Dunkle Materie.

Präsentation zum Thema: "Dunkle Materie."—  Präsentation transkript:

1 Dunkle Materie

2 Erstmals wurde 1845 nicht sichtbare (=Dunkle) Materie vorhergesagt:
Die Uranus-Bahn hatte Abweichungen vom berechneten Wert.

3 Lösung: Der Student J.C. Adams in Cambridge erklärte dies durch einen hypothetischen weiteren Planeten. Dieser Planet wurde auf Grund der Berechnungen auch gefunden. Er bekam den Namen Neptun.

4 Ein Hinweis auf Dunkle Materie außerhalb unserer Galaxie stammt aus dem Jahr 1933 von Fritz Zwicky.

5 Er beobachtete die Geschwindigkeit von Galaxien im Comahaufen
Dunkle Materie

6 Er hat das Virialtheorem (1) auf einen Galaxienhaufen, den Coma Cluster, angewendet,
um damit die Masse zu bestimmen. T = 0,5 · U (1) Um die kinetischen Energien zu erhalten, braucht man die Geschwindigkeiten der Galaxien. In der Astronomie werden Geschwindigkeiten üblicherweise über den Dopplereffekt bestimmt. Es liegt eine Rotverschiebung vor, wenn sich das Objekt von uns weg und eine Blauverschiebung wenn sich das Objekt auf uns zu bewegt. Mit dieser Methode ist es allerdings nur möglich, Geschwindigkeiten entlang unserer Sichtlinie zu berechnen. Da wir aber annehmen können, dass die Geschwindigkeiten sich im Mittel über alle Raumrichtungen gleichverteilen, können wir den Betrag der Gesamtgeschwindigkeit als das mit Wurzel 3 den Betrag der Geschwindigkeit in Sichtlinie multiplizieren. Für die kinetische Energie T gilt dann, wobei (v) die mittlere Geschwindigkeit in Sichtlinie ist: T = 0,5 · M · 3(v)² (2) Die potentielle Energie U des Galaxieclusters ist gegeben durch: U ~ −G · M²/R (3) Wie kam man auf die Idee, dass es Dunkle Materie gibt? Dabei ist M die gesuchte Gesamtmasse und R der Gesamtradius des Galaxieclusters. In dieser Beziehung unberücksichtigt bleiben Strukturfaktoren, die den genauen Aufbau des Haufens beschreiben. Aus (1) folgt dann mit (2) und (3): M ~(3 · R ·(v)²)/G (4) Dem nach charakterisiert die mittlere Geschwindigkeit in Sichtlinie die Gesamtmasse des Galaxieclusters. Mit dieser Methode konnte Fritz Zwicky 1933 die Gesamtmasse des Coma Clusters bestimmen. Sein Ergebnis war, dass der Umrechnungsfaktor von Leuchtkraft zu Masse etwa 500 ist (aus [1]). Dieser Wert ist sehr viel größer als für unser lokales Universum, wo er in etwa 3 beträgt. Wir haben also fast 200-mal mehr Masse, als wir durch die Leuchtkraft erwarten würden.

7 Seine Berechnungen ergaben, dass beim Comahaufen fast 200-mal mehr Masse vorhanden sein musste, als durch die Leuchtkraft zu erwarten war.

8 Die US-Astronomin Vera Rubin lieferten 1960 weitere Beweise für Dunkle Materie als sie die Rotationsgeschwindigkeiten der Spiralarme von Galaxien untersuchte.

9 Gemessene Rotationskurve (Punkte mit Fehlerbalken) für die Galaxie NGC Kern und Scheibe können den Verlauf der Kurve nicht beschreiben, dazu muss man einen zusätzlichen Halo mit Materie annehmen.

10 NGC 3198 Verhältnis von Dunkler zu leuchtender Materie bis zum sichtbaren Rand der Galaxie = 10 : 1

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12 Galaxiehaufen als Gravitationslinse
Mit dem Winkeldurchmesser eines Einsteinrings r² ist es möglich die Masse der Linse zu bestimmen.

13 Das von den Weltraumteleskopen „Hubble“ und „Chandra“ aufgenommene Bild zeigt den Galaxienhaufen 1E , der eigentlich aus zwei Galaxienhaufen besteht, die vor hundert Millionen Jahren zusammenstießen und sich gegenseitig durchdrangen. Dabei kollidierte hauptsächlich das Gas zwischen den Galaxien und wurde dabei aufgeheizt und abgebremst. Gleichzeitig stellen die Galaxienhaufen durch ihre Massen große Gravitationslinsen dar und durch Analyse der Position von Hintergrundobjekten lässt sich die Masseverteilung innerhalb der Galaxienhaufen berechnen., Dies ergibt eine klare Trennung zwischen der Dunklen (blau) und normalen Materie (pink) und ist ein Beweis für die Existenz der Dunklen Materie.

