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Veröffentlicht von:Gundula Gilbert Geändert vor über 10 Jahren
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Dunkle Materie Dunkle Materie von Hendrik Glowatzki
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Wiederholung: Kosmologische Dichte
mittlere Dichte im Weltall - kritische Dichte -
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einige exemplarische Ergebnisse
Dynamik von Clustern und Superclustern: 0,1 < < 0,3 Fluchtgeschwindigkeitsfelder: 0,25 < < 2 Baryonische Dichte über Luminosität: b < 0,03 Dunkle Materie?
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nur etwa 3% sind gewöhnliche (baryonische) Materie!
Aufteilung Heutige Annahme: 70% dunkle Energie 30% Materie 90% dunkle Materie 10% gewöhnliche Materie nur etwa 3% sind gewöhnliche (baryonische) Materie!
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Übersicht Hinweise Kandidaten Experimenteller Nachweis
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Hinweise auf dunkle Materie
Rotationskurven von Spiralgalaxien Elliptische Galaxien Dynamik von Galaxienhaufen Hinweise aus Kosmologie
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Rotationskurven von Spiralgalaxien
Rotationsgeschwindigkeit eines Sternes?
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Berechnung allgemein Stabile Kreisbahn:
Mr – Gesamtmasse innerhalb Radius r
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konkrete Berechnung innerhalb: kugelförmiger „bulge“
außerhalb: Gesamtmasse
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Bild von Theorie
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Experimentell experimentell: ! Sphärischer Halo aus dunkler Materie?
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Elliptische Galaxien
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Leuchtkraft zu Masse Verhältnis liegt um 2 Größenordnungen
Gashalo Röntgenabsorption: Gashalos mit 107 K Gasmoleküle lägen über Fluchtgeschwindigkeit Leuchtkraft zu Masse Verhältnis liegt um 2 Größenordnungen über dem der Sonne Dunkle Materie?
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Dynamik von Galaxienhaufen
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Virialsatz Virialsatz: mit und
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Messung Dunkle Materie? Messung: Masse liegt 2 Größenordnungen höher
als von Leuchtkraft zu Masse berechnetem Wert Dunkle Materie?
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Hinweise aus der Kosmologie
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Flachheitsproblem Inflation! Flachheitsproblem:
Heutiges Universum extrem flach Muss früher noch viel flacher gewesen sein Warum war das Universum so flach? Inflation! erfordert = 1
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Galaxienentstehung Galaxienentstehung:
Galaxien aus Dichteinhomogenitäten entstanden Strahlung und Materie bei 3000 K entkoppelt Dichteinhomogenitäten erst später entstanden Zeit reicht nicht zur Bildung heutiger Strukturen Massive Teilchen, die früher entkoppelten und Kondensationskeime bildeten?
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Kandidaten Alternativen Baryonische dunkle Materie
Nicht-baryonische dunkle Materie
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Alternativen Kosmologische Konstante : Dunkle Energie
Einstein: für statisches Universum eingeführt Nach Entdeckung der Expansion meist = 0 Heute: als Energiedichte des Vakuums Dunkle Energie Zeitabhänge Gravitationskonstante: G(t) hätte anderes b zur Folge Aber: Keine Energieerhaltung !!!
