
Rektaszension
7
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G. Drexlin – VL15
KIT-IEKP
Simulation von galaktischen DM Halos
 N-Teilchensimulationen mit hoher räumlicher Auflösung (320.000 CPU h):
~ 10.000 DM-sub-Halos in galaktischem Halo
 5 massive sub-Halos (> 3 × 107 M , aber zu massearm für Protogalaxis)
800×600kpc: 234 Mio DM Teilchen
Mtot = 1.7×1012 M
8
26.01.2016
G. Drexlin – VL15
KIT-IEKP
9
26.01.2016
G. Drexlin – VL04
KIT-IEKP
CDM – Halostruktur (I)
moderate CMD
Massenauflösung
10
26.01.2016
G. Drexlin – VL15
KIT-IEKP
CDM – Halostruktur (II)
gute CDM
Massenauflösung
11
26.01.2016
G. Drexlin – VL15
KIT-IEKP
CDM – Halostruktur (III)
sehr feine CDM
Massenauflösung
12
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G. Drexlin – VL15
KIT-IEKP
CDM – galakticher Halo mit Substruktur
13
26.01.2016
G. Drexlin – VL15
KIT-IEKP
Fehlende Zwerggalaxien und WDM
 Anzahl N der Zwerg-Galaxien um Milchstrasse:
Beobachtung: N ~ 30 bis zu d = 420 kpc
Erwartung: N ~ 500 in Standard-CDM-Halo
Problem der fehlenden Zwerg-Galaxien
Lösung: Astrophysik oder Teilchenphysik
Astrophysik:
a) DM-Halos mit extrem geringem Baryonenanteil
b) DM-Halos durch Gezeiten-Ww. mit Galaxien „zerrissen“
Teilchenphysik: WDM-Modelle mit sterilen Neutrinos sagen N ~ 30 voraus!
CDM
c0
nsteril
Wirkung:
Auswaschen von
Skalen l < 1 pc
14
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WDM
G. Drexlin – VL15
Wirkung:
Auswaschen von
Skalen l < 100 kpc
KIT-IEKP
5.4 Dunkle Energie
 Evidenzen für Dunkle Energie
SN Ia Helligkeitskurven
- SNIa: Explosion eines weißen Zwerges mit
Masse M > 1.38 M (vgl. ATP-II)
- Standardkerze, da Helligkeit stets M = -19.6 mag
- weit entfernte SNIa lichtschwächer als erwartet
für Universum mit ä(t) ≤ 0
CMB-Multipol & ISW-Effekt
- CMB-Multipol: 1. akustischer Peak
ergibt Wtot = 1, 2.+3.: WDM = 0.27
daher WL = 0.68
- Integraler Sachs-Wolfe Effekt
CMB in expand. Voids/Clustern
15
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G. Drexlin – VL15
KIT-IEKP
SNIa & Dunkle Energie L
 Helligkeiten von SNIae als Funktion von z: Entdeckung der Dunklen Energie
Lichtlaufzeit (109 a)
Adam Riess: Logbuch Hubble-Resultate
9.1
7.7
5.7
4.3
2.4
1.3
0
0
0.2
0.4 0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
Rotverschiebung z
16
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G. Drexlin – VL15
KIT-IEKP
SNIa als Standardkerzen
 1998: weit entfernte SNIae (z > 0.2) sind lichtschwächer
als nach extrapoliertem linearen Hubble-Gesetz erwartet
beschleunigte
Expansion
 42 SNIa-Explosionen
2 SN-Teams (1998)
- The High-Z SN Search
(Mount Stromlo
Observatory):
Brian Schmidt et al.
- Supernova Cosmology
Project: S. Perlmutter et al.
17
26.01.2016
G. Drexlin – VL15
KIT-IEKP
SNIa als Standardkerzen
 heute: weitere Datenpunkte durch ESSENCE, SNLS
Rotverschiebung z
18
26.01.2016
G. Drexlin – VL15
KIT-IEKP
SNIa und Kosmologie
2
SNIa
LCDM
1
CMBR
0
Rekollaps
-1
Weltalter
0
1
2
Materiedichte
19
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G. Drexlin – VL15
Wm
Dichte der dunklen Energie
Dichte der dunklen Energie
WV
 kombinierte Ergebnisse von SNIa Daten und der CMBR (Planck)
3
Resultate & der Galaxiencluster (gelb)
kein
konvergieren bei Wm = 0.31 und WL = 0.69
Urknall
1.5
nur dunkle
Energie
1.0
Konkordanzmodell
0.5
leeres Universum
Einstein-de Sitter
Universum
0
0
0.5
1.0
Materiedichte
KIT-IEKP
Dark Energy Survey
 neues internationales Projekt zur Untersuchung
der Eigenschaften der Dunklen Energie
 Teleskop: 4 m Blanco Teleskop am Cerro Tololo
Inter-American Observatorium in Chile.
