Dunkle Energie- ein kosmisches Rätsel Dunkle Energie –

Präsentation zum Thema: "Dunkle Energie- ein kosmisches Rätsel Dunkle Energie –"—  Präsentation transkript:

1 Dunkle Energie- ein kosmisches Rätsel Dunkle Energie –
Ein kosmisches Raetsel

2 Dunkle Energie – ein kosmisches Rätsel
C.Wetterich A.Hebecker,M.Doran,M.Lilley,J.Schwindt, C.Müller,G.Schäfer,E.Thommes, R.Caldwell

3 Woraus besteht unser Universum ?

4 Quintessenz ! Feuer , Luft, Wasser, Erde !

5 Expansion des Universums
Alle Längenskalen im Universum sind proportional zu kosmischem Skalenfaktor a(t) Hubble parameter H(t) misst "Expansionsgeschwindigkeit des Universums” Definition:

6 Kritische Dichte ρc =3 H² M² Kritische Energiedichte des Universums
( M : reduzierte Planck-Masse , M-2=8 π G ; H : Hubble Parameter ) Ωb=ρb/ρc Anteil der Baryonen an der (kritischen) Energiedichte

7 Zusammensetzung des Universums
Ωb = 0.045 Ωdm= 0.225 Ωh = 0.73

8 Baryonen Staub Ωb=0.045 Nur 5 Prozent unseres Universums SDSS
bestehen aus bekannter Materie ! SDSS ~60,000 von >300,000 Galaxien

9 Abell 2255 Cluster ~300 Mpc

10

11 Ωb=0.045 Von Nukleosynthese, Kosmischer Hintergrundstrahlung

12 Dunkle Materie Ωm = 0.27 “Materie” insgesamt
Die meiste Materie ist dunkel ! Bisher nur durch Gravitation spürbar Alles was klumpt! Gravitationspotential

13 Gravitationslinse,HST

14 Dunkle + baryonische Materie : Alles was klumpt !

15 Räumlich flaches Universum
Ωtot = 1 Theorie (Inflationäres Universum ) Ωtot =1.0000……….x Beobachtung ( WMAP ) Ωtot =1.02 (0.02)

16 Foto des Urknalls

17 Wilkinson Microwave Anisotropy Probe
A partnership between NASA/GSFC and Princeton Science Team: NASA/GSFC Chuck Bennett (PI) Michael Greason Bob Hill Gary Hinshaw Al Kogut Michele Limon Nils Odegard Janet Weiland Ed Wollack Brown Greg Tucker UCLA Ned Wright Princeton Chris Barnes Norm Jarosik Eiichiro Komatsu Michael Nolta UBC Mark Halpern Chicago Stephan Meyer Lyman Page Hiranya Peiris David Spergel Licia Verde

18 Mittelwerte Ωtot =1.02 Ωm =0.27 Ωb =0.045 Ωdm =0.225

19 Ωtot=1

20 Dunkle Energie Ωm + X = 1 Ωm : 30% Ωh : 70% Dunkle Energie
h : homogen , oft auch ΩΛ statt Ωh

21 Dunkle Energie : homogen verteilt

22 Dunkle Energie : Vorhersage: Die Expansion des Universums beschleunigt sich heute !

23 Zeit Abstand Perlmutter 2003

24 Supernova Ia Hubble-Diagramm
Rotverschiebung z Riess et al

25 Strukturbildung Aus winzigen Anisotropien wachsen die Strukturen des Universums Sterne , Galaxien, Galaxienhaufen Ein primordiales Fluktuationsspektrum beschreibt alle Korrelatonsfunktionen !

26 Strukturbildung : Fluktuationsspektrum
CMB passt mit Galaxienverteilung Lyman – α und Gravitationslinsen- Effekt ! Waerbeke

27 Konsistentes kosmologisches Modell !

28 Zusammensetzung des Universums
Ωb = sichtbar klumpt Ωdm= unsichtbar klumpt Ωh = unsichtbar homogen

29 Dunkle Energie- ein kosmisches Rätsel Dunkle Energie –
Ein kosmisches Raetsel

30 Was ist die dunkle Energie ?
Kosmologische Konstante oder Quintessenz ?

31 Kosmologische Konstante
Konstante λ verträglich mit allen Symmetrien Zeitlich konstanter Beitrag zur Energiedichte Warum so klein ? λ/M4 = Warum gerade heute wichtig?

32 Kosm. Konst. | Quintessenz
statisch | dynamisch

33 Kosmologische Massenskalen
Energie - Dichte ρ ~ ( 2.4×10 -3 eV )- 4 Reduzierte Planck Masse M=2.44×1018GeV Newton’s Konstante GN=(8πM²) Nur Verhältnisse von Massenskalen sind beobachtbar ! homogene dunkle Energie: ρh/M4 = ˉ¹²¹ Materie: ρm/M4= ˉ¹²¹

34 Zeitentwicklung Gleiche Erklärung für dunkle Energie ? ρm/M4 ~ aˉ³ ~
tˉ² Materie dominiertes Universum tˉ3/2 Strahlungsdominiertes Universum ρm/M4 ~ aˉ³ ~ ρr/M4 ~ aˉ4 ~ t Strahlungsdominiertes Universum Grosses Alter kleine Grössen Gleiche Erklärung für dunkle Energie ?

