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

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

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

3 Woraus besteht unser Universum ?

4 Feuer, Luft, Wasser, Erde ! Quintessenz !

5 Expansion des Universums Alle Längenskalen im Universum sind proportional zu kosmischem Skalenfaktor a(t) Alle Längenskalen im Universum sind proportional zu kosmischem Skalenfaktor a(t) Hubble Parameter H(t) misst "Expansionsgeschwindigkeit des Universums Hubble Parameter H(t) misst "Expansionsgeschwindigkeit des Universums Definition: Definition:

6 Kritische Dichte ρ c =3 H² M² ρ c =3 H² M² Kritische Energiedichte des Universums Kritische Energiedichte des Universums ( M : reduzierte Planck-Masse, M -2 =8 π G ; ( M : reduzierte Planck-Masse, M -2 =8 π G ; H : Hubble Parameter ) H : Hubble Parameter ) Ω b =ρ b /ρ c Ω b =ρ b /ρ c Anteil der Baryonen an der (kritischen) Energiedichte Anteil der Baryonen an der (kritischen) Energiedichte

7 Zusammensetzung des Universums Ω b = 0.045 Ω b = 0.045 Ω dm = 0.225 Ω dm = 0.225 Ω h = 0.73 Ω h = 0.73

8 ~60,000 von >300,000 Galaxien Baryonen Staub Staub Ω b =0.045 Ω b =0.045 Nur 5 Prozent unseres Universums Nur 5 Prozent unseres Universums bestehen aus bekannter Materie ! bestehen aus bekannter Materie ! SDSS

9 Abell 2255 Cluster ~300 Mpc

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11 Ω b =0.045 Von Nukleosynthese, Kosmischer Hintergrundstrahlung

12 Materie : Alles, was klumpt

13 Dunkle Materie Ω m = 0.27 Materie insgesamt Ω m = 0.27 Materie insgesamt Die meiste Materie ist dunkel ! Die meiste Materie ist dunkel ! Bisher nur durch Gravitation spürbar Bisher nur durch Gravitation spürbar Alles was klumpt! Gravitationspotential Alles was klumpt! Gravitationspotential

14 Gravitationslinse,HST

15 Lichtstrahlen werden durch Massen abgelenkt

16 Gravitationslinse,HST

17 Dunkle + baryonische Materie : Alles was klumpt ! Ω m = 0.27

18 Räumlich flaches Universum Theorie (Inflationäres Universum ) Theorie (Inflationäres Universum ) Ω tot =1.0000……….x Ω tot =1.0000……….x Beobachtung ( WMAP ) Beobachtung ( WMAP ) Ω tot =1.02 (0.02) Ω tot =1.02 (0.02) Ω tot = 1

19 Foto des Urknalls

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21 NASA/GSFC Chuck Bennett (PI) Michael Greason Bob Hill Gary Hinshaw Al Kogut Michele Limon Nils Odegard Janet Weiland Ed Wollack Princeton Chris Barnes Norm Jarosik Eiichiro Komatsu Michael Nolta UBC Mark Halpern Chicago Stephan Meyer Brown Greg Tucker UCLA Ned Wright Science Team: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe A partnership between NASA/GSFC and Princeton Lyman Page Hiranya Peiris David Spergel Licia Verde

22 Mittelwerte Ω tot =1.02 Ω m =0.27 Ω b =0.045 Ω dm =0.225

23 Ω tot =1

24 Dunkle Energie Ω m + X = 1 Ω m + X = 1 Ω m : 30% Ω m : 30% Ω h : 70% Dunkle Energie Ω h : 70% Dunkle Energie h : homogen, oft auch Ω Λ statt Ω h

25 Dunkle Energie : homogen verteilt

26 Dunkle Energie : Vorhersage: Die Expansion des Universums beschleunigt sich heute !

27 Zeit Perlmutter 2003 Abstand

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

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

31 Baryon - Peak SDSS Galaxien – Korrelations – Funktion

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

33 Konsistentes kosmologisches Modell !

34 Zusammensetzung des Universums Ω b = 0.045 sichtbar klumpt Ω b = 0.045 sichtbar klumpt Ω dm = 0.225 unsichtbar klumpt Ω dm = 0.225 unsichtbar klumpt Ω h = 0.73 unsichtbar homogen Ω h = 0.73 unsichtbar homogen

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

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

37 Kosmologische Konstante Konstante λ verträglich mit allen Symmetrien Konstante λ verträglich mit allen Symmetrien Zeitlich konstanter Beitrag zur Energiedichte Zeitlich konstanter Beitrag zur Energiedichte Warum so klein ? λ/M 4 = 10 -120 Warum so klein ? λ/M 4 = 10 -120 Warum gerade heute wichtig? Warum gerade heute wichtig?

