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

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

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Präsentation zum Thema: "Dunkle Energie – Ein kosmisches Raetsel Dunkle Energie- ein kosmisches Rätsel."—  Präsentation transkript:

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

2 Woraus besteht unser Universum ? Quintessenz ! Feuer, Luft, Wasser, Erde !

3 Dunkle Energie dominiert das Universum Energie - Dichte im Universum Energie - Dichte im Universum = Materie + Dunkle Energie Materie + Dunkle Energie 30 % + 70 % 30 % + 70 %

4 Was ist Dunkle Energie ?

5 Abell 2255 Cluster ~300 Mpc Materie : Alles was klumpt

6

7 Materie Materie Alles was klumpt! Gravitationspotential Alles was klumpt! Gravitationspotential Materie kann durch Gravitationsanziehung gemessen werden ! Materie kann durch Gravitationsanziehung gemessen werden ! Die meiste Materie ist dunkel ! Die meiste Materie ist dunkel ! Dunkle Materie bisher nur durch Gravitation spürbar Dunkle Materie bisher nur durch Gravitation spürbar

8 Gravitationslinse,HST

9 Energiedichte in Materie gemessen Was ist Anteil ? Benötigt : Gesamtenergiedichte

10 Gesamte Energie – Dichte : gemessen durch Anisotropie der kosmischen Hintergrund - Strahlung

11 Kritische Dichte ρ c =3 H² M² ρ c =3 H² M² Kritische Energiedichte Kritische Energiedichte des Universums des Universums M : reduzierte Planck-Masse, M : reduzierte Planck-Masse, G : Newtonsche Gravitationskonstante G : Newtonsche Gravitationskonstante M -2 =8 π G M -2 =8 π G Ω m =ρ m /ρ c Ω m =ρ m /ρ c Anteil der Materie an der (kritischen) Energiedichte Anteil der Materie an der (kritischen) Energiedichte

12 Kleinste und größte Länge H Lichtjahre Größe unseres Universums Größe unseres Universums M -1 = cm : Planck – Länge Kosmologie und Elementar-Teilchenphysik

13 Zusammensetzung des Universums Baryonen Ω b = 4.5 % sichtbar klumpt Ω b = 4.5 % sichtbar klumpt Dunkle Materie Ω dm = 22 % unsichtbar klumpt Ω dm = 22 % unsichtbar klumpt Dunkle Energie Ω h = 73 % unsichtbar homogen Ω h = 73 % unsichtbar homogen

14 Gesamte Energie – Dichte : gemessen durch Anisotropie der kosmischen Hintergrund - Strahlung

15 Foto des Urknalls : Ω tot =1 WMAP

16 Ω tot =1

17 Gravitationslinse,HST Ω m = 0.3

18 Dunkle Energie : klumpt nicht - homogen im Raum verteilt Ω m + X = 100 % Ω m + X = 100 % Ω m : 30% klumpt Ω m : 30% klumpt Ω h : 70% Dunkle Energie Ω h : 70% Dunkle Energie h : homogen

19 Raum zwischen den Klumpen ist nicht leer : Dunkle Energie !

20 Dunkle Energie ist völlig gleichförmig über den Raum verteilt überall gleich viel homogen Übt keine Kraft auf Teilchen aus – Wohin sollte sie ziehen ? Dunkle Energie ist völlig gleichförmig über den Raum verteilt überall gleich viel homogen Übt keine Kraft auf Teilchen aus – Wohin sollte sie ziehen ?

21 Zwei wichtige Vorhersagen Die Expansion des Universums beschleunigt sich heute ! Strukturbildung : Ein primordiales Fluktuationsspektrum

22 Was ist die Dunkle Energie ? Kosmologische Konstante oder Quintessenz ?

23 Kosmologische Konstante Konstante λ verträglich mit allen Symmetrien (Einstein) Konstante λ verträglich mit allen Symmetrien (Einstein) Zeitlich konstanter Beitrag zur Energiedichte Zeitlich konstanter Beitrag zur Energiedichte Warum so klein ? λ/M 4 = Warum so klein ? λ/M 4 = Warum gerade heute wichtig? Warum gerade heute wichtig?

24 Kosmologische Konstante : statisch Quintessenz : dynamisch

25 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

26 Kosmologische Konstante : statisch Quintessenz : dynamisch homogene dunkle Energie: ρ h /M 4 = ˉ¹²¹ Materie: ρ m /M= ˉ¹²¹ Materie: ρ m /M 4 = ˉ¹²¹

27 Einsteins Vereinheitlichung von Raum und Zeit (spezielle Relativitätstheorie ) Was von der Zeit abhängt, kann auch vom Raum abhängen ! Feld Feld

28 Quintessenz C.Wetterich,Nucl.Phys.B302(1988) B.Ratra,P.J.E.Peebles,ApJ.Lett.325(1988)L17, Kosmon – Feld φ(x,y,z,t) Kosmon – Feld φ(x,y,z,t) ähnlich elektrisches Feld, aber keine Richtung ( Skalarfeld ) Homogenes und isotropes Universum : φ(x,y,z,t)=φ(t) Potenzielle und kinetische Energie des Kosmon - Felds tragen zu dynamischer Energiedichte des Universums bei

29 Fünfte Kraft Starke,elektromagnetische,schwache Wechselwirkung GravitationKosmodynamik Auf astronomischen Skalen: Graviton + Kosmon

30 Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden ?

