Urknall und Dunkle Energie- über Anfang und Ende des Universums

Präsentation zum Thema: "Urknall und Dunkle Energie- über Anfang und Ende des Universums"—  Präsentation transkript:

1 Urknall und Dunkle Energie- über Anfang und Ende des Universums
Ein kosmisches Raetsel

2 Expansion des Universums
Der Raum zwischen den Galaxienhaufen dehnt sich aus. Früher war das Universum dichter, … und heisser. Zurückverfolgung der Einstein’schen kosmologischen Gleichungen : Urknall, extrem heisser Feuerball ! Bis ca Jahre nach dem Urknall : heisses Plasma aus Protonen, Elektronen und Strahlung

3 Signale des Urknalls Hintergrundstrahlung
Fiat lux ( Jahre nach Urknall) Primordiale Elementsynthese (Nucleosynthese) Beginn der Chemie ( 10 Minuten ab )

4 Baryondichte Primordiale Häufigkeiten der leichten Elemente aus der
Nukleosynthese WMAP A.Coc

5 Präzise Bestätigung unseres Verständnisses der Physik und Kosmologie
Beispiel : auch vor 13.7 Milliarden Jahren hatten die Konstanten der Physik die ( fast ) gleichen Werte

6 typische mögliche Werte der Variation der Feinstrukturkonstanten:
Δα/α ( z=1010 ) = GUT 1 Δα/α ( z=1010 ) = GUT 2 C.Mueller,G.Schaefer,…

7 Anteil der Atome an der Energiedichte des Universums
Ωb=4.5 % Aus Nukleosynthese, Kosmischer Hintergrundstrahlung

8 Baryonen/Atome 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 Woraus besteht unser Universum ?

12 Quintessenz ! Feuer , Luft, Wasser, Erde !

13 Zusammensetzung des Universums
Ωb = 0.05 Ωdm= 0.2 Ωh = 0.75

14 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

15 Materie : Alles , was klumpt

16 Dunkle Materie Ωm = 0.25 “Materie” insgesamt
Die meiste Materie ist dunkel ! Bisher nur durch Gravitation spürbar Alles was klumpt! Gravitationspotential

17 Gravitationslinse,HST

18 Lichtstrahlen werden durch Massen abgelenkt

19 Gravitationslinse,HST

20 Dunkle + baryonische Materie : Alles was klumpt !

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

22 Foto des Urknalls

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24 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

25 Anisotropie der Hintergrundstrahlung
Mittelwerte Ωtot =1.02 Ωm =0.27 Ωb =0.045 Ωdm =0.225 10 o o Winkel

26 Ωtot=1

27 Dunkle Energie Ωm + X = 1 Ωm : 25% Ωh : 75% Dunkle Energie
h : homogen , oft auch ΩΛ statt Ωh

28 Dunkle Energie : homogen verteilt

29 Vorhersagen für Kosmologie mit Dunkler Energie
Die Expansion des Universums beschleunigt sich heute !

30 Zeit Abstand Perlmutter 2003

31 Supernova Ia Hubble-Diagramm
Rotverschiebung z Riess et al

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

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

34 Zufall und Gesetz Einfachheit und Komplexität

35 Konsistentes kosmologisches Modell !

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

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

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

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

40 Kosm. Konst. | Quintessenz
statisch | dynamisch

41 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

42 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 ?

43 Quintessenz Dynamische dunkle Energie , vermittelt durch Skalarfeld
(Kosmon) Vorhersage : Ein Teil der Energie-dichte des heutigen Universums liegt als homogen verteilte ( dunkle) Energie vor. C.Wetterich,Nucl.Phys.B302(1988) B.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)L17,

44 Skalarfeld Φ (x,y,z,t) Ähnlich wie elektrisches Feld Aber : keine Richtung ist ausgezeichnet (kein Vektor )

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

46 Kosmologische Gleichungen

47 Quintessenz wird heute wichtig

48 Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden ?

49 Wieviel dunkle Energie
gab es im frühen Universum ?

50 Eigenschaften der Dunklen Energie betimmen die Zukunft des Universums
Vorhersagbarkeit für die nächsten 100 Milliarden Jahre…

51 Näher an den Urknall Je näher an den Urknall, desto höher die Temperatur und Energie der Teilchen Physik bei hohen Energien weniger gut bekannt Ab Sekunden ab : Im wesentlichen bekannte Physik (Quark Gluon Plasma wird experimentell getestet, detaillierte Eigenschaften nicht zentral für unser Bild der Kosmologie . )

52 Wir verfügen über zuverlässiges Wissen über die Entwicklung des Universums seit den ersten Sekunden !

53 Elektroschwacher Phasenübergang
Sekunden ab Physik noch nicht hinreichend bekannt. Neue Beschleuniger : LHC

54 Inflationäres Universum
Ca Sekunden ab Entstehung der primordialen Fluktuationen aus Quantenfluktuationen Signale vom Urknall !

55 Spekulative Physik .. Zusätzliche Raumdimensionen Superstringtheorien
“Kosmologie vor dem Urknall” Multiversum

56 Chancen der Verifizierung ?
Es fehlt vereinheitlichte Theorie aller Wechselwirkungen ! Dennoch : Beobachtungen geben Aufschluss über extreme frühe Epochen der kosmologischen Entwicklung !

57 Zusammenfassung Physik des Universums in wesentlichen Zügen bekannt von Sekunden ab bis 3 Milliarden Jahre ab. Vorhersagen über Zukunft benötigen quantitatives Verständnis der Dunklen Energie Frühes Universum : Elementarteilchenphysik

58 ? Ωm + X = 1 Ωm : 25% Vereinheitlichung aller Wechselwirkungen
Dunkle Energie Vereinheitlichung aller Wechselwirkungen Superstrings Zusätzliche Dimensionen Fundamentaler Ursprung der Massenskalen ?

59 Ende

60 WMAP 2006 Polarisation