35 Quintessenz Dynamische dunkle Energie , vermittelt durch Skalarfeld
(Kosmon) C.Wetterich,Nucl.Phys.B302(1988) B.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)L17,

36 Kosmon Skalarfeld ändert seinen Wert auch in der heutigen kosmologischen Entwicklung Potenzielle und kinetische Energie des Kosmons tragen zur Energiedichte des Universums bei Zeitabhängige dunkle Energie : ρh(t) fällt mit der Zeit !

37 Kosmon Winzige Masse mc ~ H Neue langreichweitige Wechselwirkung

38 “Fundamentale” Wechselwirkungen
Starke,elektromagnetische,schwache Wechselwirkung Auf astronomischen Skalen: Graviton + Kosmon Gravitation Kosmodynamik

39 Evolution des Kosmonfelds
Feldgleichung Potenzial V(φ) bestimmt Details des Modells z.B. V(φ) =M4 exp( - φ/M ) Für wachsendes φ fällt Potenzial gegen Null

40 Kosmologische Gleichungen

41 Quintessenz wird heute wichtig

42 Zustandsgleichung p=T-V Druck kinetische Energie ρ=T+V Energiedichte
Hängt von spezifischer Evolution des Skalarfelds ab

43 Negativer Druck w < 0 Ωh wächst
w < -1/ Expansion des Universums ist beschleunigt w = Kosmologische Konstante

44 Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden ?

45 Zeitabhängigkeit der dunklen Energie
Kosmologische Konstante : Ωh ~ t² ~ (1+z)-3 M.Doran,…

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47 Wie unterscheidet man Q von Λ ?
A) Messung Ωh(z) H(z) Ωh(z) zur Zeit der Strukturbildung , CMB - Emission oder Nukleosynthese B) Zeitvariation der fundamentalen “Konstanten”

48 Quintessenz und Zeitabhängigkeit fundamentaler Konstanten
C.Wetterich , Nucl.Phys.B302,645(1988)

49 Sind fundamentale “Konstanten” zeitabhängig ?
Feinstrukturkonstante α (elektrische Ladung) Verhältnis Nukleonmasse zu Planckmasse

50 Quintessenz und Zeitabhängigkeit der “fundamentalen Konstanten”
Feinstrukturkonstante hängt vom Wert des Kosmon Felds ab: α(φ) aehnlich Higgsfeld in schwacher Wechselwirkung Zeitentwicklung von φ Zeitentwicklung von α Jordan

51 Primordiale Häufigkeiten der leichten Elemente aus der Nukleosynthese
A.Coc

52 wenn jetzige Messung von 4He bestätigt:
Δα/α ( z=1010 ) = GUT 1 Δα/α ( z=1010 ) = GUT 2 C.Mueller,G.Schaefer,…

53 Variation der Feinstrukturkonstanten als Funktion der Rotverschiebung
Webb et al Srianand et al

54 Variation der Feinstrukturkonstanten
Drei unabhängige Datensätze von Keck/HIRES Δα/α = (12) 10-5 Murphy,Webb,Flammbaum, june 2003 VLT Δα/α = (6) 10-5 Srianand,Chand,Petitjean,Aracil, feb.2004 z ≈ 2

55 Zeitvariation der Kopplungskonstanten
ist winzig – wäre aber von grosser Bedeutung ! Mögliches Signal für Quintessenz

56 Παντα ρει Alles fliesst Kommt der Äther,
in Form des Kosmonfelds, wieder zurück?

57 Kosmodynamik Kosmon vermittelt neue langreichweitige Wechselwirkung
Reichweite : Grösse des Universums – Horizont Stärke : schwächer als Gravitation Photon Elektrodynamik Graviton Gravitation Kosmon Kosmodynamik Kleine Korrekturen zum Gravitationsgesetz

58 “Fünfte Kraft” vermittelt durch skalares Feld
Kopplungsstärke schwächer als Gravitation ( nicht-renormierbare Wechselwirkung ~ M-2 ) Abhängigkeit von der Zusammensetzung Verletzung des Äquivalenzprinzips Quintessenz: führt zu Zeitabhängigkeit der fundamentalen “Konstanten” R.Peccei,J.Sola,C.Wetterich,Phys.Lett.B195,183(1987) C.Wetterich , Nucl.Phys.B302,645(1988)

59 Verletzung des Äquivalenzprinzips
Verschiedene Kopplung des Kosmons an Proton und Neutron Differentielle Beschleunigung Verletzung des Äquivalenzprinzips p,n Erde Kosmon p,n

60 Verknüpfung zwischen Zeitabhängigkeit von α
und Verletzung des Äquivalenzprinzips differentielle Beschleunigung η typisch : η = 10-14 MICROSCOPE – Satteliten-Mission

61 Zusammenfassung Ωh = 0.7 Q/Λ : dynamische und statische
dunkle Energie unterscheidbar Q : zeitlich veränderliche “fundamentale Kopplungen” , Verletzung des Äquivalenzprinzips

62 ???????????????????????? Warum wird Quintessenz gerade in der heutigen kosmologischen Epoche wichtig ? Haben dunkle Energie und dunkle Materie etwas miteinander zu tun ? Kann Quintessenz in einer fundamentalen vereinheitlichten Theorie erklärt werden ?

63 Ende