14 Animation die zu dieser Materienverteilung führten:

15 Aus was besteht Dunkle Materie?
Baryonische Dunkle Materie Zuerst suchte man wie beim Neptun nach herkömmlicher Materie: Die Gasmengen wären zu riesig – Sternentwicklung, Braune Zwerge oder Sterne mit Jupitergrößen – zu geringe Masse Heiße Dunkle Materie (HDM) Neutrinos -maximale Masse nicht ausreichend Kalte Dunkle Materie (CDM) WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, dt. Schwach wechselwirkende massive Teilchen) , heißester Kandidat ist das mit 100 – 1000 facher Masse eines Protons genannte Neutralino.

16 Wie kann man WIMPS nachweisen?
1) Direkter Nachweis mit large hadron collider beim CERN. Hier sollte man die WIMPS erzeugen können.

17 2) Direkter Nachweis in abgeschirmten Untergrundlaboratorien: z. B
2) Direkter Nachweis in abgeschirmten Untergrundlaboratorien: z.B.: Gran Sasso, durch Stöße an Atomkernen könnte man die WIMPS nachweisen.

18 3) Indirekt durch vermutete Zerfallsprodukte von WIMPS.
Da ein Neutralino gleichzeitig sein Antiteilchen ist, vernichten sich die Neutralinos gegenseitig und es entstehen dadurch Elektronen, Protonen, Positronen, Antiprotonen und Gammastrahlung (=hochenergetische Photonen). Satellit Pamela (kosmische Höhenstrahlung) Satellit Fermi(Gammastrahlung)

19 Tscherenkow-Dedektor HESS in Namibia

20 Man sieht hier auf der x-Achse die Energie der Teilchen und auf der y-Achse wie viel man davon gemessen hat. Die blaue Linie zeigt was zu erwarten wäre, wenn es keine zusätzlichen hochenergetischen Teilchen gibt, die bei den Kollisionen der dunklen Materie entstehen. In rot sind die Fermi-Messungen eingezeichnet - und man erkennt einen deutlichen Überschuss!

21 So wie bei PAMELA können auch diese Fermi-Daten mittlerweile auch ohne Dunkle Materie erklärt werden . Aber Fermi hat weitergemessen:

22 Dazu muss man ausholen:
WMAP ist eine Raumsonde, die die kosmische Hintergrundstrahlung misst (Mikrowellenlängenbereich)

23 So sieht d "WMAP Haze" also - "WMAP-Schleier" oder "WMAP-Nebel"
Hintergrund und Vordergrund Vordergrund ohne Hintergrund "WMAP Haze" also - "WMAP-Schleier" oder "WMAP-Nebel" Vielleicht stammt sie von der dunklen Materie? Wenn dunkle Teilchen sich selbst annihilieren entstehen Elektronen und Positronen. Diese bewegen sich dann im Magnetfeld der Galaxie und erzeugen dabei Synchrotronstrahlung.

24 Es entstehen bei den Kollisionen zwischen den Partikeln der dunklen Materie nicht nur Elektronen und Positronen sondern auch Gammastrahlen (=hochenergetische Photonen).

25 Bild: Dobler et al. 26 Oct 2009 Es wurde von Fermi ein Überschuss an Gammastrahlung und zwar genau dort, wo man sie vom WMAP-Nebel her erwarten würde, gemessen.

26 Antimaterie (oben) und Röntgendoppelsterne (unten) zeigen eine ähnliche Vereilung um das Zentrum der Galaxis.

27 Anti-Materie von Röntgendoppelsternen?
Ein erster Hinweis auf die Erzeugung von Positronen durch Röntgendoppelsterne in unserer Galaxis Beobachtungen mit dem europäischen Forschungssatelliten INTEGRAL haben Wissenschaftler dem rätselhaften Ursprung der Anti-Materie in unserer Galaxis ein großes Stück näher gebracht: die Anti-Materie ist ungleich in der Galaxis verteilt. Eine ähnlich ungleiche Verteilung wurde für eine Population von Röntgendoppelsternen bestimmt. Wie von einem internationalen Team um Georg Weidenspointner vom MPE in der Nature-Ausgabe vom 10. Januar 2008 berichtet wird, legen diese überraschenden Entdeckungen die Vermutung nahe, dass ein Großteil der Anti-Materie in unserer Galaxis von Röntgendoppelsternen erzeugt wird. (10. Januar 2008)

28 Anti-Materie von Röntgendoppelsternen?
Ein erster Hinweis auf die Erzeugung von Positronen durch Röntgendoppelsterne in unserer Galaxis Beobachtungen mit dem europäischen Forschungssatelliten INTEGRAL haben Wissenschaftler dem rätselhaften Ursprung der Anti-Materie in unserer Galaxis ein großes Stück näher gebracht: die Anti-Materie ist ungleich in der Galaxis verteilt. Eine ähnlich ungleiche Verteilung wurde für eine Population von Röntgendoppelsternen bestimmt. Wie von einem internationalen Team um Georg Weidenspointner vom MPE in der Nature-Ausgabe vom 10. Januar 2008 berichtet wird, legen diese überraschenden Entdeckungen die Vermutung nahe, dass ein Großteil der Anti-Materie in unserer Galaxis von Röntgendoppelsternen erzeugt wird. (10. Januar 2008)

29 Theorie der Dunklen Materie macht präzise Vorhersagen - aber bei Zwerggalaxien scheitert sie fortgesetzt. Neue Computersimulationen zeigen: Explodierende Sterne lösen das Problem!