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(modified Newtionian dynamics)
MOND-Theorie MOND-Theorie: (modified Newtionian dynamics) Annahme: Gravitationsgesetzt nicht universell gültig
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Baryonische Dunkle Materie
Gewöhnliche baryonische Materie MACHO’s (Massive Compact Halo Objekts)
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Braune Zwerge Braune Zwerge:
Objekte mit kleiner Masse Keine Kernfusion z.B. Planeten Mangelnde Kenntnis über Entstehung Weiße Zwerge, Neutronensterne, schwarze Löcher: Endprodukte eine Sternenlebens Materie teilweise wiederverwendet Leichte Sterne größere Lebensdauer als Universumalter
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Nicht-baryonische dunkle Materie
WIMP’s (weakly interacting massive particles) COBE und QDOT IRAS: 30% heiße und 70% kalte dunkle Materie
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Heiße dunkle Materie Leichte Neutrinos:
Vorteil: leichte Neutrinos bekannt bereits geringe Masse hätte gravierende Auswirkung auf Dynamik des Universums Neutrinos haben bei T= 1010 K entkoppelt heiße dunkle Materie
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Kalte dunkle Materie Schwere Neutrinos: Axionen:
Theoretisch mögliche Teilchen Bei Entkopplung bereits nicht-relativistisch kalte dunkle Materie Axionen: hypothetische Teilchen aus Symmetriebrechung im starken CP-Problem Axion-Hintergrundfeld
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Supersymmetrische Teilchen
hypothetische Teilchen aus Supersymmetrie Boson-Fermion-Symmetrie nur schwache Wechselwirkung Mögliche SUSY-Teilchen für dunkle Materie: Photino, Higgsino, Zino, sNeutrino, Gravitino Bislang kein Nachweis ( Beschleunigerexperimente)
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Topologische Defekte in der Raumzeit:
Annahme: Ende des frühen Universums fand Symmetriebrechung statt Bildung von Raumdomänen mit unterschiedlichen Ausrichtungen an Grenzflächen Entstehung von topologischen Defektstellen z.B. Magnetische Monopole, kosmische Strings
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Nachweis MACHO‘s Axionen WIMP‘s
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MACHO-Nachweis Gravitationslinsen:
allgemeine Relativitätstheorie Gravitationslinseneffekt Winkelabstand Masse der Linse
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Microlensing Microlensing:
Abbilder aus Gravitationslinseneffekt so dicht beieinander, dass nicht mehr unterscheidbar Modifikation + Verstärkung der Bilder, wegen Bündelung des Lichtes von größerem Winkelbereich Merkmale: hohe Lichtverstärkung symmetrische Lichtkurve Veränderung ist achromatisch statistisch nur 1 Ereignis pro Stern
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Das MACHO-Projekt Teleskop in Australien scannt Himmel mit CCD
seit Beginn 1992: einige Ereignisse in LMC und in Zentrum der Milchstraße - etwa halbe Sonnenmasse - Objektart nicht sicher - reicht nicht zur Erklärung
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geringe Anzahl an Ereignissen
Axionnachweis geringe Anzahl an Ereignissen Masse von 10-5 bis 10-3 eV
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Versuch 1 Versuch 1:
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Versuch 2 Versuch 2:
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WIMP-Nachweis Nachweis der Rückstoßenergie
bei Wechselwirkung mit Atomkern
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Tieftemperaturmethoden
Supraleitende Spule knapp unterhalb der Sprungtemperatur Auftreffen von einem WIMP Rückstoßenergie zerstört Cooper-Paare messbares Spannungssignal
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kalorimetrische Messung
Rückstoßenergie ER=Q kleines Q großes T
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Phononmessung Messung der Phononen
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Ionisation in Halbleiterzählern
Empfindlichkeit bis zu sehr großen Massen Rückstoßkern erzeugt Elektron-Loch-Paare Stromstoß Spinunabhängig: 76Ge Spinabhängig: 73Ge Si-Halbleiterzähler für den Nachweis leichterer Teilchen
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DAMA (Dark Matter Search) NaI-Detektor in Gran Sasso
Abschirmung: 1400m Gestein WIMP‘s sammeln sich wegen Gravitations-WW in Zentrum der Milchstraße erwarten jahreszeitlich schwankende Ereignisrate wegen der Bewegung der Erde um die Sonne
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Ergebnisse ein solches Signal wurde als 3 prozentige Schwankung der Wechselwirkungsrate gefunden WIMP‘s mit 60 GeV? Für höhere Nachweisgenauigkeit ist Rauschen noch zu groß
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(Cryogenic Dark Matter Search)
CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) Germanium-Detektor in alter Mine in USA - Rückstoßenergie über Temperaturerhöhung bestimmt Untergrund kann von WIMP-Ereignissen durch die zusätzliche Messung der Phononen effizienter unterschieden werden erste Messungen scheinen Ergebnisse von DAMA zu widerlegen
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Zusammenfassung Universum scheint aus einem „Cocktail“ von Bestandteilen zu bestehen: Neben der dunklen Energie dominiert die nicht-baryonische Materie, welche sich vornehmlich aus kalter dunkler Materie mit einem „Schuss“ Neutrinos zusammensetzt. Die uns bekannte baryonische Materie stellt nur einen Bruchteil des gesamten Universums dar. Durch Erhöhung der Empfindlichkeit ( mehr Detektormasse) und bessere Unterdrückung des Untergrundes ( mehr Schirmung) sollen die Experimente in Zukunft mehr und genauere Daten liefern. ,,If it's not DARK, it doesn't MATTER.“ Anonymus
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Literatur H.V.Klapdor-Kleingrothaus/A.Staudt „Teilchenphysik ohne Beschleuniger“ H.V.Klapdor-Kleingrothaus/K.Zuber „Teilchenastronomie“ Spektrum der Wissenschaft „Gravitation“ C.Grupen „Astroteilchenphysik“ Internet
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