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1 Der Kosmos mit dunkler Materie und dunkler Energie Wo stehen wir im Universum ? Kalte dunkle Materie (DM) Vakuum mit Energie (DE) Strukturbildung mit.

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1 1 Der Kosmos mit dunkler Materie und dunkler Energie Wo stehen wir im Universum ? Kalte dunkle Materie (DM) Vakuum mit Energie (DE) Strukturbildung mit DM + DE AIP Volker Müller

2 2 Schwarzschild-Technologiegebäude AIP Potsdam Einstein-Turmteleskop Elemente: Gravitationstheorie Galaxien und Strukturen Multiobjekt- Spektroskopie

3 3 Offener Sternhaufen M50 ca. 100 Sterne (15) Galaxie M31 mit Begleitern (Durchmesser 3°) Region des galaktischen Zentrums (60° x 40°) Lokale Sternsysteme

4 4 Planeten: Erde - Sonne: 150 Mill. Km Astron. Einheit AE 8 Lichtminuten Erde - Saturn: 10 AE 1 Lh Vergrößerung: 1 : 100 Tausend Fixsterne nahe der Sonne: 1 - Centauri (4.3 Lj entfernt) 2 - proxima Centauri 3 - Sirius Vergrößerung: 1 : 10 Tausend Milchstraße als unsere Heimat

5 5 Internationale Raumstation ISS: 340 Km Höhe Wilkinson Anisotropie Map (WMAP) Satellite: Lagrange-Punkt Mill. km von Sonne weg Astronomie vom erdnahen Raum

6 Lj = 1 Parsec (pc) Welt der Galaxien nahe Fixsterne: einige pc Nachbargalaxien: über ein Millionen Parsec (Mpc) Weltradius: Mpc Lokale Gruppe

7 7 Dunkle Materie Wo ist die dunkle Materie? Konzept ähnlich fundamental wie die Expansion des Universums Ohne dunkle Materie halten Galaxien nicht zusammen. Ohne dunkle Materie sind Galaxienhaufen Zufallsprodukte. Ohne dunkle Materie würden wir keine Gravitationslinsen beobachten!

8 8 Jan Hendrik Oort ( ) Dunkle Materie Titel: Die Kraft des Sternsystems senkrecht zur Milchstraßenebene und damit verwandte Probleme 193 2

9 9 Dunkle Materie Oort bestimmte die Massendichte in der Milchstraßeneben: 0.15 Sonnenmassen pro pc 3 und damit vergleichbar mit der Leuchtdichte Damit kaum dunkle Materie in der Milchstraßenebene (max. Anteil 50%) Oortsche Grenze in Galaxien ist Masse pro Leuchtkraft etwa konstant bemerkenswert: leuchtschwächere Sterne in Sonnenumgebung machen 75 % der Masse aus, leuchtkräftigere dagegen ca. 95 % der Leuchtkraft

10 10 Dunkle Materie Oorts Paper von 1932 war erste Bestimmung der Massendichte des Milchstraßensystems

11 11 Fritz Zwicky ( ) Messung der Masse von Sternsystemen durch relative Bewegung (viel Masse verursacht schnelle Bewegung): Paper von 1933 Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln Messung von Radialgeschwindigkeiten in Galaxienhaufen von 700 km/s DM mit einem Faktor 100 über der Leuchtkraft Dunkle Materie

12 12 bei z=0.05, d.h. ca. 100 Mpc Entfernung in Galaxiencluster der Shapley-Region Dunkle Materie

13 13 cp. Thesis Martins, Trieste, 2009 Dunkle Materie

14 14 M51 M51: radiale Komponente der Zirkulargeschwindigkeit von Gaswolken Rotationskurven von Spiralgalaxien Dunkle Materie

15 15 NGC 240 Dunkle Materie wichtig für Rotationskurven: steiler Anstieg im Zentrum und flach außen Messung des neutralen Gases Dunkle Materie

16 16 Coma-Haufen: 60 Mpc Entfernung (Boehringer) Gastemperatur ist Maß für die Masse (hydrostatisches Gleichgewicht) Einstein-Satellit XMM-Newton Röntgengas bildet DM-Verteilung ab Dunkle Materie

17 Sjurn Refsdal ( ) war Pionier in der Forschung von Gravitationslinsen als Dektektoren in der Astronomie, hier 2005 mit der Kings Medal of Merit in Gold Dunkle Materie

18 18 A1689 Broadhurst et al. Verzerrung von Hintergrundgalaxien und Doppelbilder durch dunkle Materie in Galaxienhaufen: Gravitationslinseneffekt benutzt zur Massenbestimmung in Galaxiencluster und damit zur Messung von DM Dunkle Materie