- DECam: Dark Energy Camera
520 Megapixel CCD
(62 Chips mit je 2048 × 4096 Pixeln)
 Wissenschaftliche Ziele:
Studium der Dunklen Energie mit 4 Methoden:
- ca. 4000 SNIae, daraus Expansionsrate ä(t)
- ca. 105 Galaxienclustern (Strukturbildung)
- ca. 2 × 108 Galaxien (weak lensing), daraus
3D Kartierung der Materie im kosmischen Web
- Baryon Acoustic Oscillations (BAO)
20
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G. Drexlin – VL15
KIT-IEKP
Dark Energy Survey
 DECam besitzt sehr großes Gesichtsfeld 2.2°
 Untersuchung eines Felds von 5000 Quadrat-Grad
über 5 Jahre, Beginn der Datennahme ab 8/2013,
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26.01.2016
G. Drexlin – VL15
KIT-IEKP
Square Kilometre Array
 neues internationales Projekt der Radioastronomie mit A = 1 km2,
Australien & Südafrika, 2023 voller Betrieb, 21 cm H-Linie für LSS
23
26.01.2016
G. Drexlin – VL15
KIT-IEKP
Dunkle Energie & Alternativen
 beschleunigte Expansion als Effekt : a+b) dunkle Energie (kosmologische
Konstante L, Quintessenz) bzw. durch c) modifizierte Gravitation d) Topologie
a)
b)
kosmologische
Konstante L
konstanter ParameterVakuumfluktuationen
w = -1
w ≠ -1
d)
c)
modifizierte
Gravitation
Gravitonen- können
in extra Dimensionen
propagieren, Verzerrung Raumzeit
24
Quintessenz
big rip/big crunch
dynamische Variableabhängig von Zeit & Raum
26.01.2016
G. Drexlin – VL15
inhomogenes
Universum
galaxienreiche und
galaxienarme Bereiche
KIT-IEKP
5.5 Zukünftige Entwicklung des Universums
 Entwicklung des Skalenparameters a(t) wird bestimmt von der
Zustandsgleichung w der Dunklen Energie
a a   ( 4 3)    G   i  (1  3  w i )
 Friedmann-Lemaitre Gleichung:
Energiedichte i einer Komponente
-1
25
26.01.2016
-2/3
G. Drexlin – VL15
-1/3
0
i ~ a
1/3
wi = pi / i
3 (1  wi )
1
w
KIT-IEKP
Dunkle Energie: L und Alternativen
Energiedichte i(t) [GeV/m3]
Quintessenz/Phantom-Energie
1015
1010
105
Quintessenz
w = w(t)
26.01.2016
Materie:
(DM+Baryonen)
kosmologische Konstante L
1
Phantom-Energie
w = w(t)
10-5
10-4
26
dynamische Grundlage für Dunkle Energie
G. Drexlin – VL15
10-3
10-2
10-1
Skalenfaktor a(t)
CMB
1
KIT-IEKP
Skalenparameter a(t)
w  1
ä (t )  
Skalenparameter a(t)
 zukünftige Entwicklung von a(t)
Big
Rip
ä (t )  const.
Vakuumenergie
Big
Crunch
1.0
w  1 3
a(t )  0
a (t )  0
heute
27
26.01.2016
G. Drexlin – VL15
Zeit t
KIT-IEKP
Dunkle Energie – aktuelle Resultate
Zustandsgleichung wDE
 Resultate von CMB (Planck) & LSS (SDSS-BOSS)
- bester Fitwert: w = -1.049 ± 0.078 (Dezember 2013)
 Präferenz für eine kosmologische Konstante L
-0.5
-1.0
Planck
Planck + BOSS
Planck + BOSS
-1.5
0.2
28
26.01.2016
G. Drexlin – VL15
0.3
0.4
Materie Wm
0.5
KIT-IEKP
kosmischer Horizont
Entfernung in mitbewegten Koordinaten
 Entwicklung des kosmischen Horizonts bisher
- kosmologische Konstante: stetig kleinerer Horizont  Milchstraße
Zeit t
29
26.01.2016
G. Drexlin – VL15
KIT-IEKP
offene Fragestellungen: Stabilität?
Energiedichte
Leerer Raum
Topquark-Masse (GeV)
 Frage: ist das quantenmechanische Vakuum (SM) stabil?
- Annahme: keine neue Physik von TeV bis Plnack-Skala
instabiler Messwert
Bereich
200
150
Standard-Modell mit
M(Higgs)
= 125 GeV
M(Top)
= 173 GeV
100
stabiler
Bereich
50
0
0
50
100
150
200
Higgs-Masse (GeV)
30
26.01.2016
G. Drexlin – VL15
unser
Vakuum
exotisches
Vakuum
<H>
KIT-IEKP
offene Fragestellungen: erste Sterne?
erste Sterne: extrem massereiche Population-III (~300 M)
direkte Bildung aus primordialem Gas (keine Metallizität)
UV-Licht: Reionisation des Universums (vgl. Kap. 3)
Fusionsketten: Bildung der ersten schwere Elemente
seither: andere Sternopazitäten,  nur Populationen I, II
UV: Reionisation
des Universums
m ~ 300 m
31
26.01.2016
G. Drexlin – VL15
KIT-IEKP
offene Fragestellungen: Materiedominanz
 Neutrino-Eigenschaften: schwere Majorana-n´s
Dirac Neutrino
4 n Zustände
LeptonenzahlErhaltung
DL = 0
Neutrino ≠ Antineutrino
Lorentz
nD
_
nL
nR
32
26.01.2016
G. Drexlin – VL15
nL
CPT
nR
CPT
Lorentz
Majorana Neutrino
2 n Zustände
LeptonenzahlVerletzung
DL = 2
„Neutrino = Antineutrino“
_
nM
nL
nR
CPT
KIT-IEKP
offene Fragestellungen: the final one
 Frage: was passierte vor dem Big Bang?
gibt es dazu Signaturen in der CMB??
33
26.01.2016
G. Drexlin – VL15
KIT-IEKP
the end…
34
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G. Drexlin – VL15
KIT-IEKP