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Dunkle Energie – Ein kosmisches Raetsel Urknall und Dunkle Energie- über Anfang und Ende des Universums.

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Präsentation zum Thema: "Dunkle Energie – Ein kosmisches Raetsel Urknall und Dunkle Energie- über Anfang und Ende des Universums."—  Präsentation transkript:

1 Dunkle Energie – Ein kosmisches Raetsel Urknall und Dunkle Energie- über Anfang und Ende des Universums

2 Expansion des Universums Der Raum zwischen den Galaxienhaufen dehnt sich aus. Der Raum zwischen den Galaxienhaufen dehnt sich aus. Früher war das Universum dichter, Früher war das Universum dichter, … und heisser. … und heisser. Zurückverfolgung der Einsteinschen kosmologischen Gleichungen : Zurückverfolgung der Einsteinschen kosmologischen Gleichungen : Urknall, extrem heisser Feuerball ! Urknall, extrem heisser Feuerball ! Bis ca Jahre nach dem Urknall : heisses Plasma aus Protonen, Elektronen und Strahlung Bis ca Jahre nach dem Urknall : heisses Plasma aus Protonen, Elektronen und Strahlung

3 Signale des Urknalls Hintergrundstrahlung Hintergrundstrahlung Fiat lux ( Jahre nach Urknall) Fiat lux ( Jahre nach Urknall) Primordiale Elementsynthese (Nucleosynthese) Primordiale Elementsynthese (Nucleosynthese) Beginn der Chemie ( 10 Minuten ab ) Beginn der Chemie ( 10 Minuten ab )

4 A.Coc Primordiale Häufigkeiten der leichten Elemente aus der Nukleosynthese Baryondichte WMAP

5 Präzise Bestätigung unseres Verständnisses der Physik und Kosmologie Beispiel : auch vor 13.7 Milliarden Jahren hatten die Konstanten der Physik die ( fast ) gleichen Werte

6 typische mögliche Werte der Variation der Feinstrukturkonstanten: Δα/α ( z=10 10 ) = GUT 1 Δα/α ( z=10 10 ) = GUT 2 C.Mueller,G.Schaefer,…

7 Ω b =4.5 % Aus Nukleosynthese, Kosmischer Hintergrundstrahlung Anteil der Atome an der Energiedichte des Universums

8 ~60,000 von >300,000 Galaxien Baryonen/Atome 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

10

11 Woraus besteht unser Universum ?

12 Feuer, Luft, Wasser, Erde ! Quintessenz !

13 Zusammensetzung des Universums Ω b = 0.05 Ω b = 0.05 Ω dm = 0.2 Ω dm = 0.2 Ω h = 0.75 Ω h = 0.75

14 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

15 Materie : Alles, was klumpt

16 Dunkle Materie Ω m = 0.25 Materie insgesamt Ω m = 0.25 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

17 Gravitationslinse,HST

18 Lichtstrahlen werden durch Massen abgelenkt

19 Gravitationslinse,HST

20 Dunkle + baryonische Materie : Alles was klumpt ! Ω m = 0.25

21 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

22 Foto des Urknalls

23

24 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

25 Mittelwerte Ω tot =1.02 Ω m =0.27 Ω b =0.045 Ω dm =0.225 Anisotropie der Hintergrundstrahlung 10 o 1 o Winkel

26 Ω tot =1

27 Dunkle Energie Ω m + X = 1 Ω m + X = 1 Ω m : 25% Ω m : 25% Ω h : 75% Dunkle Energie Ω h : 75% Dunkle Energie h : homogen, oft auch Ω Λ statt Ω h

28 Dunkle Energie : homogen verteilt

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

30 Zeit Perlmutter 2003 Abstand

31 Supernova Ia Hubble-Diagramm Riess et al Rotverschiebung z

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

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

34 Zufall und Gesetz Einfachheit und Komplexität

35 Konsistentes kosmologisches Modell !

36 Zusammensetzung des Universums Ω b = 0.05 sichtbar klumpt Ω b = 0.05 sichtbar klumpt Ω dm = 0.2 unsichtbar klumpt Ω dm = 0.2 unsichtbar klumpt Ω h = 0.75 unsichtbar homogen Ω h = 0.75 unsichtbar homogen

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

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

39 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 = Warum so klein ? λ/M 4 = Warum gerade heute wichtig? Warum gerade heute wichtig?