38 Kosm. Konst. | Quintessenz statisch | dynamisch

39 Kosmologische Massenskalen Energie - Dichte Energie - Dichte ρ ~ ( 2.4×10 -3 eV ) - 4 ρ ~ ( 2.4×10 -3 eV ) - 4 Reduzierte Planck Masse M=2.44×10 18 GeV Newtons Konstante G N =(8πM²) Nur Verhältnisse von Massenskalen sind beobachtbar ! homogene dunkle Energie: ρ h /M 4 = 6.5 10ˉ¹²¹ homogene dunkle Energie: ρ h /M 4 = 6.5 10ˉ¹²¹ Materie: ρ m /M= 3.5 10ˉ¹²¹ Materie: ρ m /M 4 = 3.5 10ˉ¹²¹

40 Zeitentwicklung ρ m /M 4 ~ aˉ ³ ~ ρ m /M 4 ~ aˉ ³ ~ ρ r /M 4 ~ aˉ 4 ~ t -2 ρ r /M 4 ~ aˉ 4 ~ t -2 Strahlungsdominiertes Universum Grosses Alter kleine Grössen Grosses Alter kleine Grössen Gleiche Erklärung für dunkle Energie ? Gleiche Erklärung für dunkle Energie ? tˉ ² Materie dominiertes Universum tˉ 3/2 Strahlungsdominiertes Universum

41 Quintessenz Dynamische dunkle Energie, vermittelt durch Skalarfeld vermittelt durch Skalarfeld (Kosmon) (Kosmon) C.Wetterich,Nucl.Phys.B302(1988)668 24.9.87 B.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)L17, 20.10.87

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

43 Kosmon Skalarfeld ändert seinen Wert auch in der heutigen kosmologischen Entwicklung Skalarfeld ändert seinen Wert auch in der heutigen kosmologischen Entwicklung Potenzielle und kinetische Energie des Kosmons tragen zur Energiedichte des Universums bei Potenzielle und kinetische Energie des Kosmons tragen zur Energiedichte des Universums bei Zeitabhängige dunkle Energie : Zeitabhängige dunkle Energie : ρ h (t) fällt mit der Zeit ! ρ h (t) fällt mit der Zeit !

44 Kosmon Winzige Masse Winzige Masse m c ~ H m c ~ H Neue langreichweitige Wechselwirkung Neue langreichweitige Wechselwirkung

45 Fundamentale Wechselwirkungen Starke,elektromagnetische,schwache Wechselwirkung GravitationKosmodynamik Auf astronomischen Skalen: Graviton + Kosmon

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

47 Evolution des Kosmonfelds Feldgleichung Feldgleichung Potenzial V(φ) bestimmt Details des Modells Potenzial V(φ) bestimmt Details des Modells z.B. V(φ) =M 4 exp( - φ/M ) z.B. V(φ) =M 4 exp( - φ/M ) Für wachsendes φ fällt Potenzial gegen Null 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 Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden ?

52 Zeitabhängigkeit der dunklen Energie Kosmologische Konstante : Ω h ~ t² ~ (1+z) -3 M.Doran,…

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54 Dunkle Energie im frühen Universum : unter 10 %

55 Wie unterscheidet man Q von Λ ? A) Messung Ω h (z) H(z) Ω h (z) zur Zeit der Ω h (z) zur Zeit der Strukturbildung, CMB - Emission Strukturbildung, CMB - Emission oder Nukleosynthese oder Nukleosynthese B) Zeitvariation der fundamentalen Konstanten

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

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

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

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

60 wenn jetzige Messung von 4 He bestätigt: Δα/α ( z=10 10 ) = -1.0 10 -3 GUT 1 Δα/α ( z=10 10 ) = -2.7 10 -4 GUT 2 C.Mueller,G.Schaefer,…

61 Variation der Feinstrukturkonstanten als Funktion der Rotverschiebung Webb et al Srianand et al

62 Variation der Feinstrukturkonstanten Drei unabhängige Datensätze von Keck/HIRES Drei unabhängige Datensätze von Keck/HIRES Δ α/α = - 0.54 (12) 10 -5 Δ α/α = - 0.54 (12) 10 -5 Murphy,Webb,Flammbaum, june 2003 Murphy,Webb,Flammbaum, june 2003 VLT VLT Δ α/α = - 0.06 (6) 10 -5 Δ α/α = - 0.06 (6) 10 -5 Srianand,Chand,Petitjean,Aracil, feb.2004 Srianand,Chand,Petitjean,Aracil, feb.2004 z 2

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

64 Παντα ρει Kommt der Äther, in Form des Kosmonfelds, wieder zurück? Alles fliesst

65 Kosmodynamik Kosmon vermittelt neue langreichweitige Wechselwirkung : fünfte Kraft Kosmon vermittelt neue langreichweitige Wechselwirkung : fünfte Kraft Reichweite : Grösse des Universums – Horizont Reichweite : Grösse des Universums – Horizont Stärke : schwächer als Gravitation Stärke : schwächer als Gravitation Photon Elektrodynamik Photon Elektrodynamik Graviton Gravitation Graviton Gravitation Kosmon Kosmodynamik Kosmon Kosmodynamik Kleine Korrekturen zum Gravitationsgesetz

66 Verletzung des Äquivalenzprinzips Verschiedene Kopplung des Kosmons an Proton und Neutron Körper mit gleicher Masse fallen nicht exakt gleich schnell ! Scheinbare Verletzung des Äquivalenzprinzips Erde p,n Kosmon

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

68 Zusammenfassung o Ω h = 0.7 o Q/Λ : dynamische und statische dunkle Energie unterscheidbar dunkle Energie unterscheidbar o Q : zeitlich veränderliche fundamentale Kopplungen, fundamentale Kopplungen, Verletzung des Äquivalenzprinzips Verletzung des Äquivalenzprinzips

69 ???????????????????????? 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 ?

70 Die Antwort der Künstlerin … Laura Pesce

71 Ende