19 19 Cl0024 (HST) Verstärkung des Lichtes von fernen Galaxien Dunkle Materie

20 20 Rätselhafte Vierfachbilder: Weg zur Massenverteilung in Zentrum von Galaxien Vierfachbild des Quasars Q G. Lewis & M. Irvine Einstein-Kreuz in Zw J.Rhoads et al. Dunkle Materie

21 21 kommt aus der Massenbestimmung von Sternsystemen dunkle Halos um Galaxien: Rotationskurven Gas in Galaxienhaufen: hydrostatisches Gleichgewicht Lichtablenkung durch dichte enge Objekte: Gravitationslinsen Begriff seit etwa 1975 im Gebrauch (zuvor vermisste Materie) heute: kalte dunkle Materie = CDM Kandidaten Neutrinos (vom Beta-Zerfall): nein! häufigste Teilchen im Kosmos, aber nicht kalt Photinos (oder Axionen, Gravitinos) WIMPs über 100 mal so schwer wie Proton Braune Zwerge, Planeten, Schwarze Löcher - MACHOS nicht nachgewiesen, es gibt dafür nicht genug Baryonen Dunkle Materie

22 22 kommt aus der Messung der Expansionsrate des Universums Begriff 1999 von Michael Turner Ursprung geht auf Einsteins Erweiterung seiner Feldgleichungen 1917 zurück: kosmologische Konstante Einstein bezeichnete dies bald als größten Plunder seines Lebens Dunkle Energie Einstein, Eddington, Ehrenfest, Lorentz, deSitter: Leiden 1920

23 23 Expansion des Universums ist mit der Rotverschiebung gemessen z=1 heißt Halbierung der Abstände zwischen Galaxien Dunkle Energie Messung mit der Rotverschiebung: z=0.2 Tiefe von Rotverschiebungskatalogen von Galaxien z=1 halbes Weltalter (7 Milliarden Jahre) z=2 Maximum der Quasaraktivität ca. z=6 Rekord für Galaxien (1 Milliarde Jahre) z=1000 Tiefe des sichtbaren Universums (200 Tausend Jahre)

24 24 Dunkle Energie

25 25 Häufigkeit der Mehrfachbilder: Vakuumenergie notwendig für Lichtweg von über 7 Mrd. Lj bis Rotverschiebung z=1 Anteil der Vakuumenergie über 70%: 1. Nachweis 1992 (Carroll, Press, Turner) Einstein-Kreuz in Zw J.Rhoads et al. Dunkle Energie seit 2003: Nachweis von DE durch Grad der Verzerrung von Hintergrundgalaxien

26 26 Beobachtung einer Supernova in einer nahen wechselwirkenden Galaxie Typisch eine SN alle 50 Jahre in einer Galaxie Kosmische SN-Projekte: Überwachung einer großen Zahl von Galaxien SN1a sind explodierende Weiße Zwerge: physikalische Modellierung relativ gut möglich Dunkle Energie

27 27 Lichtkurve bestimmt absolute Helligkeit: ferne SN sind schwächer als erwartet - Raum größer durch Dunkle Energie Dunkle Energie Erwartung ohne DE mit 75% Dunkle Energie

28 28 Dunkle Energie = Vakuumenergie Otto von Guericke erzeugte 1657 Vakuum in Magdeburger Halbkugeln: Kugel von 1m Durchmesser trägt Gewicht von 10 Tonnen kein Horror Vacui nach Aristoteles Stich von Caspar Schotts

29 29 Vakuumenergie Hendrik Casimir berechnete 1948 Vakuumenergie zwischen Leiterplatten 1957 gemessen 1998 Leipzig: Symposium zur Vakuumenergie entspricht für d= 0.1 mm das fache des Luftdrucks, oder N/m 2

30 30 Vakuumenergie 1965 Zeldovich + Sacharov: Steifheit des leeren Raumes (aber kein Äther) erste Vakuumenergieberechnung durch Walter Nernst 1926 (Unschärfterelation) beobachtet: erwartet: wenn

31 31 Dunkle Energie dynamische Messung (Bahnen von astronomischen Objekten)? Beschleunigung = Gravitationsanziehung - Hubble-Expansion 2 x Abstand Vakuumenergieeffekt auf Erdbahn um Sonne: Galaxie im Cluster: 1% wirklich nur im kosmischen Rahmen zu messen kosmische Beschleunigung: Vakuumenergie 75% Materie 25%

32 32 Materie dominiert Dunkle Energie Expansion dominiert Materie und Vakuum gleichen Expansionsrate aus

