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 Woraus besteht unser Universum ?
Feuer , Luft, Wasser, Erde ! Quintessenz !

3 Dunkle Energie dominiert das Universum
Energie - Dichte im Universum = Materie + Dunkle Energie 30 % %

4 Was ist Dunkle Energie ?

5 Materie : Alles was klumpt
Abell 2255 Cluster ~300 Mpc

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7 Materie Alles was klumpt! Gravitationspotential
Materie kann durch Gravitationsanziehung gemessen werden ! Die meiste Materie ist dunkel ! Dunkle Materie bisher nur durch Gravitation spürbar

8 Gravitationslinse,HST

9 Energiedichte in Materie gemessen
Was ist Anteil ? Benötigt : Gesamtenergiedichte

10 Gesamte Energie – Dichte :
gemessen durch Anisotropie der kosmischen Hintergrund - Strahlung

11 Kritische Dichte ρc =3 H² M² Kritische Energiedichte des Universums
M : reduzierte Planck-Masse , G : Newton’sche Gravitationskonstante M-2=8 π G Ωm=ρm/ρc Anteil der Materie an der (kritischen) Energiedichte

12 Kleinste und größte Länge
H-1 ≈ Lichtjahre Größe unseres Universums M-1 = cm : Planck – Länge Kosmologie und Elementar-Teilchenphysik

13 Zusammensetzung des Universums
Baryonen Ωb = 4.5 % sichtbar klumpt Dunkle Materie Ωdm= 22 % unsichtbar klumpt Dunkle Energie Ωh = 73 % unsichtbar homogen

14 Gesamte Energie – Dichte :
gemessen durch Anisotropie der kosmischen Hintergrund - Strahlung

15 Foto des Urknalls : Ωtot=1
WMAP

16 Ωtot=1

17 Gravitationslinse,HST
Ωm= 0.3 Gravitationslinse,HST

18 Dunkle Energie : klumpt nicht - homogen im Raum verteilt
Ωm + X = 100 % Ωm : 30% klumpt Ωh : 70% Dunkle Energie h : homogen

19 Raum zwischen den Klumpen ist nicht leer : Dunkle Energie !

20 Dunkle Energie ist völlig gleichförmig über den Raum verteilt “ überall gleich viel “ “ homogen “ Übt keine Kraft auf Teilchen aus – “ Wohin sollte sie ziehen ? “

21 Zwei wichtige Vorhersagen
Die Expansion des Universums beschleunigt sich heute ! Strukturbildung : Ein primordiales Fluktuationsspektrum

22 Was ist die Dunkle Energie ?
Kosmologische Konstante oder Quintessenz ?

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

24 Kosmologische Konstante : statisch
Quintessenz : dynamisch

25 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 ?

26 Kosmologische Konstante : statisch Quintessenz : dynamisch
homogene dunkle Energie: ρh/M4 = ˉ¹²¹ Materie: ρm/M4 = ˉ¹²¹

27 Einstein’s Vereinheitlichung von Raum und Zeit (spezielle Relativitätstheorie )
Was von der Zeit abhängt , kann auch vom Raum abhängen ! Feld

28 Quintessenz Kosmon – Feld φ(x,y,z,t)
ähnlich elektrisches Feld , aber keine Richtung ( Skalarfeld ) Homogenes und isotropes Universum : φ(x,y,z,t)=φ(t) Potenzielle und kinetische Energie des Kosmon - Felds tragen zu dynamischer Energiedichte des Universums bei C.Wetterich,Nucl.Phys.B302(1988) B.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)L17,

29 Fünfte Kraft Graviton + Kosmon Auf astronomischen Skalen:
Starke,elektromagnetische,schwache Wechselwirkung Auf astronomischen Skalen: Graviton + Kosmon Gravitation Kosmodynamik

30 Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden ?

31 Zeitabhängigkeit der dunklen Energie
M.Doran,… Kosmologische Konstante : Ωh ~ t² ~ (1+z)-3 Dunkle Energie im frühen Universum : unter 10 %

32 Hängen fundamentale Parameter von der Zeit ab ?

33 Quintessenz und Zeitabhängigkeit der “fundamentalen Konstanten”
Proton – Masse , Elektron - Masse : keine festen Konstanten ! Verhältnis mp /me hängt vom Wert des Kosmon Felds ab ! Zeitentwicklung von φ Zeitentwicklung von mp /me Jordan

34 Hatten Kopplungskonstanten im
frühen Universum andere Werte ? Ja !

35 Standard – Modell der elektroschwachen Wechselwirkung : Higgs - Mechanismus
Die Massen aller fundamentalen Fermionen und Eichbosonen sind proportional zum Vakuum-Erwartungswert eines Skalarfelds φH ( Higgs Skalar ) Für Elektron , Quarks , W- und Z- Bosonen gilt mElektron = hElektron * φH etc.

36 Restoration der Symmetrie bei hohen Temperaturen im frühen Universum
hohe T : weniger Ordung mehr Symmetrie Beispiel: Magnete Niedrige T SSB <φH>=φ0 ≠ 0 Hohe T SYM <φH>=0

37 Im heissen Plasma des frühen Universums : ähnliche Stärke der schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkung !

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39 Zusammenfassung Der Wert von Massenverhältnissen und
Kopplungskonstanten hängt vom Zustand ab ! Nicht ein für alle mal gegeben !

40 Wie stark hängen fundamentale Parameter von der Zeit ab ?
Nukleosynthese : die Urchemie Kochen der leichten Elemente He, Li, etc aus Protonen und Neutronen Bestimmung von Ωb=0.045 : Von Nukleosynthese, Kosmischer Hintergrundstrahlung

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

42 Παντα ρει Zeitvariation der “ fundamentalen Konstanten “ ist winzig –
wäre aber von großer Bedeutung ! Mögliches Signal für Quintessenz Παντα ρει Alles fliesst

43 Fallen alle Körper gleich schnell ?

44 Äquivalenzprinzip Galileo Galilei : Alle Körper fallen gleich schnell ! Schiefer Turm zu Pisa Newton : Körper gleicher Masse unterliegen der gleichen Erdbeschleunigung , unabhängig von ihrer Zusammensetzung Einstein : Äquivalenzprinzip als Grundlage der Gravitation ( Allgemeine Relativitätstheorie ) Grundlage wichtiger Techniken : GPS , …

45 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

46 Scheinbare Verletzung des Äquivalenzprinzips
Körper mit gleicher Masse aber verschiedener Zusammensetzung fallen nicht gleich schnell zur Erde ! p,n Verschiedene Kopplung des Kosmons an Proton und Neutron Differentielle Beschleunigung η : Differenz der Beschleunigung zweier Körper mit gleicher Masse / Summe der Beschleunigungen Erde Kosmon p,n

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

48 Zusammenfassung Ωh : 70 % des Universums besteht aus Dunkler Energie
Q/Λ : dynamische und statische dunkle Energie unterscheidbar Q : zeitlich veränderliche “fundamentale Kopplungen” , scheinbare Verletzung des Äquivalenzprinzips

49 ???????????????????????? 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 ?

50 Die Antwort der Künstlerin …
Laura Pesce

51 Ende

52 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

53 Quintessenz wird heute wichtig