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, M.Bartelmann, K.Karwan,G.Robbers

3 Woraus besteht unser Universum ?

4 Quintessenz ! Feuer , Luft, Wasser, Erde !

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

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

8 Abell 2255 Cluster ~300 Mpc

9

10 Ωb=0.045 Von Nukleosynthese, Kosmischer Hintergrundstrahlung

11 Materie : Alles , was klumpt

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

13 Gravitationslinse,HST

14 Lichtstrahlen werden durch Massen abgelenkt

15 Gravitationslinse,HST

16 Dunkle + baryonische Materie : Alles was klumpt !

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

18 Foto des Urknalls

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20 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

21 Mittelwerte WMAP 2003 Ωtot =1.02 Ωm =0.27 Ωb =0.045 Ωdm =0.225

22 Ωtot=1

23 WMAP 2006 Polarisation

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

25 Dunkle Energie : homogen verteilt

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

27 Zeit Abstand Perlmutter 2003

28 Supernova Ia Hubble-Diagramm
Rotverschiebung z Riess et al

29 Fluktuations-Spektrum Baryon - Peak
Galaxien – Korrelations – Funktion Strukturbildung : Ein primordiales Fluktuations-Spektrum SDSS

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

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

32 Baryon - Peak SDSS Galaxien – Korrelations – Funktion

33 Konsistentes kosmologisches Modell !

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

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

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

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

38 Kosm. Konst. | Quintessenz
statisch | dynamisch

39 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

40 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 ?

41 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,

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

43 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 !

44 Kosmon Winzige Masse mc ~ H Neue langreichweitige Wechselwirkung

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

46 Homogenes und isotropes Universum
φ(x,t)=φ(t) Homogenes Kosmonfeld Homogener Beitrag zur Energiedichte Dynamische Dunkle Energie !

47 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

48 Kosmologische Gleichungen

49 Details der Modelle hängen von Potenzial V(φ) ab

50 Quintessenz wird heute wichtig

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

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

53 Negativer Druck

54 Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden ?

55 Zeitabhängigkeit der dunklen Energie
w=p/ρ Kosmologische Konstante : Ωh ~ t² ~ (1+z)-3 M.Doran,…

56 Dunkle Energie im frühen Universum : unter 10 %

57 Zunehmende Wichtigkeit der
Dunklen Energie Vorhersage: Die Expansion des Universums beschleunigt sich heute ! wh < - 1/3

58 Effekte früher dunkler Energie Strukturwachstum wird verlangsamt

59 Grenzen für frühe dunkle Energie nach WMAP’06 G.Robbers,M.Doran,…

60 Interpolation von Ωh

61 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”

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

63 Sind fundamentale “Konstanten” zeitabhängig ?
Feinstrukturkonstante α (elektrische Ladung) Verhältnis Neutron-Masse zu Proton-Masse Verhältnis Nukleon-Masse zu Planck-Masse

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

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

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

67 Variation der Li- Häufigkeit
gegenwärtige Beobachtungen: 1σ He D Li T.Dent, S.Stern,…

68 drei GUT Modelle Vereinheitlichungs-Skala ~ Planck Masse
1) Alle Massen der Teilchenphysik ~ΛQCD 2) Fermi Skala und Fermion-Massen ~ Vereinheitlichungs-Skala 3) Fermi Skala ändert sich schneller als ΛQCD Δα/α ≈ erlaubt für GUT 1 und 3 , grösser für GUT 2 Δln(Mn/MP) ≈40 Δα/α ≈ erlaubt

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

70 Zusammenfassung Ωh = 0.75 Q/Λ : dynamische und statische
dunkle Energie unterscheidbar Q : zeitlich veränderliche “fundamentale Kopplungen” , Verletzung des Äquivalenzprinzips

71 ???????????????????????? 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 ?

72

73 Quintessenz sollte mit Lösung des Problems der kosmologischen Konstante verknüpft sein !

74 Kosmon und Fundamentale Massen - Skalen
Annahme : Alle Parameter mit Dimension Masse sind proportional zu Skalar - Feld χ (GUTs, Superstrings,…) Mp ~ χ , mproton~ χ , ΛQCD~ χ , MW~ χ χ kann sich mit der Zeit ändern mproton/M : ( fast ) konstant - Beobachtung ! Nur Verhältnisse von Massenskalen sind beobachtbar !

75 Dilatations – symmetrische Gravitationstheorie
Lagrange Dichte: Dilatations - Symmetrie für Konforme Symmetrie für δ=0

76 Dilatations Anomalie V~χ4-A , Mp(χ )~ χ V/Mp4 ~ χ-A :
fällt für wachsendes χ !!

77 Kosmologie Kosmologie : χ wächst mit der Zeit !
( Grund: Kopplung von χ zum gravitationellen Krümmungs - Skalar ) Für wachsendes χ : Das Verhältnis V/M4 tendiert zu Null ! Effektive kosmologische Konstante verschwindet asymptotisch für große t !

78 Weyl Reskalierung Keine zusätzliche Konstante !
Weyl Reskalierung : gμν→ (M/χ)2 gμν , φ/M = ln (χ 4/V(χ)) Exponentielles Potenzial : V = M4 exp(-φ/M) Keine zusätzliche Konstante !

79 ???????????????????????? 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 ?

80 Die Antwort der Künstlerin …
Laura Pesce

81 Ende

82 Dilatations Anomalie Quanten - Fluktuationen führen zu
Laufende Kopplungen : Hypothese Renormierungs-Skala μ : (Impuls-Skala ) λ~(χ/μ) -A

83 Grundlage für Kosmologie
Graviton + Kosmon

84 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

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

86 Differentielle Beschleunigung η
Für vereinheitlichte Theorien ( GUT ) : Q : Zeitabhängigkeit anderer Parameter

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

88 Akustischer Peak in Galaxien -Korrelationsfunktion
Geometrischer Test für Dunkle Energie Bei Aussenden der Hintergrundstrahlung : Baryonen und Photonen sind gekoppelt Lineare Störungstheorie : Akustischer Peak bleibt im Spektrum der Baryon – Fluktuationen Lage des Peaks : Test für Verhältnis der Skalen bei z =0.35 und z=1089 Konsistent mit Dunkler Energie : Ωm=0.27(3)

89 coincidence problem What is responsible for increase of Ωh for z < 10 ?

90 a) Properties of cosmon potential or kinetic term
Late quintessence w close to -1 Ωh negligible in early cosmology needs tiny parameter, similar to cosmological constant Early quintessence Ωh changes only modestly w changes in time transition special feature in cosmon potential or kinetic term becomes important “now” tuning at ‰ level

91 Dynamics of quintessence
Cosmon j : scalar singlet field Lagrange density L = V + ½ k(φ) ¶j ¶j (units: reduced Planck mass M=1) Potential : V=exp[-j] “Natural initial value” in Planck era j=0 today: j=276 models characterized by “kinetial” k(φ)

92 attractor solutions Small almost constant k : Small almost constant Ωh
This can explain tiny value of Dark Energy ! Large k : Cosmon dominated universe ( like inflation )

93 Transition to cosmon dominated universe
Large value k >> 1 : universe is dominated by scalar field k increases rapidly : evolution of scalar fied essentially stops Realistic and natural quintessence: k changes from small to large values after structure formation

94 b) Quintessence reacts to some special event in cosmology
Onset of matter dominance K- essence Amendariz-Picon, Mukhanov, Steinhardt needs higher derivative kinetic term Appearance of non-linear structure Back-reaction effect needs coupling between Dark Matter and Dark Energy