33 33 3K-Photonen erreichen uns von der Zeit der letzten Streuung Dunkle Energie im 3K-Hintergrund

34 34 Blick ins frühe Universum: Antennenrauschen COBE-Satellit misst Gravitationsfeld vom Urknall WMAP misst Intensitätsverteilung und (indirekt) Geometrie des Universums Dunkle Energie

35 35 LSS Dunkle Energie 1. Messung Boomerang- Ballon (2002) am Südpol Messung der Größe von tyischen Schwankungen der Temperatur

36 36 Dunkle Energie Messung der Temperatur auf der ganzen Himmelskugel: Abbild der Zeit der letzten Streuung Harmonie der Obertöne vermißt Kosmos

37 37 Strukturbildung mit DM und DE

38 38 Jarrett et al. (2003): ca. 1 Millionen nahe Galaxien, Struktur naher Superhaufen Strukturbildung mit DM und DE

39 39 Dichtemaxima markieren 5000 Gruppen: feine Filamentstruktur Irreguläre Strukturen mit 40 Superhaufen Strukturbildung mit DM und DE

40 40 Kleine Dichteschwankungen vom Frühkosmos wachsen unter eigenen Gravitationsfeld an (Gravitationskollapse), es bilden sich anisotrope Strukturen. Die Strukturbildung verläuft von kleinen zu großen Skalen, typisch für kalte DM. Die Filamentstrukturen sind stark ausgeprägt und stabil, die kosmischen Geschwindigkeitsfelder sind gross gegen unregelmäßige Bewegungen: Beschleunigung der Expansion durch DE. density field δ(x,t)gravity field g(x,t) displaced mass peculiar velocity v(x,t) : structure forming Strukturbildung mit DM und DE

41 41 Kollaps längs einer Achse Schicht (pancake) Kollapse längs zweier Achsen Filament 3-dimensionaler Kollaps Klumpen (Halo) Strukturbildung mit DM und DE

42 42 Kompakte Gruppe HCG40 (z=0.01, Subaru) simulierte Gruppe in 20 Mpc Box, Zoom auf 1 Mpc Strukturbildung mit DM und DE

43 43 Abell-Cluster A1689 (HST) simulierter Cluster, Faltenbacher Strukturbildung mit DM und DE

44 44 simulierte Void-Region Gottlöber Strukturbildung mit DM und DE

45 45 typische Galaxien: heute Rotverschiebung z = 2 z = 3 Hubble Deep Field C. Driver Strukturbildung mit DM und DE

46 46 Leuchtkraft von Superhaufen: braucht Leistung auf grossen Skalen (DM + DE) 2DFGRS-Analyse (Benda v. Beckmann, Müller) Strukturbildung mit DM und DE = LCDM Größe von Leerräumen: braucht Beschleunigung für Bildung Baryonen- Oszillationen messen Energie des Vakuum Mare-Nostrum Simulation (Gottlöber, Wagner) Modellierung

47 47 Hobby-Eberly- Teleskop mit 9.2 m Spiegeldurchmesser (segmentiert) im Primärfokus 20 Virus-Spektrographen mit je 132 Integral Field Units VirusP seit 2007 im Test Spektrographen gebaut am AIP, Software entwickelt in Texas und München Simulationsrechungen am AIP Experiment HETDEX PI: P. Gebhardt

48 48 Experiment HETDEX Prototyp-Beobachtungen: schwach und rech deutlicher Nachweis

49 49 Vergleich der erwarteten (schwarz) und der ersten Prototypverteilung Experiment HETDEX Messempfindlichkeit unter 1%

50 50 Baryonische akustische Oszillationen: Rekonstruktion verbessert Signal um Faktor 2 Experiment HETDEX Simulationen: Wagner, Müller, Steinmetz Oszillationen (5% des Signals) sind Eigenschwingungen des kosmischen Plasmas vor der Rekombination Experiment gefördert durch Mittel im Wettbewerb: Pakt für Exzellenzförderung

51 51 Z-Cosmos Survey 2009: Kovac, Lilly et al. 1.7 deg 2 tiefe Strukturen bis einige Tausend Mpc! Strukturen bei grossen z

52 52 Strukturbildung mit DM und DE

53 53 Einladung zur Langen Nacht der Sterne ins AIP: Samstag 4. April Uhr

54 54 Dunkle Materie dominiert Strukturbildung Dunkle Energie die kosmische Entwicklung - in den ersten Sekundenbruchteilen und in den letzten Milliarden Jahren Strukturbildung mit DM und DE Wir brauchen Hilfe bei der Theorie der dunklen Energie - und bei der Beobachtung von veränderlichen Quellen! Ich wünsche Ihnen einen guten Heimweg!


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