31 Zeitabhängigkeit der dunklen Energie Kosmologische Konstante : Ω h ~ t² ~ (1+z) -3 M.Doran,… Dunkle Energie im frühen Universum : unter 10 %

32 Hängen fundamentale Parameter von der Zeit ab ?

33 Quintessenz und Zeitabhängigkeit der fundamentalen Konstanten Proton – Masse, Elektron - Masse : keine festen Konstanten ! keine festen Konstanten ! Verhältnis m p /m e hängt vom Wert des Kosmon Felds ab ! Zeitentwicklung von φ Zeitentwicklung von m p /m e Zeitentwicklung von m p /m e Jordan

34 Hatten Kopplungskonstanten im frühen Universum andere Werte ? Ja !

35 Standard – Modell der elektroschwachen Wechselwirkung : Higgs - Mechanismus Die Massen aller fundamentalen Fermionen und Eichbosonen sind proportional zum Vakuum- Erwartungswert eines Skalarfelds φ H ( Higgs Skalar ) Die Massen aller fundamentalen Fermionen und Eichbosonen sind proportional zum Vakuum- Erwartungswert eines Skalarfelds φ H ( Higgs Skalar ) Für Elektron, Quarks, W- und Z- Bosonen gilt Für Elektron, Quarks, W- und Z- Bosonen gilt m Elektron = h Elektron * φ H etc. m Elektron = h Elektron * φ H etc.

36 Restoration der Symmetrie bei hohen Temperaturen im frühen Universum Hohe T SYM =0 =0 Niedrige T SSB =φ 0 0 =φ 0 0 hohe T : weniger Ordung mehr Symmetrie Beispiel:Magnete

37 Im heissen Plasma des frühen Universums : ähnliche Stärke der schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkung !

38

39 Zusammenfassung Der Wert von Massenverhältnissen und Kopplungskonstanten hängt vom Zustand ab ! Nicht ein für alle mal gegeben !

40 Nukleosynthese : die Urchemie Kochen der leichten Elemente He, Li, etc aus Protonen und Neutronen Bestimmung von Ω b =0.045 : Von Nukleosynthese, Kosmischer Hintergrundstrahlung Wie stark hängen fundamentale Parameter von der Zeit ab ?

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

42 Zeitvariation der fundamentalen Konstanten ist winzig – wäre aber von großer Bedeutung ! Mögliches Signal für Quintessenz Παντα ρει Alles fliesst

43 Fallen alle Körper gleich schnell ?

44 Äquivalenzprinzip Galileo Galilei : Alle Körper fallen gleich schnell ! Schiefer Turm zu Pisa Galileo Galilei : Alle Körper fallen gleich schnell ! Schiefer Turm zu Pisa Newton : Körper gleicher Masse unterliegen der gleichen Erdbeschleunigung, unabhängig von ihrer Zusammensetzung Newton : Körper gleicher Masse unterliegen der gleichen Erdbeschleunigung, unabhängig von ihrer Zusammensetzung Einstein : Äquivalenzprinzip als Grundlage der Gravitation ( Allgemeine Relativitätstheorie ) Einstein : Äquivalenzprinzip als Grundlage der Gravitation ( Allgemeine Relativitätstheorie ) Grundlage wichtiger Techniken : GPS, … Grundlage wichtiger Techniken : GPS, …

45 Kosmodynamik Kosmon vermittelt neue langreichweitige Wechselwirkung 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

46 Scheinbare Verletzung des Äquivalenzprinzips Verschiedene Kopplung des Kosmons an Proton und Neutron Verschiedene Kopplung des Kosmons an Proton und Neutron Differentielle Beschleunigung η : Differentielle Beschleunigung η : Differenz der Beschleunigung zweier Körper mit gleicher Masse / Summe der Beschleunigungen Erde p,n Kosmon Körper mit gleicher Masse aber verschiedener Zusammensetzung fallen nicht gleich schnell zur Erde !

47 Verknüpfung zwischen Zeitabhängigkeit von α und Verletzung des Äquivalenzprinzips differentielle Beschleunigung η typisch : η = MICROSCOPE – Satelliten-Mission

48 Zusammenfassung o Ω h : 70 % des Universums besteht aus Dunkler Energie Dunkler Energie o Q/Λ : dynamische und statische dunkle Energie unterscheidbar dunkle Energie unterscheidbar o Q : zeitlich veränderliche fundamentale Kopplungen, fundamentale Kopplungen, scheinbare Verletzung des Äquivalenzprinzips scheinbare Verletzung des Äquivalenzprinzips

49 ???????????????????????? 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 ?

50 Die Antwort der Künstlerin … Laura Pesce

51 Ende

52 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

53 Quintessenz wird heute wichtig


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