30 Sie sagen voraus, dass Zwerggalaxien eine Art Scheitelpunkt besitzen würden, dass die Materiedichte von der Mitte nach außen hin kontinuierlich abfallen sollte. Tatsächlich haben Messungen aber eine ganz andere Struktur zutage gefördert, große zentrale Kerne mit gleichbleibender Dichte. "Core-cusp dilemma" nennen Fachleute diesen Widerspruch, zu dem sich noch ein zweiter gesellt. Laut bisherigen Simulationen sollten Zwerggalaxien auch schneller rotieren als sie es tatsächlich tun.

31 Laut Berechnungen aber explodieren die massivsten Sterne in Form von Supernovae und reißen dabei nicht nur sichtbare Materie in das All, sondern auch Dunkle. Das senkt die Materiedichte im Inneren der Zwerggalaxien und hemmt die Bildung von Millionen von Sternen. Dadurch stimmt die Theorie der Dunklen Materie wieder.

32 Alternative Möglichkeiten
Jacob Bekenstein an der Harvard-Universität                                                   Jacob Bekenstein an der Harvard-Universität                                                   Jacob Bekenstein an der Harvard-Universität                                                   Jacob Bekenstein an der Harvard-Universität                                                   Alternative Möglichkeiten Mond-Hypothese (Modifizierte Newtonsche Dynamik) Tensor-Vektor-Skalar-Gravitationstheorie Die Gravitationsstärke ist in Abhängigkeit von der Entfernung zur Masse, welche die Gravitation verursacht. 2004 erstmals von Jacob Bekenstein formuliert Kann die Teilung von Dunkler und normaler Materie im Galaxienhaufen 1E nicht erklären.

33 Unmögliche Beziehungen
Die Studie in "Nature" von Gianfranco Gentile et al.: "Universality of galactic surface densities within one dark halo scale-length" Benoit Famaey. "Die dunkle Materie scheint irgendwie viel zu genau zu 'wissen', wie die sichtbare Materie in Galaxien verteilt ist." Zusammen mit Kollegen aus Belgien, Schottland und Italien berechnete er, wie groß die Menge dunkler Materie in den inneren Regionen verschiedener Galaxien anhand der Beobachtungsdaten sein müsste. "Dabei haben wir eine Beziehung zwischen den beiden Materieformen festgestellt, die es eigentlich gar nicht geben dürfte", sagte er. Beschleunigung macht dunkle Materie notwendig Merkwürdigerweise scheinen sich die Sterne im Zentrum großer Galaxien normal zu verhalten. Man kann sich eine kugelförmige Grenzfläche denken, die das Zentrum umschließt. Innerhalb dieser Grenzfläche braucht man die dunkle Materie gar nicht. Außerhalb verläuft der "Sternentanz" aber nicht mehr wie eigentlich erwartet. Die Forscher setzten nun die Größe der Grenzfläche zur Gesamtmasse der sichtbaren Materie in Beziehung, die von ihr umschlossen wird. Erstaunlicherweise ist diese "Flächendichte" konstant - ein völlig unerwartetes Ergebnis. Man kann es nämlich so interpretieren, als würde die dunkle Materie erst ab einer bestimmten Beschleunigung nötig. Physikalische Lücken "Irgendetwas geht da vor, das nicht in das bisherige Paradigma passt", meint Famaey. Die Analysen legen seiner Meinung nach zwei mögliche Erklärungen nahe: Entweder sei die Interaktion zwischen normaler und dunkler Materie komplexer als bisher gedacht. Oder - und diese Lösung sei in vielerlei Hinsicht weit einfacher - die Gravitationsgesetze von Newton und Einstein müssten modifiziert werden. In den galaktischen Dimensionen würden dann größere Gravitationskräfte wirken. Der israelische Wissenschaftler Mordehai Milgrom hatte diese Überlegung bereits 1983 angestellt. "Die jetzigen Beobachtungen decken sich genau mit dem, was Milgrom vorhergesagt hat", sagte Pavel Kroupa vom Bonner Argelander-Institut für Astronomie. "Sie sind ein weiterer eindrucksvoller Hinweis, dass die Newton'sche Gravitationstheorie so nicht stimmen kann.„ ORF

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