40 Kosm. Konst. | Quintessenz statisch | dynamisch

41 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 = ˉ¹²¹ homogene dunkle Energie: ρ h /M 4 = ˉ¹²¹ Materie: ρ m /M= ˉ¹²¹ Materie: ρ m /M 4 = ˉ¹²¹

42 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

43 Quintessenz Dynamische dunkle Energie, Dynamische dunkle Energie, vermittelt durch Skalarfeld vermittelt durch Skalarfeld (Kosmon) (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,

44 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 )

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

46 Kosmologische Gleichungen

47 Quintessenz wird heute wichtig

48 Wie kann man Quintessenz von kosmologischer Konstanten unterscheiden ?

49 Wieviel dunkle Energie gab es im frühen Universum ?

50 Eigenschaften der Dunklen Energie betimmen die Zukunft des Universums Vorhersagbarkeit für die nächsten 100 Milliarden Jahre…

51 Näher an den Urknall Je näher an den Urknall, desto höher die Temperatur und Energie der Teilchen Je näher an den Urknall, desto höher die Temperatur und Energie der Teilchen Physik bei hohen Energien weniger gut bekannt Physik bei hohen Energien weniger gut bekannt Ab Sekunden ab : Im wesentlichen bekannte Physik Ab Sekunden ab : Im wesentlichen bekannte Physik (Quark Gluon Plasma wird experimentell getestet, detaillierte Eigenschaften nicht zentral für unser Bild der Kosmologie. ) (Quark Gluon Plasma wird experimentell getestet, detaillierte Eigenschaften nicht zentral für unser Bild der Kosmologie. )

52 Wir verfügen über zuverlässiges Wissen über die Entwicklung des Universums seit den ersten Sekunden !

53 Elektroschwacher Phasenübergang Sekunden ab Sekunden ab Physik noch nicht hinreichend bekannt. Physik noch nicht hinreichend bekannt. Neue Beschleuniger : LHC Neue Beschleuniger : LHC

54 Inflationäres Universum Ca Sekunden ab Ca Sekunden ab Entstehung der primordialen Fluktuationen Entstehung der primordialen Fluktuationen aus Quantenfluktuationen aus Quantenfluktuationen Signale vom Urknall ! Signale vom Urknall !

55 Spekulative Physik.. Zusätzliche Raumdimensionen Zusätzliche Raumdimensionen Superstringtheorien Superstringtheorien Kosmologie vor dem Urknall Kosmologie vor dem Urknall Multiversum Multiversum

56 Chancen der Verifizierung ? Es fehlt vereinheitlichte Theorie aller Wechselwirkungen ! Es fehlt vereinheitlichte Theorie aller Wechselwirkungen ! Dennoch : Beobachtungen geben Aufschluss über extreme frühe Epochen der kosmologischen Entwicklung ! Dennoch : Beobachtungen geben Aufschluss über extreme frühe Epochen der kosmologischen Entwicklung !

57 Zusammenfassung Physik des Universums in wesentlichen Zügen bekannt von Sekunden ab bis 3 Milliarden Jahre ab. Physik des Universums in wesentlichen Zügen bekannt von Sekunden ab bis 3 Milliarden Jahre ab. Vorhersagen über Zukunft benötigen quantitatives Verständnis der Dunklen Energie Vorhersagen über Zukunft benötigen quantitatives Verständnis der Dunklen Energie Frühes Universum : Elementarteilchenphysik Frühes Universum : Elementarteilchenphysik

58 Ω m + X = 1 Ω m : 25% Ω m : 25% Ω h : 75% Ω h : 75% Dunkle Energie Dunkle Energie ? Vereinheitlichung aller Wechselwirkungen Superstrings Zusätzliche Dimensionen Fundamentaler Ursprung der Massenskalen

59 Ende

60 WMAP 2006 Polarisation


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